CN113836052A - 一种高速测控数据缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速测控技术领域，具体涉及一种高速测控数据缓存方法。该方法首先获取各个靶场、以及一个靶场下各种测控设备的高速测控数据帧；然后将获取的高速测控数据帧写入一级缓存区中；所述一级缓存区包括M个缓存单元；接着从一级缓存区中读出高速测控数据帧，基于抽象工厂模式对读出的高速测控数据帧进行解析，以生成地图数据帧；最后根据地图数据帧中的目标编号，将地图数据帧写入二级缓存区相应的缓存队列中；所述二级缓存区包括N个缓存队列，N＞1，一个缓存队列对应一个装备试验目标。本发明采用二级缓存方式，使得对测控数据帧的存取效率得到大大改善，而且将高速测控数据帧的解析同目标的实时显示相分离，实现了松散耦合。

Description

一种高速测控数据缓存方法

技术领域

本发明属于高速测控技术领域，具体涉及一种高速测控数据缓存方法。

背景技术

在靶场试验中，无人机、直升机、导弹等由地面测控网跟踪、量测、控制的飞行目标称为高速测控目标。有别于常规运动目标，高速目标的运动速度快，地面测控网测量获得的武器目标实时数据帧率高，单个武器试验目标帧率可高达20帧/秒，这种由地面测控网实时跟踪、测量获得的武器试验目标实时数据称为高速测控数据。高速测控数据记录了常规靶场试验过程中武器目标的实时状态、位置、方位、俯仰、侧滚、偏航、速度、加速度等信息，是分析武器试验目标各种性能、指标、参数的基本依据。

高速测控数据具有如下两个特点：①数据帧类型繁多，数据结构、测量参数各异。高速测控数据帧来源于测控设备对武器目标的跟踪测量，由于测控设备类型及测量参数的多样性，导致了高速测控数据帧类型多，数据结构、坐标系统各异。为了向上层地理信息系统实时显示应用提供一致的实时数据服务，必须建立兼容各种测控设备的抽象数据接口模型。②数据帧率高。这是高速测控数据的最基本特点，在单个武器目标试验中，数据帧率可达到20帧/秒，在多个武器目标试验过程中(如导弹攻击靶机试验为双目标试验)，要同时接发多个武器目标的实时数据帧，因此导致数据帧率成倍增大。面对如此高帧频的测控数据帧，目前地理信息平台的动态显示能力无法做到对数据帧进行单帧实时刷新。

发明内容

本发明提供了一种高速测控数据缓存方法，用以解决现有技术中无法做到对数据帧进行单帧实时刷新的问题。

为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明的一种高速测控数据缓存方法，包括如下步骤：

1)获取各个靶场、以及一个靶场下各种测控设备的高速测控数据帧；

2)将获取的高速测控数据帧写入一级缓存区中；所述一级缓存区包括M个缓存单元，M＞1；

3)从一级缓存区中读出高速测控数据帧，基于抽象工厂模式对读出的高速测控数据帧进行解析，以生成地图数据帧；

4)根据地图数据帧中的目标编号，将地图数据帧写入二级缓存区相应的缓存队列中；所述二级缓存区包括N个缓存队列，N＞1，一个缓存队列对应一个装备试验目标。

上述技术方案的有益效果为：本发明采用二级缓存方式，包括一级缓存区和二级缓存区，一级缓存区用于直接存储获取的高速测控数据帧，接着基于抽象工厂模式将高速测控数据帧进行解析处理以生成地图数据帧，二级缓存区用于根据地图数据帧的编号将地图数据帧按照装备试验目标进行分区存储，使得对测控数据帧的存取效率得到大大改善，使得地理信息平台的动态显示可以做到对数据帧进行单帧实时刷新。而且，本发明将高速测控数据帧的解析同目标的实时显示相分离，保证了上层武器目标动态显示模型与处理算法的独立性，通过数据帧解析逻辑与目标实时显示逻辑相分离，就使得在数据帧结构发生变化、扩展新的测控设备时，目标实时显示逻辑的改动相对较小，实现了松散耦合。

进一步的，为了实现读写线程对一级缓存区中各个缓存单元的互斥访问，所述一级缓存区中设置两个信号量和两个指针，两个信号量分别为写信号量个数和读信号量个数，两个指针分别为生产者指针和消费者指针；且采用如下方法对所述一级缓存区进行读操作和写操作：

在对一级缓存区进行写操作时，将高速测控数据帧写入以生产者指针所指向内存地址为起始地址的一个缓存单元中，并在写操作完成后，使写信号量个数减1，读信号量个数加1，生产者指针指向下一个缓存单元的起始地址；

在对一级缓存区进行读操作时，从消费者指针所指向内存地址为起始地址的一个缓存单元中读取高速测控数据帧，并在读操作完成后，使读信号量个数加1，写信号量个数减1，消费者指针指向下一个缓存单元的起始地址。

进一步的，为了屏蔽不同测控设备的差异，以向上层指挥显示应用提供统一的数据帧服务，一帧高速测控数据帧包含的是各种测控设备在同一时刻对同一武器目标的测量物理量；获取的高速测控数据帧采用组合帧结构，所述高速测控数据帧的帧结构包括帧头、参试设备、BCD时间码、测控设备数据段和校验；其中，所述BCD时间码为数据帧时间，所述测控设备数据段包括多个数据段，一个数据数据段对应一种测控设备。

进一步的，所述测控设备数据段包括三个数据段，分别为相控阵数据段、BEL数据段和遥测数据段，所述相控阵数据段包括目标位置、目标高程、目标俯仰角、目标方位角、以及目标径向距离，所述BEL数据段包括目标径向速度，所述遥测数据段包括目标俯仰角、目标倾斜角和目标偏航角。

进一步的，为了实现高速测控数据帧的准确发送和接收，所述校验为CRC-16校验。

进一步的，为了防止丢帧、传输错误等现象发生，在从一级缓存区中读出高速测控数据帧时，需先对高速测控数据帧的合法性进行校验，且进行合法性校验的方法为：

①从一级缓存区中读出高速测控数据帧后，逐个字节扫描帧头；

②在扫描到正确的帧头后，判断当前高速测控数据帧的帧尾是否正确、以及帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定是否相同：

若帧尾正确且帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定相同，则说明当前高速测控数据帧的合法性校验通过。

进一步的，若帧尾不正确或者帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定不相同，则从当前高速测控数据帧的帧头到整个帧长的范围内查找是否有正确的帧尾，若有正确的帧尾，则判断此帧尾是否为下一高速测控数据帧的帧头，若为下一高速测控数据帧的帧头，则所述下一高速测控数据帧的帧头的前一字节是当前高速测控数据帧的帧尾位置。

附图说明

图1是本发明的一级缓存区的缓存原理图；

图2是本发明的二级缓存区的缓存原理图；

图3是本发明的数据分解流程图；

图4是本发明的测控数据帧合法性检验与解析流程图；

图5是本发明的地图数据帧模型示意图；

图6是本发明的高速测控数据缓存方法流程图。

具体实施方式

在测控设备对武器目标实时跟踪测量的过程中，高速测控数据帧的帧率可达到单目标20帧/秒，即每50毫秒接收到一帧数据。面对高帧率测控数据，对其处理时，本发明提供了一种高速测控数据帧缓存方法。

本发明的高速测控数据缓存方法从三方面考虑：一是设计抽象地图数据帧结构，屏蔽不同测控设备的差异，向上层指挥显示应用提供统一的数据帧服务。二是松散耦合，即为了保证上层武器目标动态显示模型与处理算法的独立性，将测控数据帧的解析同目标的实时显示相分离。即目标数据帧的解包、重新组包、投影转换等处理操作并不内嵌于指挥显示应用的程序逻辑中，而是以松散耦合、分布式配置的方式同其相分离，两者之间的数据交换通过UDP组播协议来进行，其对应关系是一对多的(测控数据帧处理逻辑可对应多种指挥显示应用)。通过数据帧解析逻辑与目标实时显示逻辑相分离，就使得在数据帧结构发生变化、扩展新的测控设备时，目标实时显示逻辑的改动相对较小。三是构建基于目标缓存队列的二级缓存模型，使得对测控数据帧的存取效率得到大大改善。

下面结合附图和实施例，对本发明的高速测控数据缓存方法进行详细说明。

高速测控数据缓存方法实施例：

本发明的一种高速测控数据缓存方法实施例，流程如图6所示，过程如下：

步骤一，获取各个靶场、以及一个靶场下各种测控设备的高速测控数据帧，本实施例中的高速测控数据帧是以组合帧的形式发送的。

高速测控数据帧差异主要是由于各种测控系统中测控设备的种类、型号、测量参数、坐标系统不同而导致的，本实施例以相控阵雷达、BEL雷达和遥测地面站三类常见的设备数据帧结构为例，其差异性主要表现在：①测控设备数据帧包含的测量物理量不同。相控阵雷达数据帧中包含了目标的位置、高程、俯仰角、方位角、径向距离等物理量，BEL雷达在其基础上增加了目标径向速度物理量，而遥测地面站不包含俯仰角、方位角、径向距离等物理量，却可从中获取目标的实时姿态即目标的俯仰角、倾斜角及偏航角，还包括目标转速值。②空间参考系统不同。三种测控设备数据帧都包含了目标的位置，但其大地椭球及坐标位置表达形式不同。相控阵雷达和BEL雷达数据帧获取的是克拉索夫斯基椭球模型下的新54大地经纬度，而遥测地面站数据帧获取的坐标则是WGS84椭球下的空间直角坐标。另外，径向距离、俯仰角和方位角的数值是相对于某参考点的数据(方向基准为真北方向)，该参考点可以是该测控设备点位、靶场原点、发射器点位或者其它参考点，选取不同参考点，其测量值不同，解算方法也不同。③数据帧格式不同，数据帧大小各异，其中相控阵雷达数据帧为19字节，BEL雷达数据帧为22字节，遥测地面站数据帧为25字节。④优先级不同。在每次试验中使用的测控设备不止一种，这种情况下，需考虑测控设备测量数据的优先级问题。以坐标数据为例，相控阵优先级最高，BEL雷达次之，遥测地面站优先级最低。

组合帧是在试验实施过程中将各种参试测控设备的不同类型的数据帧有机组合起来形成的一种复杂帧结构。组合帧协议是为将单个靶场的各类测控设备结构各异的数据帧统一起来而提出的一个概念，其目的是将试验实施过程中各种参试测控设备在同一时刻对同一武器目标的测量物理量融合，进而给指挥显示应用提供一致的数据帧处理界面，以一致的方式接入地理信息平台。

以相控阵雷达、BEL雷达及遥测地面站等三种典型测控设备为例，设计其组合数据帧结构定义如表1所示：

表1组合数据协议帧结构定义表

在上述组合数据帧定义中，根据不同的参试设备类型，组合了三种测控设备的数据帧段，包括相控阵雷达数据帧段、BEL雷达数据帧段及遥测地面站数据帧段，这样对于上层指控显示应用来说，不用再针对每种测控设备的帧格式进行解析、转换处理，只需要定义好与组合数据帧相对应的地图数据帧格式即可。当通过UDP组播协议接收到封装好的组合数据帧时，只需通过简单的解包、映射便可得到用于目标实时显示的地图数据帧。

步骤二，将获取的高速测控数据帧写入一级缓存区中。具体的：

1)一级缓存区的建立。

如图1所示，在内存中开辟大小为12K的一级缓存区，并将12K内存缓冲区分成24等份(即本实施例中M＝24)，形成24个缓存单元，每个缓存单元的大小为512字节(单帧测控数据的最大长度为512字节)。

2)高速测控数据缓存访问的同步控制。

由于在向一级缓存区域写入测控数据帧时，可能会有其他线程同时读取缓存中的数据，因此必须保证读写线程对高速测控数据帧缓存的互斥访问，即解决对高速测控数据帧访问的同步控制问题。本实施例采用信号量来解决高速测控数据帧的同步控制。对高速测控数据缓存区域状态的指示，可以用两个信号量描述，读信号对高速测控数据帧读出进行控制，写信号对高速测控数据帧写入进行控制。写信号量个数(nWriterCount)初始为24(即有24个数据帧区间可写入)，读信号量个数(nReaderCount)初始化为0(表示初始状态没有数据帧需要读出)。

3)高速测控数据帧写入。

测控数据帧采集线程(UDP组播接收线程)为数据生产者，负责将高速测控数据写入缓存区。当从UDP端口获取一帧被试装备测控数据，首先判断写nWriterCount是否为零，若为零则采集线程阻塞等待，若nWriterCount不为零则将测控数据帧内容写入当前生产者指针pWriterIndex所指向内存地址之后的512字节中，完成该操作后生产者指针pWriterIndex加512(即生产者指针pWriterIndex指向下一个缓存单元的起始地址)，同时写信号量nWriterCount减1，读信号量nReaderCount加1，这是缓存区中测控数据帧生产的过程。

4)高速测控数据帧读出。

实时数据分析线程和目标动态显示线程为消费者。当线程切换到实时数据分析线程和目标动态显示线程时，首先判断读信号量nReaderCount是否为零，若nReaderCount为零则读取测控数据帧的线程阻塞等待，若nReaderCount不为零则由从消费者指针pReaderIndex所指向的内存区域读取一帧数据，然后将消费者指针pReaderIndex加512(即消费者指针pReaderIndex指向下一个缓存单元的起始地址)，读信号量nReaderCount减1，写信号量nWriterCount加1。

由以上分析可知，通过读信号和写信号对高速测控数据帧缓存的同步控制，协调了UDP组播数据帧采集、实时数据分析、目标动态显示的同步，并且通过信号量的互锁机制保证了pWriterIndex和pReaderIndex不会指向同一内存地址，这样使得对测控数据帧的存取效率得到较大改善。

步骤三，当高速测控数据帧在写信号量和消费者指针pReaderIndex的控制下，存入一级缓存区(测控数据帧缓存)后，为了进一步提高缓存的性能，优化其实时处理能力，从一级缓存区中读出高速测控数据帧后，设计二级缓存机制来对高速测控数据进行读写操作，其核心思想在于：通过分解数据建立每个装备试验目标的虚拟数据通道，每个通道实际上对应于一个目标的缓存队列，多个虚拟数据通道可同时对高速测控数据进行存取操作，二级缓存的缓存原理图如图2所示。整个流程如图3所示，具体的：

1)根据读信号量的值nReaderCount，判断是否有新的数据帧可读，若有新的测控数据帧可读，转步骤2)，否则线程等待直至nReaderCount>0。

2)测控数据帧的合法性检验：如果该帧不合法，则跳出处理流程；如果该帧合法，则转步骤3)继续处理。

3)测控数据帧与地图数据帧之间的转换：由于不同的组合数据帧协议对应不同的抽象地图数据帧结构，因此这里可基于多态的思想，在每种具体地图数据帧工厂类型定义中实现不同组合协议到具体地图数据帧的映射函数，并通过统一的抽象接口进行调用，这样就实现了不同测控数据帧与不同地图数据帧之间的统一解析，生成地图数据帧后转步骤4)处理。

4)根据地图数据帧中的目标编号，将地图数据帧写入二级缓存区相应的缓存队列中，并执行步骤5)处理。

5)更新写信号量的值nReaderCount及消费者指针pReaderIndex，令写信号量加1，pReaderIndex指针加512并判断，若pReadIndex＝23*512，置pReaderIndex＝0。

在上述步骤2)中，需要对测控数据帧的合法性进行检验，检验算法流程如图4所示：

①从一级缓存区中读取出高速测控数据帧，逐个字节扫描帧头，一旦检测到帧头0xAF，则转步骤②。

②判断高速测控数据帧的帧尾是否为0xAE，以及帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定是否相同，若满足上两个条件，则说明此高速测控数据帧通过检验，则转步骤⑥，否则转步骤③。

③从帧头到整个帧长的范围内查找是否出现0xAF，若出现0xAF，则转步骤④，否则转步骤⑤。

④对帧尾以及帧尾的前一个字节数据进行判断：若帧尾以及帧尾前一个数据和标准协议中的规定相同，则说明此高速测控数据帧通过检验，则转步骤⑥，否则说明数据错误，记录帧尾位置，将此帧按照非标准帧处理，便后续计算误码率。

⑤判断此0xAF是否为下一高速测控数据帧的帧头，如为下帧帧头，则该帧头前一字节便是当前帧尾的位置，这就表明当前帧发生丢数据现象，此时当前帧非标准帧，记录此帧以便后续计算误码率。

⑥根据高速测控数据组合协议的配置信息，利用抽象地图数据帧工厂接口创建具体地图数据帧工厂，实现由测控数据帧到地图数据帧的解析。

下面再对其中涉及的地图数据帧进行详细介绍。

组合帧协议解决了单个靶场不同测控设备数据帧格式的差异性问题，不同靶场即便是同类装备试验，其组合帧协议也不相同，因此本发明基于抽象工厂模式设计了“地图数据帧”模型。地图数据帧模型设计如图5所示。需说明的是，由于地图数据帧面向的是所有靶场的所有测控设备，地图数据帧的帧结构需要适用于所有靶场，所以定义地图数据帧时，需定义不同的数据段用于存放不同靶场的测控设备所测量的数据。例如，地图数据帧的第二段是用于存放第一个靶场的各个测控设备所测量的数据，地图数据帧的第三段用于存放第二个靶场的各个测控设备所测量的数据，地图数据帧的第四段用于存放第三个靶场的各个测控设备所测量的数据，等等。所以，一帧高速测控数据帧转换成的相应的地图数据帧时，一帧地图数据帧的某一段存有数据，而其余段是零。例如，高速测控数据帧是第三个靶场的所有测控设备所测量的数据，那么相应转换后的地图数据帧的第四段存储的是从该高速测控数据帧解析出的数据，而第二段、第三段为空白(即零)。

地图数据帧设计核心包括三方面：①定义了针对每种组合数据帧的上层应用地图数据帧创建接口。如图5中的IAbstractMapFrameFacotryA、IAbstractMapFrameFacotryB、IAbstractMapFrameFacotryC，提供了创建三种不同的地图数据帧的方法。②建立了具体地图数据帧工厂族，每个靶场对应于一个具体地图数据帧工厂，其作用是创建靶场所有组合数据帧对应的地图数据帧对象，如MapFrameFactory_33实现了地图数据帧创建接口IAbstractMapFrameFacotryA和IAbstractMapFrameFacotryC，因此可以创建两种具体地图数据帧。③建立了地图数据帧族。由于不同靶场同类型装备试验的组合帧格式不同，但其测量物理量相同，因此每种武器类型试验所对应的地图数据帧格式应该是抽象类型而不是具体类型，比如AbstractMapFrameA是某种装备试验的地图数据帧，它是抽象类型，而AbstractMapFrameA_31和AbstractMapFrameA_33则是针不同靶场、不同解析方式所创建的具体地图数据帧。

Claims (7)

1.一种高速测控数据缓存方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取各个靶场、以及一个靶场下各种测控设备的高速测控数据帧；

2)将获取的高速测控数据帧写入一级缓存区中；所述一级缓存区包括M个缓存单元，M＞1；

3)从一级缓存区中读出高速测控数据帧，基于抽象工厂模式对读出的高速测控数据帧进行解析，以生成地图数据帧；

4)根据地图数据帧中的目标编号，将地图数据帧写入二级缓存区相应的缓存队列中；所述二级缓存区包括N个缓存队列，N＞1，一个缓存队列对应一个装备试验目标。

2.根据权利要求1所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，所述一级缓存区中设置两个信号量和两个指针，两个信号量分别为写信号量个数和读信号量个数，两个指针分别为生产者指针和消费者指针；且采用如下方法对所述一级缓存区进行读操作和写操作：

在对一级缓存区进行写操作时，将高速测控数据帧写入以生产者指针所指向内存地址为起始地址的一个缓存单元中，并在写操作完成后，使写信号量个数减1，读信号量个数加1，生产者指针指向下一个缓存单元的起始地址；

在对一级缓存区进行读操作时，从消费者指针所指向内存地址为起始地址的一个缓存单元中读取高速测控数据帧，并在读操作完成后，使读信号量个数加1，写信号量个数减1，消费者指针指向下一个缓存单元的起始地址。

3.根据权利要求1所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，一帧高速测控数据帧包含的是各种测控设备在同一时刻对同一武器目标的测量物理量；获取的高速测控数据帧采用组合帧结构，所述高速测控数据帧的帧结构包括帧头、参试设备、BCD时间码、测控设备数据段和校验；其中，所述BCD时间码为数据帧时间，所述测控设备数据段包括多个数据段，一个数据数据段对应一种测控设备。

4.根据权利要求3所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，所述测控设备数据段包括三个数据段，分别为相控阵数据段、BEL数据段和遥测数据段，所述相控阵数据段包括目标位置、目标高程、目标俯仰角、目标方位角、以及目标径向距离，所述BEL数据段包括目标径向速度，所述遥测数据段包括目标俯仰角、目标倾斜角和目标偏航角。

5.根据权利要求3所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，所述校验为CRC-16校验。

6.根据权利要求1所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，在从一级缓存区中读出高速测控数据帧时，需先对高速测控数据帧的合法性进行校验，且进行合法性校验的方法为：

①从一级缓存区中读出高速测控数据帧后，逐个字节扫描帧头；

②在扫描到正确的帧头后，判断当前高速测控数据帧的帧尾是否正确、以及帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定是否相同：

若帧尾正确且帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定相同，则说明当前高速测控数据帧的合法性校验通过。

7.根据权利要求6所述的高速测控数据缓存方法，其特征在于，若帧尾不正确或者帧尾的前一个字节数据和标准协议中的规定不相同，则从当前高速测控数据帧的帧头到整个帧长的范围内查找是否有正确的帧尾，若有正确的帧尾，则判断此帧尾是否为下一高速测控数据帧的帧头，若为下一高速测控数据帧的帧头，则所述下一高速测控数据帧的帧头的前一字节是当前高速测控数据帧的帧尾位置。

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