Data Analysis Implementation of DDS Communication Application Based on Wireshark Open Source Code

LI Jiang-bao

doi:10.3969/j.issn.1673-3819.2019.05.024

Command Control and Simulation ›› 2019, Vol. 41 ›› Issue (5) : 116-120. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2019.05.024

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Data Analysis Implementation of DDS Communication Application Based on Wireshark Open Source Code

LI Jiang-bao

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Abstract

In order to analyze the application data message using DDS communication, the paper analyzes the working principle of Wireshark based on the analysis of the current available software, and studies the method of stripping the RTPS protocol parsing function code from the Wireshark source code. Based on the stripped RTPS protocol dissection code, an application data protocol analysis software is designed and implemented, and the actual DDS communication data verification is performed.

Key words

DDS; RTPS; application data dissection; Wireshark; open source software

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LI Jiang-bao. Data Analysis Implementation of DDS Communication Application Based on Wireshark Open Source Code. Command Control and Simulation. 2019, 41(5): 116-120 https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2019.05.024

声呐浮标是用于探测水下目标的水声遥感器材,是对潜搜索的重要设备,具有搜索效率高、受噪声影响小、隐蔽性好、持续探测时间长等特点,而且体积小、重量轻,便于大量携带,是反潜直升机、反潜巡逻机主要的搜潜器材之一。

由于单枚声呐浮标探测范围有限,通常布设多枚声呐浮标构成阵型,从而实现对大面积海域进行搜索。

关于声呐浮标的运用方法^[1⇓-3]、搜索阵型^[4⇓-6]的研究较多,同时,也对声呐浮标的布防^[7-8]、发现概率^[9-10]、搜潜效能^[11⇓-13]、最佳工作深度^[14],以及无人机参与下的搜潜^[15]等多个方面展开了研究。而关于计算声呐浮标阵型搜索面积时,通常忽略了相邻浮标探测区域重叠面积的计算,而实际阵型中,三枚声呐浮标探测区域也可能存在重叠。因此,本文针对这一问题,建立声呐浮标阵的有效搜索面积的计算模型,以使衡量阵型效能的指标计算结果更符合实际。

1 声呐浮标阵典型阵型

声呐浮标可以布设成多种阵型,以满足不同的对潜搜索任务需要。典型的阵型主要有线形阵、方形阵、扇形阵、圆形阵等,如图1所示。

图1 声呐浮标阵典型阵型

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线形阵是沿直线依次布设声呐浮标所组成的阵形,最常用的一种浮标阵形,可以衍生出折线阵、弧形阵、三角阵等诸多线形阵。线形阵布设灵活、简单,易于扩充,运用适当时有较高的搜潜概率。线形阵可以沿一条直线布设成单线形阵,也可以由多条单线形阵组成,如图1(a)所示。

方形阵也是常用的一种阵形,可分为长方形阵和正方形阵两种。阵形布设方便,搜潜概率较高,但在相同搜索面积下所需浮标数量较多,效率较低。

扇形阵是沿扇形将声呐浮标布设成多条弧形所构成的阵形;而圆形阵是沿圆形将声呐浮标布设成包围形状所构成的阵形。两种阵型较为灵活、易于扩充,在阵形内搜潜概率较高;但布设难度较大、阵形较难保持。

2 声呐浮标阵有效搜索面积计算模型

声呐浮标阵有效搜索面积是评估不同阵型搜潜效能的重要指标之一,也是计算声呐浮标阵发现概率的关键参数之一。例如,在任务要求的海域面积进行搜索时,声呐浮标阵的发现概率P_f的计算公式为

P_f=1-exp(S_效搜P_完好P_接识/S_总面积)

(1)

其中,S_效搜表示声呐浮标阵的实际有效搜索面积;S_总面积表示任务要求的搜索海域总面积;P_完好表示浮标技术完好率;P_接识表示与目标接触并正确识别目标的概率。P_完好、P_接识两个参数主要取决于声呐浮标的性能,通常取为固定值。因此,计算浮标声呐阵型的发现概率,关键在于求解阵型的有效搜索面积S_效搜。

不同的声呐浮标阵型,其有效搜索面积的计算原理是一致的。下面以线形阵为例进行建模。假设声呐浮标阵由N_线条线形阵构成,其中两条阵型上各声呐浮标探测区域如图2所示。

图2 线形阵声呐浮标探测区重叠

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为了有效覆盖搜索区域、提高搜索概率,不仅单条线形阵内,甚至是相邻线形阵之间,浮标声呐探测区之间通常均会存在一定重叠。因此,声呐浮标阵实际有效搜索面积S_效搜为各单条线形阵搜索面积之和减去相邻线形阵之间重叠的面积,即

S_效搜=N_线S_单线-(N_线-1)A_间叠

(2)

其中,S_单线表示单条线形阵实际搜索海域的总面积,km²;A_间叠表示相邻线形阵之间探测区域重叠的面积,km²。

1)单条线形阵实际搜索海域的总面积S_单线为所有声呐浮标探测区面积之和,减去相邻声呐浮标探测区域重叠的面积A_内叠,即

S_单线=N_单线浮标π

R_{浮 标}^{2}

-A_内叠

(3)

其中,N_单线浮标表示单条线形阵上声呐浮标的数量,显然有N_单线浮标≥2;R_浮标表示声呐浮标的有效作用距离,m。令A₂表示相邻声呐浮标探测区域重叠的面积,那么有

A_内叠=(N_单线浮标-1)×A₂

(4)

2)相邻线形阵之间探测区域重叠的面积A_间叠,为所有两个探测区域重叠面积之和,减去所有三个探测区域重叠面积之和,即

A_间叠=(2N_单线浮标-1)×A₂-2(N_单线浮标-1)×A₃

(5)

其中,A₃表示三枚声呐浮标探测区域重叠的面积。

3)如果阵型内所有声呐浮标之间均不存在重叠区域,则有

S_效搜=N_线S_单线=N_线×N_单线浮标×π×

R_{浮 标}^{2}

(6)

下面分别建模求解两个与三个探测区域的重叠面积,即A₂与A₃。

2.1 两枚声呐浮标有效搜索范围重叠面积

令两个圆形浮标声呐探测区域的圆心相距d₁₂(m),r₁、r₂(r₁≥r₂)分别表示两个圆形浮标声呐探测区域的半径,如图3所示。

图3 两枚声呐浮标探测范围重叠区域

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可计算出重叠区域的面积A₂,即

A₂=

\{\begin{array}{l} 0, d_{12} \geq r_{1} + r_{2} \\ θ \cdot r_{1}^{2} + ϑ \cdot r_{2}^{2} - d_{12} \cdot r_{1} s i n θ, r_{1} - r_{2} < d_{12} < r_{1} + r_{2} \\ π \cdot r_{2}^{2}, d_{12} \leq r_{1} - r_{2} \end{array}

(7)

其中,中间变量的计算公式为

θ=arccos

\frac{r_{1}^{2} + d_{12}^{2} - r_{2}^{2}}{2 r_{1} \cdot d_{12}}

(8)

ϑ=arccos

\frac{r_{2}^{2} + d_{12}^{2} - r_{1}^{2}}{2 r_{2} \cdot d_{12}}

(9)

若r₁=r₂=r,那么有

A₂=

\{\begin{array}{l} 0, d_{12} \geq 2 r \\ (θ + ϑ) \cdot r^{2} - d_{12} \cdot r s i n θ, 0 < d_{12} < 2 r \\ π \cdot r^{2}, d_{12} \leq 0 \end{array}

(10)

其中,

θ=arccos

\frac{d_{12}^{2}}{2 r \cdot d_{12}}

(11)

ϑ=arccos

\frac{d_{12}^{2}}{2 r \cdot d_{12}}

(12)

2.2 三枚声呐浮标有效搜索范围重叠面积

令O₁、O₂、O₃分别为三个相交圆的圆心;d₁₂、d₁₃、d₂₃分别为三个圆的圆心之间的距离,m;r₁、r₂、r₃(r₁≥r₂≥r₃)依次为三个圆的半径,m;如图4所示。

图4 三枚声呐浮标探测范围重叠区域

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根据几何知识,经过推导与简化,建立三圆重叠区的面积A₃的解析计算公式,即

1) A₃=0,若满足以下条件之一

d₁₂≤r₁-r₂

(13)

d₁₂≥r₁+r₂

(14)

(x₁₂-d₁₃cosθ')²+(y₁₂-d₁₃sinθ')²≥

r_{3}^{2}

(15)

(x₁₂-d₁₃cosθ')²+(y₁₂+d₁₃sinθ')²≤

r_{3}^{2}

(16)

其中,

x₁₂=

\frac{r_{1}^{2} - r_{2}^{2} + d_{12}^{2}}{2 d_{12}}

(17)

y₁₂=

\frac{1}{2 d_{12}} \sqrt{2 d_{12}^{2} (r_{1}^{2} + r_{2}^{2}) - (r_{1}^{2} - r_{2}^{2})^{2} - d_{12}^{4}}

(18)

sinθ'=

\sqrt{1 - c o s^{2} θ'}

(19)

cosθ'=

\frac{d_{12}^{2} + d_{13}^{2} - d_{23}^{2}}{2 d_{12} d_{13}}

(20)

sinθ″=

\sqrt{1 - c o s^{2} θ ″}

(21)

cosθ″=-

\frac{d_{12}^{2} + d_{23}^{2} - d_{13}^{2}}{2 d_{12} d_{23}}

(22)

2) 不满足前述情况,则

A₃=

\frac{1}{4} \sqrt{(c_{1} + c_{2} + c_{3}) (c_{2} + c_{3} - c_{1}) (c_{1} + c_{3} - c_{2}) (c_{1} + c_{2} - c_{3})}

\overset{3}{\sum_{k = 1}} (r_{k}^{2} a r c s i n \frac{c_{k}}{2 r_{k}})

\overset{2}{\sum_{k = 1}} (\frac{c_{k}}{4} \sqrt{4 r_{k}^{2} - c_{k}^{2}})

+flag·

\frac{c_{3}}{4} \sqrt{4 r_{3}^{2} - c_{3}^{2}}

(23)

其中,

flag=

\{\begin{array}{l} 1 d_{13} s i n θ' < y_{13} + \frac{y_{23} - y_{13}}{x_{23} - x_{13}} (d_{13} c o s θ' - x_{13}) \\ - 1 其 他 \end{array}

(24)

中间变量c₁、c₂、c₃按下列公式计算(其中,i,j,k互不相同,且下标前后顺序可变,即有x_ik=x_ki)

c_{k}^{2}

=(x_ik-x_jk)²+(y_ik-y_jk)²

(25)

x₁₃=x'₁₃cosθ'-y'₁₃sinθ'

(26)

y₁₃=x'₁₃sinθ'+y'₁₃cosθ'

(27)

x₂₃=x″₂₃cosθ″-y″₂₃sinθ″+d₁₂

(28)

y₂₃=x″₂₃sinθ″+y″₂₃cosθ″

(29)

x'₁₃=

\frac{r_{1}^{2} - r_{3}^{2} + d_{13}^{2}}{2 d_{13}}

(30)

y'₁₃=

\frac{- 1}{2 d_{13}} \sqrt{2 d_{13}^{2} (r_{1}^{2} + r_{3}^{2}) - (r_{1}^{2} - r_{3}^{2})^{2} - d_{13}^{4}}

(31)

x″₂₃=

\frac{r_{2}^{2} - r_{3}^{2} + d_{23}^{2}}{2 d_{23}}

(32)

y″₂₃=

\frac{1}{2 d_{23}} \sqrt{2 d_{23}^{2} (r_{2}^{2} + r_{3}^{2}) - (r_{2}^{2} - r_{3}^{2})^{2} - d_{23}^{4}}

(33)

3 仿真示例

设声呐浮标阵由多条单线形阵构成。单条线形阵上布设有10枚声呐浮标;声呐浮标有效作用距离为3km。令D_间距表示相邻声呐浮标的间距,取D_间距=ξ_浮标×R_浮标,其中ξ_浮标表示相邻声呐浮标的间距系数。

分别对由1条~4条单线形阵构成的声呐浮标阵进行仿真,随着间距系数的变化,可得仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果图

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由图5可以看出,随着间距系数的逐渐变大,声呐浮标阵的有效搜索面积也在逐渐增加;当间距系数大于2时,有效搜索面积保持不变。这是因为间距系数的增加,使得重叠面积减少,有效搜索面积增大;当间距系数不小于2时,声呐浮标探测区域不存在重叠,达到了有效搜索面积的最大值。

随着声呐浮标阵中单条线形阵数量的增加,有效搜索面积也是成倍增加;不同的间距系数,其值也是各不相同。由1条~4条单线形阵构成的声呐浮标阵的最大有效搜索面积分别是282.74km²、565.49km²、848.23km²与1130.97km²。

根据仿真计算结果,结合搜索海域面积与反潜兵力携带的声呐浮标数量,可以确定单条线形阵的数量、声呐浮标数量、最佳的间距系数等参数,以提高整个声呐浮标阵的对潜搜索效能。

4 结束语

声呐浮标是对潜搜索的重要器材。通过合理布设声呐浮标阵,可以对较大的海域进行有效探测。为了解决声呐浮标阵实际有效搜索面积的计算问题,采用解析法,建立了相应的定量计算模型,并仿真验证了模型的正确性。模型可以用于支持声呐浮标搜潜作战的辅助决策和发现概率等关键指标的评估计算,具有较高的实际应用价值。

References

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1 声呐浮标阵典型阵型
图1 声呐浮标阵典型阵型
2 声呐浮标阵有效搜索面积计算模型
图2 线形阵声呐浮标探测区重叠
2.1 两枚声呐浮标有效搜索范围重叠面积
图3 两枚声呐浮标探测范围重叠区域
2.2 三枚声呐浮标有效搜索范围重叠面积
图4 三枚声呐浮标探测范围重叠区域
3 仿真示例
图5 仿真结果图
4 结束语
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2019-03-03	2019-03-11	2019-10-10
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2022-05-09