中国指挥与控制学会会刊 
现代空袭是大规模、体系化的多种武器及战术相结合的空中攻击,具有集中指挥、行动隐蔽、快速突然、目标多样和破坏严重等特点[1]。防空武器系统必须在最快的时间完成战场信息的有效获取,结合上级指挥所和友邻单位进行信息融合处理,依据现有武器平台对火力单元进行灵活组网,分配目标协同打击。
传统的平台中心化防空武器系统呈树状结构,各节点横向信息传递较少,数据传输主要依赖中心节点,节点间耦合性强。平台抗摧毁性差,当业务中心被打击,整个防空网络失去作战能力,同时,数据传输层级冗余,不利于作战数据快速、准确、灵活地传输,并不适合未来网络化大规模作战。
数据分发服务是由对象管理组织提出的实时通信规范,现已被美军选用成为全球信息栅格的标准之一。以数据为中心的匹配发布订阅机制可以很好地满足现代战场强实时性需求,提高系统的开放性、可靠性和灵活性。本文对DDS通信机制进行研究,并根据实际需求设计了基于DDS的防空武器信息交互系统。经实验证明,基于DDS的防空武器系统能够满足不同数据的传输策略,可以通过按需分发最大程度保护数据的高效可靠,该研究为其他高实时性系统的数据交互方案提供了借鉴。
1 DCPS通信
DDS规范启用了20多个Quality of Service(QoS)服务质量策略来定义信息模型。各信息节点可以根据战场作战需求设置相应的传输策略完成可靠通信,目前支持TCP/IP、UDP/IP、IP多路、共享内存和RTPS-UDP等传输协议。具有以下特点:
1)数据按需分发。网络中数据以主题的形式存在,作战节点按需求进行自身相关主题的发布订阅,由Data Centric Publish Subscribe Information(DCPSInfo)集中发现服务器自动匹配相关节点,建立连接,保证了数据传输的高效,减少网络传输冗余。
2)传输框架可扩展。DDS采用了可动态插拔的传输结构,架构利用了TAO(The ACE ORB)的可插拔框架,从而保证了网络中的节点可以完成动态加入和退出。
3)灵活可靠。各节点的QoS策略可以对传输质量精细化管理,合适的QoS策略可以大幅提升网络的传输效率,网络更加灵活可靠。
以数据为中心的DCPS是较低层的API,节点可以直接利用它完成不同应用程序间的通信。在DCPS中,开发人员使用API建立实体来发送和接收数据,完整的通信模型包含作战通信域(Combat Communication Domain)、域参与者(Domain Participant)、数据写入者(Publisher)、发布者(Publisher)、数据读取者(DataWriter)、订阅者(Subscriber)和主题(Topic),DDS实体关系见图1 。
数据在预设域内接收和发送,发布者和接受者分别管理相应单个或多个数据写入者和数据读取者,通过主题Topic完成匹配,实现连接通信。DCPS使用冗余的DataWriter和DataReader支持多对多连接,具有良好的容错率,同时,允许每个Subscriber单独设置QoS策略,提高了传输系统的灵活性,更加高效可靠。
2 基于DDS的防空武器信息交互系统架构设计
高速有效的数据通信是实现网络化防空作战体系的基础,系统需要快速、准确、可靠地在各子节点传输上级命令、系统信息、预警信息、控制指令、目标追踪等信息数据,保证信息及时共享和武器协同最优打击。因此,防空武器系统对吞吐量、可靠性、容错率、时延等技术指标有很高的要求,同时,由于作战的需求,通信系统需要考虑抗摧毁性,避免中心节点遭受打击后整个作战网络瘫痪, 防空武器系统体系结构如图2 所示。
基于DDS的防空武器信息交互系统架构功能需求包括:1)不同平台信息实时高效共享。在海军现有防空武器系统中,不同武器平台部件制造厂商的软件系统的编码语言可能不同,存储使用的数据库不同,操作系统不统一,因而,存在各平台软件系统的数据格式不同的问题。为了让各异构武器平台软件系统能够共享信息,实现节点灵活高效地组网,需要基于防空武器系统设计应用适配器,将异构系统信息转化为统一的数据格式进行传输。2)节点动态加入退出,灵活组网。在网络化防空体系建设中,防空系统必须能动态地完成不同平台火力节点的退出和加入,灵活组成防空网络体系,快速有机地联结作战地域内的雷达、指控和火力等单元。
基于DDS的防空武器系统通信核心采用DDS架构的DCPS InfoRepo集中发现机制,实现节点间数据的连接传输。本文中信息交互系统采用分布式设计,各单元作为节点进行互联,构成网络化结构,实现互通、互操作。节点为一个主题请求订阅时,DCPS信息库定位主题,将新订阅者的位置通知现有发行者,自动完成节点间的传输匹配,同时,并不会因为集中发现服务器被意外摧毁而中断已有连接,有效提高了系统的抗摧毁性,实现了去中心化的战术要求。
本文将防空武器系统按业务逻辑和通信需求设计为三层,模型框架详细说明见图3 。
1)应用层:对防空武器系统中通信和功能的主要组成子系统进行分布式建模,每个子系统有自己的业务逻辑和数据格式,它们的共同点是需要实时可靠的信息传输。①雷达融合探测系统:它是多型传感器目标信息的融合装置,负责导弹发射后的跟踪制导,为综合武控系统提供目标航迹信息,综合武器控制与传感器的交互包括目标指示信息以及指导信息的收发。②武器发射系统:它可同时控制包含多个舰空导弹武器系统等在内的各型武器装备,协同完成防空反导作战任务,主要上报武器装备的状态信息,接收指控系统的控制指令完成对目标的火力打击。③指挥控制系统:它主要接收目标指示信息,对目标威胁评估排序,合理调度各武器装备资源,给出最优目标分配方案并下发,发布作战指令。④综合导航系统:其通过网络传输的主要是经度和纬度、本舰航速、本舰姿态(航向、纵摇角、横摇角)等。⑤时统设备:其通过网络向作战系统各有关分系统或设备提供时码信息,即标准时间基准(北京时间)和准秒脉冲。
2)适配层:将待传输的消息由内部JSON适配器封装解析,交付通信管理层,从而为异构平台统一数据传输格式,优化消息大小,增加传输效率。
3)通信管理层:使用基于DDS和JSON的信息仓库InfoRepo进行节点匹配和消息传输质量策略管理,灵活可靠地构成可插拔节点的动态通信网络。
防空武器系统各单元节点发布/订阅自身相关主题数据,由数据处理模块完成编码和解码工作,数据按各单元节点预设的调整截止期限、寿命、活跃度、传输优先级等QoS策略在通信网络中传输,由DCPSInfo集中发现服务器完成主题的自动匹配,从而保证数据在防空武器系统中准确、灵活、可靠地传输。由InfoRepo进行初始化,并等待请求响应,当接收到订阅者的订阅请求时,信息仓库解析请求命令加载进入订阅队列中,当相应主题发布,将发布消息加载进发布队列中,若双方匹配成功,则将匹配的所有订阅者句柄(含有发布者信息,如位置信息)交付发布者,由发布者发起数据传输,并将合适的发布消息发送给匹配的订阅者,DDS防空武器信息交互系统模型如图4 所示。
模型的主要功能为:
1)将防空武器各子系统间的信息通过应用适配器封装成JSON格式向消息仓库InfoRepo注册;
2)利用信息仓库InfoRepo来管理发布的JSON消息和订阅请求进行通信匹配,并将匹配结果通知发布者和订阅者;
3)匹配成功的通信双方建立连接并直接通信,信息仓库不再参与通信过程,实现通信去中心化;
4)使用DDS的QoS质量服务策略实时调整各节点网络通信需求,提高通信网络的灵活性、可靠性和准确性。
3 基于DDS的防空武器系统仿真实现
系统模型由空情模拟单元、信息处理台、火力单元等分布式组成,各单元作为节点进行互联,构成网络化结构,实现互通、互操作。空情模拟单元包含友邻部队、上级指挥所、相控阵雷达、雷达情报中心、红外跟踪系统等信息源,完成目标编号、批号、类型等目标探测信息的发布。信息处理台主体为指挥单元、控制单元和制导单元,订阅接收目标信息,完成信息的处理融合,同时,进行指令的发布,火力节点订阅指控单元的指令,完成火力打击。
将防空武器系统分布式网络中传输的数据定义为主题(Topic),将数据的产生和接收对象分别定义为发布者和订阅者,构成数据的发布/订阅传输模型。参与者用主题指定需要发布或订阅的数据类别,通过QoS参数设置网络要求,若双方的主题与QoS兼容,即可形成发布订阅的连接。防空网络各个节点在逻辑上无主从之分,都是对等关系,通信方式可以是点对点、点对多、多对多等,在QoS的控制下建立连接,自动发现和配置网络参数。DataWriter和DataReader与Publisher和Subscriber配合,实现主题的发布与接收,Publisher是负责数据发布的对象,应用程序通过DataWriter通知Publisher给定类型的数据对象是否存在和具体数值,Publisher负责执行数据分发任务,发布应用就是通过Datawriter和Publisher的协同实现的。Subscriber是负责接收发布的数据并使接收应用程序可以使用的数据对象,应用程序使用Subscriber上的DataReader访问收到的数据,订阅应用就是通过DataReader和Subscriber协同实现的。
在本仿真系统中,DCPS信息仓库(InfoRepo,Information Repository)是一个CORBA服务器,它作为防空网络通信中发布者和订阅者之间的中介或者代理。当一个用户发送一个订阅请求时,DCPS InfoRepo找到符合订阅兴趣的发布消息,并且,将这个订阅者的位置通知所有已经存在的发布者,InfoRepo并不参与数据的传递和分发,只是匹配发布消息和订阅请求,为发布者和订阅者建立联系。这样并不以某个点作为数据通信的中心,在一定程度上避免了单点失效和信息仓库成为通信的瓶颈。图5 是发布者、订阅者和InfoRepo之间交互的时序图,描述了消息的发布和订阅过程,其中,InfoRepo负责发布JSON消息及订阅请求之间的匹配。
1)发布者将需要发布的数据及自身能够提供的QoS策略,经应用适配器封装成JSON格式的发布消息通知InfoRepo。
2)订阅者创建新的订阅请求,声明自身需要的数据信息和对QoS策略的需求,以订阅内容作为主题,并通知InfoRepo。
3)InfoRepo作为匹配引擎匹配JSON格式的订阅请求和发布消息,存储匹配结果并将匹配的订阅者信息通知发布者。
4)发布者将需要传输的消息内容经应用适配器封装成JSON格式消息,按DCPS通信连接传输给目标节点的应用适配器,经应用适配器解析成发布者能理解的数据格式后交付订阅者。
发布端和订阅端程序流程如图6 所示。
发布订阅实现关键函数如下:
Class TAO DdDcpses Export DomainParticipant:public virtual::DDS::Entity
{
Pub create-publisher(QoS&qos,Lis lis); //创建发布者
Sub creater subscriber(QoS&qos,Lis lis); //创建订阅者
Virtual::DDS::Topic}tr create topic( //创建主题
);
Virtual ReturnCode handle-qos(QoS&qos); //QoS设定
}
读取者监听器监听相应端口有数据传输时回调on-data-available作相应的数据处理。
Interface DataReaderListener Listener{ //设定数据监听者
Void on requested incompatiable qos(in DataReader reader,
In RequesterdIncompatibleQoStatus status);
Void on data available(inDataReader reader);
Void on subscription match(inDataReader reader,in SubscriptionMatchStatus status);
};
4 程序运行示例测试
将网络节点IP划分为多个网段作为不同的作战域,不同IP子网的计算机采用异构平台模拟不同地域空间的防空武器节点,模拟作战需求同时进行数据发布/订阅,增加网络情况的复杂度测试。
测试主机:
16个节点,128个核心,Intel(R)W5590 processors(Xeon 3.3GHz),2GB RAM~SUSE Linux企业服务器(SLES 10), Linux内核2.6.16在始发过程中采取时间戳来测量延迟,将该时间戳插入数据样本中并发送,数据样本在终止时获得另一个时间戳,延迟则定义为这两个时间戳之间的差。延迟包括DDS系统中的传输延迟和网络传输的延迟,即复制整个数据样本的时间,测试结果如图7 、8、9、10。
测试系统在数据包大小不同时丢包数量,重复进行2次,测试结果见表1 。
表1 数据丢包测试 |
| 序号 | 数据包长度/ Byte | 发布数量/ 个 | lost 1/ 个 | lost 2/ 个 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 28 | 400 000 | 0 | 0 |
| 2 | 32 | 400 000 | 0 | 0 |
| 3 | 76 | 400 000 | 0 | 0 |
| 4 | 104 | 400 000 | 0 | 0 |
| 5 | 148 | 400 000 | 0 | 0 |
| 6 | 184 | 400 000 | 0 | 0 |
| 7 | 200 | 400 000 | 0 | 0 |
| 8 | 204 | 400 000 | 0 | 0 |
| 9 | 216 | 400 000 | 0 | 0 |
| 10 | 224 | 400 000 | 0 | 0 |
| 11 | 236 | 400 000 | 0 | 0 |
| 12 | 268 | 400 000 | 0 | 0 |
| 13 | 300 | 400 000 | 0 | 0 |
| 14 | 588 | 400 000 | 0 | 0 |
测试表明:随着数据包长度的增加,在大量发包情况下,丢包率仍为0,系统可靠性强。
经测试,各异构平台子节点可以完成在防空网络中动态加入或退出,传输常用数据包的情况下反馈时间在12~70 μs左右,不会影响网络整体的传输质量。数据传输时延和吞吐量能够满足作战技术指标,样本出现丢包概率极小,可靠性较高。
5 结束语
近年来,随着美军提出“马赛克”作战概念,各国装备研究更加强调分布式节点灵活高效的组网作战能力,本文提出的基于DDS的防空武器信息交互系统可以很好地解决目前存在的防空网络体系异构平台间信息交互效率低、节点无法动态加入或退出、网络整体数据传输效率低等问题。系统通信状况良好,符合作战标准,由于采用DDS集中发现机制,信息数据按作战实际需要实现按需分发,与现有防空武器系统传输性能相比提升显著,同时,预设的QoS策略保证了不同节点对传输要求不同的灵活性,使网络整体传输更加合理可靠,具有更高的通用性、可靠性和可扩展性。
系统模型具有较高的使用价值,可以结合具体装备完成细化研究并投入使用,为军事、航海、航空等实时性、可靠性要求高的其他系统提供了借鉴。