電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系 張 增 劉玉軍 董保良

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系 張 增 劉玉軍 董保良

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是對無線電信號進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對特定區(qū)域的無線電信號進(jìn)行搜索、截獲、測量、分析、識別、監(jiān)視以及對輻射源的測向和定位，以獲取其技術(shù)參數(shù)、功能、類型、位置和用途，為無線電監(jiān)測的組織與實施提供輔助決策工具，為無線電管理提供電磁環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、總體設(shè)計

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測軟件是電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，主要是根據(jù)電磁環(huán)境實時數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為用戶提供頻率資源的分析、決策和綜合應(yīng)用的技術(shù)手段。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。基本功能包括數(shù)據(jù)庫管理、地圖應(yīng)用、用戶管理和授權(quán)、工作流程配置、文書管理等功能。業(yè)務(wù)功能包括監(jiān)測測向、電磁頻譜管理、電磁干擾分析和電磁態(tài)勢顯示等功能。

圖1 電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測軟件體系結(jié)構(gòu)

二、軟件功能設(shè)計

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、監(jiān)測測向系統(tǒng)、電磁頻譜管理系統(tǒng)、電磁干擾分析系統(tǒng)和電磁態(tài)勢顯示系統(tǒng)共5個系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)通過相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)自身的功能。各個系統(tǒng)的功能如下。

1. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。功能如下。

（1）用戶、角色和權(quán)限設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)操作，包括查詢、添加、修改、刪除、統(tǒng)計分析、地圖標(biāo)繪和輸出文檔等。

（3）數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)、格式轉(zhuǎn)換等。

（4）多類數(shù)據(jù)覆蓋，包括頻率、監(jiān)測量、設(shè)備、臺站、設(shè)備檢測等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）監(jiān)測測向數(shù)據(jù)管理和日志管理。

2. 監(jiān)測測向系統(tǒng)。功能如下。

（1）頻率掃描，包括全景掃描、頻率掃描、信道掃描。

（2）信號分析，包括信號頻譜場強、中心頻率、調(diào)制模式、XdB帶寬、β帶寬等基本屬性。

（3）錄音監(jiān)聽和信息解碼。

（4）信號測向。

（5）場強統(tǒng)計和占用度統(tǒng)計。

3. 電磁頻譜管理系統(tǒng)。功能如下。

（1）頻率劃分、規(guī)劃、分配和指配。

（2）頻率預(yù)指配結(jié)果評估。

（3）優(yōu)質(zhì)頻率資源選頻。

（5）頻率保護(hù)、管制和協(xié)同。

（6）頻率資源分析，對頻率資源占用情況進(jìn)行分析。

4. 電磁干擾分析系統(tǒng)。功能如下。

（1）移動臺站干擾分析、固定臺站干擾分析以及飛行走廊干擾分析。

（2）場站電磁環(huán)境分析，利用精確化的仿真模型和預(yù)測算法，結(jié)合實時頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，對關(guān)心地域（重要通信樞紐、發(fā)射場、試驗場等）的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，為干擾排查、解除、用頻指配和頻率協(xié)調(diào)提供手段。

（3）頻譜監(jiān)測網(wǎng)系分析，主要用于了解轄區(qū)或指定區(qū)域內(nèi)監(jiān)測站（網(wǎng)）部署、監(jiān)測站（網(wǎng)）的覆蓋能力，并在地圖上顯示監(jiān)測覆蓋區(qū)域。

（4）通過分析手段，為監(jiān)測站（網(wǎng)）的部署和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等工作提供手段。

5. 電磁態(tài)勢顯示系統(tǒng)。功能如下。

（1）輻射源覆蓋區(qū)態(tài)勢。

污水專用換熱器污水側(cè)供回水溫度為11/6℃；熱泵蒸發(fā)器中介水側(cè)供回水溫度為9/5℃；熱泵冷凝器用戶側(cè)供回水溫度45/35℃；污水專用換熱器單臺制熱量800kW；離心式熱泵制熱量4622kW，電功率830kW，COP為5.56；螺桿式熱泵制熱量2235kW，電功率675kW，COP為3.31。

（2）區(qū)域頻譜態(tài)勢顯示。包括二維、三維場強態(tài)勢。

（3）點位頻譜態(tài)勢顯示。包括頻譜圖、瀑布圖、示向度圖等。

（4）電磁對抗態(tài)勢顯示。反映指定區(qū)域、指定時間雙方、多方的電磁對抗變化趨勢。

三、軟件設(shè)計思想

結(jié)合電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度以及軟件設(shè)計的可復(fù)用性和易維護(hù)性的要求，在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建整個系統(tǒng)，采用統(tǒng)一建模語言（UML）進(jìn)行軟件分析設(shè)計，通過基于底層模型的軟件開發(fā)過程管理方法進(jìn)行管理和控制。該系統(tǒng)采用多層相互協(xié)作的框架組成，構(gòu)建各個監(jiān)測任務(wù)功能子模塊，以此實現(xiàn)面向?qū)ο笙到y(tǒng)的最大重用方式。在系統(tǒng)中定義統(tǒng)一的接口使得模塊之間的通信變得非常容易和簡單。框架能重用設(shè)計，它提供可重用的抽象算法以及高層設(shè)計，并能將大系統(tǒng)分解成為更小的構(gòu)件，而且能描述構(gòu)件間的內(nèi)部接口。這些標(biāo)準(zhǔn)接口在已有的構(gòu)件基礎(chǔ)上通過組裝可以實現(xiàn)各種各樣的相關(guān)系統(tǒng)。開發(fā)人員基于可重用框架進(jìn)行二次開發(fā)或者更加具體的開發(fā)，具有靈活的擴展性。這樣做不僅可以增加軟件結(jié)構(gòu)的一致性，建立更加開放的系統(tǒng)，還可以增加代碼的重用，大大提高了軟件生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測系統(tǒng)不僅是一個實時系統(tǒng)，而且對時序、功能完成時間有較高的要求，因此，軟件開發(fā)時必須充分考慮軟件的響應(yīng)特性及操作特性，同時還要對監(jiān)測數(shù)據(jù)做后臺處理、分析及統(tǒng)計，為操作員提供操作簡便、具有多種方式的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面，為其正確判斷提供可靠依據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于對整個區(qū)域電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測功能總體分析及軟件框架設(shè)計思想，在系統(tǒng)框架中對各功能模塊的控制可采取類似于上述模塊的處理方法，因此將電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測系統(tǒng)分為4個大的部分：主框架、通用組件庫、擴展應(yīng)用模塊和第三方控件庫。

1.主框架。主框架是整個系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)從整體上對系統(tǒng)進(jìn)行管理，控制系統(tǒng)的運行。它主要包括：任務(wù)管理子系統(tǒng)、消息管理子系統(tǒng)、功能管理子系統(tǒng)以及錯誤處理子系統(tǒng)。

本框架的實現(xiàn)方式是通過對面向電磁環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的子模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理的形式來完成的。這樣做的優(yōu)點是封裝了實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，同時提供了接口，便于更改替換模塊，同時提供的接口相對穩(wěn)定。每個功能模塊都滿足以下要求：每個模塊都是功能單一的，各功能之間保持低耦合性，每個模塊都被定義了一組穩(wěn)定的接口。

（1）任務(wù)管理子系統(tǒng)。它是主框架與系統(tǒng)其他模塊（包括通用組件庫和擴展應(yīng)用模塊）的接口，它包含了若干個服務(wù)類，每一個服務(wù)類都可以認(rèn)為是對某一個模塊的包裹和封裝。

（2）消息管理子系統(tǒng)。它是框架與系統(tǒng)輸入的中介，它負(fù)責(zé)把用戶界面請求、從網(wǎng)絡(luò)上傳過來的用戶指令以及應(yīng)用系統(tǒng)定制的任務(wù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)管理子系統(tǒng)去執(zhí)行。反之，指令的執(zhí)行結(jié)果也由接口管理子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為可以被網(wǎng)絡(luò)、用戶界面等識別的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)。這樣就使得在框架內(nèi)部流動的數(shù)據(jù)包格式一致，便于統(tǒng)一管理，也簡化了管理流程。

（3）功能管理子系統(tǒng)。主要用于對多個模塊、服務(wù)進(jìn)行管理，它僅僅負(fù)責(zé)每個服務(wù)的生存期（創(chuàng)建及銷毀），而不會涉及模塊的功能。

2. 通用組件庫。系統(tǒng)中的一些通用部分封裝成功能子模塊，主要包括數(shù)據(jù)庫模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、監(jiān)測設(shè)備驅(qū)動等部分。在系統(tǒng)中可以靈活地調(diào)用這些模塊提供的接口，達(dá)到了便于維護(hù)、擴展的目的。

3. 擴展應(yīng)用模塊。主框架和通用模塊庫都是系統(tǒng)中的可重用部分。構(gòu)建一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，需要在這兩部分的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴展，實現(xiàn)監(jiān)測測向子系統(tǒng)、電磁頻譜管理子系統(tǒng)、電磁干擾分析子系統(tǒng)和電磁態(tài)勢顯示子系統(tǒng)等業(yè)務(wù)功能。具體有頻率掃描功能模塊、信號分析功能模塊、測向功能模塊、監(jiān)測結(jié)果存儲及查詢、回放模塊，對于測向功能模塊，相對應(yīng)于其他功能模塊如頻率掃描、信號分析來說，將實現(xiàn)的細(xì)節(jié)隱藏，只提供它與框架及界面的接口。這樣當(dāng)需要再加入其他功能時，只需修改某個模塊，而接口和整個系統(tǒng)框架將保持相對穩(wěn)定。

4. 第三方控件庫。第三方控件庫包括虛擬儀器圖形界面庫和電子地圖管理子系統(tǒng)。每個模塊都提供統(tǒng)一的接口，這樣便于更改替換，保持接口的相對穩(wěn)定。

四、軟件工作過程

整個系統(tǒng)的設(shè)計基于面向?qū)ο笏枷?，各個模塊封裝良好，模塊間耦合較小，模塊獨立性較高，因此對于業(yè)務(wù)功能模塊與框架及相關(guān)其他功能塊（如網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)等）間的數(shù)據(jù)、命令傳遞主要通過接口來完成。系統(tǒng)事件跟蹤過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)事件跟蹤過程

用戶啟動電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)入用戶界面，通過界面線程發(fā)送操作命令，將各種處理請求以事件隊列的形式放入線程組中，然后驅(qū)動管理器工作。在系統(tǒng)中將不同的功能模塊分為多個類型的服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)操作服務(wù)、設(shè)備操作服務(wù)及數(shù)據(jù)庫服務(wù)等，調(diào)用各個服務(wù)以接口的形式來實現(xiàn)。管理器根據(jù)不同的事件類型將操作命令發(fā)送到底層各驅(qū)動（包括硬件設(shè)備驅(qū)動），將操作命令發(fā)送到監(jiān)測設(shè)備（以調(diào)用驅(qū)動提供的動態(tài)庫來完成）、數(shù)據(jù)庫驅(qū)動將命令發(fā)送到數(shù)據(jù)庫部分、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動發(fā)送到監(jiān)測中心等；各底層模塊返回相應(yīng)信息到事件隊列中，經(jīng)應(yīng)答線程組處理，再次將信息放 入 到消息隊列中，由界面線程返回到發(fā)送請求操作的用戶界面，完成一項監(jiān)測任務(wù)。

底層驅(qū)動入口得到監(jiān)測命令，獲取任務(wù)類型并按類型分類，準(zhǔn)備開始處理具體監(jiān)測任務(wù)。首先創(chuàng)建設(shè)備對象，根據(jù)上層傳遞的消息設(shè)定測量信息及設(shè)備參數(shù)，然后啟動接收線程，設(shè)備返回監(jiān)測結(jié)果到驅(qū)動入口。當(dāng)上層調(diào)用該動態(tài)庫時得到監(jiān)測數(shù)據(jù)。若底層接收到關(guān)閉或停止命令，同樣驅(qū)動設(shè)備結(jié)束該監(jiān)測任務(wù)。

五、結(jié)論

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計以軟件體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)，基于軟件工程的設(shè)計思想，以統(tǒng)一建模語言（UML）進(jìn)行軟件分析設(shè)計，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Windows消息機制和組件技術(shù)，實現(xiàn)了本系統(tǒng)的可重用性、可擴展性和可維護(hù)性。