用于声呐系统一体化建设的信息技术探述*

孟士超 方毅伟 胡 波

(1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室 葫芦岛 125004)(2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

用于声呐系统一体化建设的信息技术探述*

孟士超1方毅伟2胡 波2

(1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室 葫芦岛 125004)(2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

网络中心战是二十一世纪的一种新的作战样式,信息化成为我国新军事变革的核心,“综合集成”成为武器装备信息化发展道路的一个重要方向。长期以来,不同声呐之间无法实现信息互通,形成了“信息孤岛”。在这样的背景下,如何架起信息沟通的桥梁,实现高集成度和底层的数据融合,成为一体化过程中亟待解决的难题。从多传感器阵的同步数据采集,传感器阵到信号处理机的高速数据传输,信号处理机的集群计算网络架构等方面,阐述了实现声呐一体化过程中存在的问题以及相关的关键技术,提出了可行的解决思路,并对声呐系统一体化的发展前景进行了展望。

信息化; 数据融合; 时间同步; 集群计算

1 新军事变革推进装备信息化的发展

中国特色军事变革的核心是信息化,是以提高信息力为根本目的,以“系统集成”为主要途径,建设以信息和知识为国防力量战斗力核心构成要素的,适于打信息化战争的信息化国防力量。国防信息化建设的实现途径是“综合集成”[1],首先要建成以军事信息系统为龙头的信息化武器装备体系,然后实现预警探测、指挥控制、精确火力打击的一体化,以及信息化军队和信息化后备力量的一体化,最终把整个国防力量建设成结构和职能一体化的国防大系统。国防信息化的根本目的是提高国防力量的信息力和结构力。信息力是信息技术大量应用于军事领域后,产生于信息获取、传输、处理和使用的,对火力和机动力有调控作用的国防力量核心战斗力。

网络中心战[2]实质上是一种战争形态,是信息时代的基本战争形态。网络中心战是信息时代的主要战争形态,实质上就是“信息化战争”。网络中心战作为信息时代的基本战争形态,具有与传统平台中心战不同的显着特点。一是网络具有倍增效应。网络中心战高度智能化的综合网络显著的特征是具有无限的兼容整合性并产生倍增效应。二是可以在多个作战领域产生绝对信息优势。网络中心战以获取绝对的信息优势并转化为决策优势和竞争优势来提高战斗力。三是全面控制能力。网络中心战以绝对的信息优势使部队掌握有效的情报、指挥和控制手段,表现在战争形态上,其作战节奏快,战争持续时间短；战争毁伤小,附带破坏将减少到最低程度；作战行动在全维空问进行,地理因素影响大大减弱；战争一体化程度高,无形作战力量要素特别是信息起决定性作用；作战保障高效及时。这些变化和优势,使联合部队成为掌握全部优势的部队,从而实现制敌机动精确打击、聚焦式后勤和全维防护的作战能力。

2 声呐系统的集成与信息融合

早期的声呐设计建立在较为理想的模型基础上,无论是声呐设计者还是声呐使用人员,早就注意到声呐的性能与海洋环境密切相关[3,10]。但是,由于两个方面的原因,使声呐技术发展的初期采用了比较简单的模型,第一个原因是人们对海洋中水声传播规律的研究和认识有一个由浅入深、由表及里的过程,第二个原因是由于硬件条件方面的限制。20世纪50～60年代,信息论已经为微弱信号的检测提供了相当充实的理论基础和实用技术,但是这些理论的应用需要非常复杂的计算,而在那时硬件设备还无力提供这种支持。自20世纪70年代以来,情况已经发生了很大的变化,微电子技术的发展使计算机硬件的面貌发生了巨大的改观,从而推动了数字信号处理领域的变革。微电子工业的这种迅猛发展势头,使得数字式声呐应运而生,并且使声呐设计者面临巨大的机遇和挑战,因为,作为数字式声呐硬件支撑的DSP芯片,似乎“无所不能”,过去很多受计算机能力限制的技术,现在都可以实现了。但是,很不幸,声呐的性能不仅仅依赖于硬件的能力,更大程度上依赖于主导声呐性能的建模技术、微弱信号检测算法、参数估计理论、人工智能等。

由于声呐系统的集成度越来越高,数据量越来越大,单靠声呐员处理多平台、多传感器的信息就显得很不够,所以数据融合的技术自然而然地受到重视,目前,虽然还不能完全做到全自动判别,但至少为辅助决策提供了强有力的工具。

数据融合从所处理的信息层次来分,可以分为三级,即基元级、特征级和决策级,研究课题的级别越到底层就越复杂,现在大多数的研究工作还是围绕决策级展开的。数据融合中的一个基本定理,保证了声呐系统进行数据融合的必要性。这个定理是说,无论是独立观测资料还是相关观测资料,最佳的线性数据融合所带来的误差不会大于任何个别观测资料所带来的误差，基于这一事实,解决声呐系统的数据融合问题就有了理论依据,举一个具体的例子,假定潜艇上有圆阵和舷侧阵同时进行目标定位知道,圆阵的定向误差基本上与信号入射方向无关,而线阵则不同,在侧射方向误差较小,在端射方向误差较大,把圆阵和线阵的数据进行融合得到了很好的测向方法,它的误差不仅小于各自的定向误差,并且在360°范围内基本均匀。

3 声呐系统信息集成面临的问题

在当前情况下,声呐系统的信息集成难以实现,根源在于现有声呐系统的软、硬件资源无法满足信息采集、传输和处理的要求。

1) 时钟同步问题。在物理位置上距离较远的数据采集设备,如何做到同步的数据采集,这在没有网络的时代是难以实现的,并且同步精度也难以保证。分布于各阵的数据采集和发送设备必须具备相同的时钟源,才能够保证各传感器阵数据的时间有效性。时钟同步分为两个层次：传感器层和传输网络层。在同一个阵中的所有传感器阵元都必须同时进行数据采集,由于一体化方案中传感器阵元采集模拟信号,A/D转换是由前置预处理机完成,因此,传感器采集数据的时钟实质上就是前置预处理机的时钟,只要保证前置预处理机内部多个AD转换板之间能够做到同步采样转换即可；传输网络承担的任务不仅局限于数据能够由源送达目标,即传感器阵到信号处理机以及信号处理机之间,更重要的是,要确保各个网络设备发送或接收数据的时间有效性,各传感器阵的网络设备要能够将同一时刻采集的数据在同一时刻发送或者在数据包中加入时间戳作为标记,这就需要所有的网络设备具备精准的同步时钟,采用同一个同步时钟源并且做到高精度的同步。

2) 大容量数据传输问题。数据采集得到的大量数据如何快速地、完整地传到信号处理端。(1)节点数目少。目前的一体化方案并非将传感器阵元作为网络的基本节点,而是采用前置预处理机对传感器数据进行处理并通过网络发送,这样,大大减少了网络节点数,所以在冲突域内,出现网络阻塞、数据碰撞的可能性也相应下降；(2)不存在在线增加设备的情况。在一体化系统运行以后,不存在在线添加设备的情况,如果添加新的网络节点(比如增加前端的传感器阵),系统需要重新设置参数才启动该设备,因此,交换机内的地址映射表在很长时间内是固定不变的,即节点的物理地址与交换机的端口之间的关系通常不会改变,这样就不会出现因无法找到目标地址而轮询端口的情况,也减少了冲突的可能性；(3)节点分布的位置固定,并且物理距离较短。前置预处理机的空间分布情况基本固定,另外,从网络实施角度来看,舰艇上的布线距离较短,因此,节点到交换机设备间的距离短,也就是说,载波监听的响应时间短,当检测到网络上有数据传送时,在极短的时间内,本地端口就能收到网络忙的信息并暂定一个随机时间后,本地数据再进行发送；(4)每个端口的数据流量稳定,带宽分配固定。根据需求分析,每个传感器阵的数据量固定,所以,每个前置预处理机的数据量也固定,其端口所占用带宽也能够确定。因此,在系统运行之后,每个端口数据流量固定,带宽分配也固定不变,不会出现因突发性的流量增大而造成网络阻塞的情况。

3) 数据处理能力问题。多阵数据的融合处理,要求信号处理机有更强的数据处理能力,而单个信号处理机处理能力的提升依赖于处理器处理能力、整机架构等计算机领域的发展,但基于现有信号处理机,可采用集群组网方式,来实现分布式计算,提高整理的处理能力。信号处理机之间采用专用的高速总线连接。

4 网络化提供了解决问题的途径

随着以太网技术和计算机技术的发展,目前,网络时间同步已经能够达到微秒级,快速以太网的应用成本已经大大降低,网络交换机的性能有了较大的提升,各种针对分布式计算的专用网络也有着较多的提供商和应用案例。

4.1 精确的网络时间同步

1) NTP与SNTP

网络时间协议(NTP)[4～5]发表于1992年,它是由美国特拉华大学的David L.Mills教授在1985年首次提出。NTP以GPS时间代码传送的时间消息为参考标准,采用Client/Serv·r结构以适应各种互联网环境,并且充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。采用的时间同步算法可以在各种规模、速度和连接通路的网络环境下提供精确的参考时间值；提供持续跟踪时间的变化机制,能够自动进行调节,即使网络发生故障,也能维持时间的稳定；具有良好的执行效率,只需极小的网络开销；并提供了保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步,并使NTP成为互联网上公认的时间同步标准。NTP采用的时间最小分辨率为毫秒,在通常环境下,NTP服务器提供的时间精确度在1ms～50ms。NTP提供了一种同步时间机制,可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性能,在庞大而复杂多样的互联网中调整时间分配。它能自我组织操作、分层管理配置,经过有线或无线方式同步子网内的逻辑时钟达到标准时间；规范了时钟选择和时钟滤波的算法,而且还引入了时间消息发送的广播模式；此外,通过本地路由选择运算法则及时间后台程序,服务器可以重新分配标准时间。

简单网络时间协议(SNTP)发表于1996年,是NTP的一个改写本,NTP适用于互连网上提供时钟同步的服务器。当不需要实现RFC1305所描述的NTP的全功能的情况下,可以使用SNTP。它能用于单播方式(点对点)和广播方式(点对多点),也能用于IP多播方式(可提供这种服务的地方)。SNTP与NTP版本并没有大的不同。SNTP主要用来同步因特网中的计算机时钟。SNTP 简化了NTP服务器和NTP客户端策略,未改变NTP规范和原有实现过程,支持以一种简单、无状态远程过程调用模式执行精确而可靠的操作。RFC 1769强烈建议SNTP仅仅用在同步子网的末端,一般情况下不用于时间服务器校准自身时间。

客户端如何通过网络传输获得时问参考服务器提供的标准时间信息。NTP和SNTP协议在网络传输协议和数据格式标准方面是完全相同的,因此下面的讨论同时适用NTP和SNTP。NTP(SNTP)采用UDP协议,端口号设定为123。首先由客户机发送一个请求数据包,请求数据包中包括了客户机的当前时间数据(称作时间戳timestamp),服务器接收到后回送一个应答数据包,应答数据包中包括了服务器提供的当前世界协同标准时间UTC。NTP根据这两个数据包中的时间戳确定时间误差,通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的影响。客户端发送的查询时间数据包与服务器返回的时间数据包的数据格式是完全相同的,如图1所示。

图1 NTP时间数据报文格式

如何利用数据包中的时间戳(timestamp)确定时间误差。时间戳的单位为秒,用64位表示,前面32位是整数部分,后面32位是小数部分,计数精度可以达到200ps。

从网络传输的角度来看,影响NTP(SNTP)协议精确度的主要原因在于由网络延迟的随机性而引起的时钟延迟计算得不准确。因为延迟的不确定性,所以无法依靠从时间服务器到客户机的单边传输来传递精确的时间信息。为了解决这个问题,在NTP协议中使用时间服务器和客户机之间的双向信息交换和时间戳的概念。图2显示了用这种方法确定延迟和偏移的基本原理。

图2 延迟和偏移的确定原理

图2中的C1为客户端向服务器发送查询标准时间数据包的客户端时间,Sl为服务器接收到查询数据包的时间,S2为服务器返回标准时间数据包的时间,C2为客户端接收到返回数据包的客户端时间。利用这四个时间戳,可以得到：

网络传输总延时=(C2-C1)-(S2-S1)

客户端时间补偿值= ((S1-C1)

+(S2-C2))/2

这样就利用C1、C2、S1、S2这四个时间戳获得了客户端时间补偿值,从而实现了与标准时问的同步。

2) IEEE1588

IEEE1588[6～7]精确时间同步技术作为一个标准。它第一次实现了不同末端设备之间基于网络的高精度时间同步。同步精度小于1μs。本文主要介绍了这一协议的工作方式。如何使用和实现以及可以达到的同步精度。

以太网具有传输速度快和易于实现的优点,其“实时性”已成为人们关注的焦点。实时性可分为硬实时和软实时,在要求硬实时的应用场合,通信系统必须保证传输的确定性。这意味着一方面在特定的时间内总是能交换所需要的数据量,另一方面要求具有在所有通信设备之间实现精确时间同步的能力。目前只有少数的现场总线或其他专有的解决方案能够达到循环时间小于1ms和时间抖动小于1μs的硬实时的要求。为了继续推动以太网应用到实时自动化系统的互联,需要采用一些特殊的措施以保证所需要的确定性。

IEEE1588精确时间协议(PTP)是新的IEEE标准,是目前基于以太网实现精确时间同步的一个综合解决方案。这一协议最重要的特点是可以实现微秒级甚至小于1μs的时间同步。IEEE1588协议适用于小的同质,异质网络,它的设计者特别注意了较低的资源占用,从而可以使这一协议适用于低端和低成本的网络。它只需要最小的网络带宽,无需特别的CPU性能要求。这一协议所需要的较少的管理工作也是很重要的。由于支持主时钟冗余,PTP系统可以自动采用最优的主时钟同步算法实现设置,同时支持容错功能。

IEEE1588精确时间同步技术是基于IP组播通信实现的,不只限于以太网,它可以用在任何一个支持组播的总线系统中。根据同步过程中角色的不同,将网络上分为两类,主时钟和从时钟。提供同步时钟源的叫主时钟,而与之同步的时钟称为从时钟,因此主时钟和从时钟是相对的,任何一个网络时钟都可以充当主时钟和从时钟。每一个从时钟通过与主时钟交换同步报文实现与主时钟的时间同步。同步过程可以划分为两步：第一步是校正主时钟和从时钟之间的时差,即偏移值测量。在偏移值测量过程中,主时钟以固定的时间间隔(默认2s/次)周期性地发送同步报文(SYNC报文)到相联的从时钟。在发送同步报文时,主时钟测量出准确的发送时间(TM1)；从时钟在接收到同步报文时测量出准确的接收时间(TS1)。主时钟在后续报文(Follow up报文)中包括了上述发送时间TM1。为了提高精度,在接收到同步报文和相应的后续报文时,从时钟计算出其相对于主时钟的偏差,然后根据这个偏差校正从时钟Ts。如果不考虑在传输路径上实际会产生的延迟,这两个时钟就已经同步了。

时钟同步过程的第二步是延迟的测量,借此得到从时钟和主时钟之间的延迟或滞后。为了实现这个目的,从时钟向主时钟发送一个所谓的“延迟请求”报文,并测出该报文的准确发送时间TM3。在收到该报文时,主时钟测得接收时间TM3并将该时间封装在“延迟响应”报文中返回到从时钟。从时钟根据发送时间TS3和主时钟返回的接收时间TM3计算出主时钟和从时钟之间的延迟。延迟的测量是非周期性的,而且时间间隔比较大(默认为4s～60s),这样可以避免网络过载。通过上述同步过程,在PTP设备间,尤其是协议栈之间的时间波动以及主时钟和从时钟之间的延迟被消除了。但是,对延迟测量精度来说主时钟和从时钟之间的对称延迟,即发送和接收的延迟相同,是至关重要的。

4.2 高速的交换式网络

为解决大容量的数据传输和信息交换问题,需要采用高带宽的交换式网络,目前,千兆以太网以其高带宽、可用性强、低成本等优势成为组网的首选技术。

千兆以太网的研究始于1995年。1998年6月IEEE正式通过千兆位以太网标准802.3Z,并于同年9月公布了另一个标准802.3ab。从网协议体系结构上看,千兆位以太网与传统以太网大体相同。千兆位以太网(GigabitEthernet)只定义了物理层和介质访问控制子层。物理层是千兆位以太网的关键组成,在IEEE802.3Z中定义了三种传输介质：多模光纤、单模光纤、同轴电缆。IEEE802.3ab则定义了非屏蔽双绞线介质。千兆位以太网物理层的另外一个特点就是采用8B/10B编码方式,这与光纤通道技(FiberChannel)相同,由此带来的好处是,网络设备厂商可以采用已有的8B/10B编码/解码芯片,这无疑会缩短产品的开发周期,并且降低成本。千兆以太网协议规定千兆位以太网支持新的全双工操作模式及半双工操作模式,其中全双工模式在点对点交换链路中可以提供更宽的带宽,其传输介质主要为单模光纤、多模光纤及无屏蔽双绞线或同轴电缆。千兆以太网标准采用的全双工传输模式指的是在一对线上可以同时用于发送和接收信息,因此无需采用CSMA/CD机制。各工作站传输的数据在不同的线对进行,传输之前不需等待,因而没有了冲突的发生。如采用半双工传输模式,则需采用CSMA/CD技术。由于其标准使用了低廉的光纤,使得其布线系统的造价比ATM的布线系统大大降低。

千兆位以太网在链路层遵循了标准以太网数据帧格式。由于采用了与以太网同样的帧格式,数据包尺寸、结构和协议基本相同；千兆以太网在数据帧类型上具有良好的向后兼容性。千兆网全面兼容Ethernet和Fast Ethernet,从Ethernet和Fast Ethernet升级到千兆以太网无需协议转换,它意味着千兆以太网可以“无缝”融入现存的以太网和快速以太网之中。

4.3 集群计算

信息处理[8]主要包括多传感器信息融合和目标综合识别、信息管理和存储等。信息处理一般有两方面的需求： 1) 处理容量和处理实时性需求。C41SR系统信息来源于多传感器,信息类型复杂,战场态势生成对信息处理实时性要求高,常见处理需求在1000批目标/秒以上,如法国戴高乐航母SENIT8作战管理系统处理能力为2000条航迹,法国出口型舰载指挥控制系统TAVTAC2000也可实时处理000批目标信息。 2) 信息处理的高可靠性。需要保持输出信息的连续性,信息处理分系统可靠性一般需要达到99.99%,否则将影响信息处理质量。在提高信息系统处理实时性和处理容量方面,增加计算机CPU 主频和总线带宽是常用的主要手段,但由于处理算法的复杂性,当目标数量超过一定值后,处理时间与目标批数之间呈非线性增长。因此,对大容量的信息处理,通常的计算机无法满足此要求,需要并行计算机系统来完成数据处理和控制。

在提高信息系统可靠性方面,目前常见的方式是采用双机冗余结构。但与多机冗余结构相比,因其冗余节点数少于后者而使其可靠性和系统重构能力明显不如后者,并且双机系统结构的特点或者在计算资源方面制约着大规模超高性关键计算,或者在容错方面不能实现全节点间的对等冗余。具有高性能、高可用、高伸缩和高性价比优势的集群计算机系统[9],可满足信息处理需求,并现已逐步在系统信息处理中得到应用。根据信息融合的处理需求,采用基于集群计算机建立了高可靠信息处理系统,其结构如图3所示。

1) 外部网络同时与系统的显示节点连接。

2) 内部实时网络采用高速专用网,提供集群节点间信息的高速交换。

3) 主节点负责外部数据收发、集群各节点状态信息收集、集群管理。

图3 信息处理系统体系结构

4) 备节点是主节点的热备份节点。

5) 计算节点完成数据信息处理。

6) 在每一个节点上,工作状态分为四种：主节点状态、备节点状态、计算节点状态和隔离节点状态。节点工作状态在运行期间可以动态迁移,而非静态固定不变。

负责数据通信和消息传递的内部互连网络是构建集群计算机的重要组成部分,一般情况下,集群结点可以按两种方式实现连接：

(1)基于通用网络的互联方式

集群节点通常使用标准以太网联结,多数集群系统采用高性能的千兆以太网,千兆以太网结构简单,能以较好的价格优势提供高的带宽,数据传输可靠性好,可升级到10Gb/s的速度。缺点是通信延时较高,约几十微秒。

(2)基于专用网络的互联方式

为克服通用网络的时延问题,在一些专用或高性能集群系统中采用了专用网络接口方式。包括Myrinet、Giganet的cLAN、SCI、实时广播内存网等。这些网络不但在群集的节点之间提供高带宽,而且还可获得很低的延迟,10μs以下,且延迟是可预计和确定的。广播内存网具有实时性强、可靠性高、使用简单的特点。

5 结语

在装备信息化和网络中心战的军事新动向的背景下,声呐系统的集成化、一体化成为了一个新的课题与探索。本文对声呐系统集成面临的问题,以及如何利用当前先进的信息技术为数据的融合与处理搭建一个软、硬件平台进行了初步的论述。

[1] 王保存,郭春良.准确把握国防信息化建设的基本点[J].中国信息界,2005(6):45-49.

[2] 刘邦奇.美国网络中心战主要特征,外国军事技术,2003(12):22-25.

[3] 李启虎.进入二十一世纪的声纳技术[J].应用声学,2002(8):13-18.

[4] 沋迎春.网络时间协议在海军作战指挥一体化系统中的应用[J].舰船电子工程,2004(24):50-52.

[5] 沋燕芬.用于网络时间同步的NTP协议[J].现代计算机,2004(4):54-56.

[6] 桂本烜,等.IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现[J].工业仪表与自动化装置,2006(4):20-23.

[7] 胡俊,等.实现自动化的实时性——实时自动化的精确时间同步技术IEEE1588[J].流程工业,2004(9):34-35.

[8] 夏学知,涂葵,王小龙,等.基于集群计算机的信息处理系统设计[J].计算机工程与应用,2005(41):32-34.

[9] 田坦,等.声纳技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000.

[10] 王国明.高性能集群计算系统的结构与设计探讨[J].电脑知识与技术:学术交流,2005(35):158-159.

版 权 声 明

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《舰船电子工程》编辑部

Discussion on the Information Technology for Integrated Construction of Sonar System

MENG Shichao1FANG Yiwei2HU Bo2

(1. Military Representative Office of Navy Huludao 431 Factory, Huludao 125004)(2. 722nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corp, Wuhan 430079)

Network-centric warfare is a new form of combat in the twenty-first century. Information technology has become the core of China's new military reform, "Comprehensive integration" has become an important development direction of weapons and equipment information, For a long time, Different information can not be achieved between the sonar interoperability, the result is "information island". In this context, how to set up the bridge of information communication, achieve high integration and low-level data fusion has become on urgent problem for the integration process. From multi-sensor array synchronous data acquisition, sensor array to signal processor high-speed data transmission, signal processor cluster computing network architecture and so on, the problems existing in the process of sonar integration and the related key technologies are discussed. The feasible solutions are put forward and the development prospect of the sonar system integration is prospected.

informationization, data fusion, time synchronization, cluster computing

TN929.3

2016年9月11日,

2016年10月31日

孟士超,男,工程师,研究方向:电子信息系统。方毅伟,女,硕士,高级工程师,研究方向:舰艇通信系统总体设计。胡波,男,工程师,研究方向:舰艇通信系统总体设计。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.004