天線方向圖軟件設(shè)計與實現(xiàn)

李宇宏，李 超

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081；3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號源，可以為導(dǎo)航接收機(jī)的研制開發(fā)、測試提供仿真環(huán)境。其中一個重要仿真項是導(dǎo)航接收機(jī)的天線方向圖仿真。所謂天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的圖形，天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形，可以從天線方向圖中觀察到天線的各項參數(shù)。設(shè)計并實現(xiàn)接收機(jī)天線方向圖軟件可以提供對天線方向圖的簡單建模，從而模擬真實的接收機(jī)天線，提高衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的真實環(huán)境仿真能力。本文結(jié)合業(yè)務(wù)需求，運(yùn)用面向?qū)ο笏枷胪瓿闪塑浖_發(fā)，并在軟件設(shè)計中引入設(shè)計模式，通過測試驗證軟件可行。

1 天線方向圖軟件概述

天線方向圖軟件采用所見即所得的設(shè)計理念，分為命令區(qū)域、編輯區(qū)域、二維可視化區(qū)域、三維可視化區(qū)域。在命令區(qū)域，可通過下拉菜單、工具欄也可以進(jìn)行上鏡像、下鏡像、左鏡像、右鏡像操作；在編輯區(qū)域，用戶可以對視窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，可以進(jìn)行單點改變、行改變、列該變、矩形改變；二維可視化區(qū)域用于顯示天線方向圖的平面效果；三維可視化區(qū)域顯示天線在三維世界中的狀態(tài)。如圖1所示：

圖 軟件界面

天線方向圖軟件涉及設(shè)計模式、OpenGL、Qt 等技術(shù)，本文主要討論該軟件和設(shè)計模式相關(guān)的兩個部分：多界面的顯示同步和用戶操作。

2 多界面的顯示同步設(shè)計

我們在對天線方向圖的任何編輯操作，如點操作、行操作、鏡像操作，同時要求在二維可視化區(qū)域、三維可視化區(qū)域、編輯區(qū)域同時得到顯示。這正是觀察者模式能夠解決的問題，這一模式中的關(guān)鍵對象是目標(biāo)和觀察者。一個目標(biāo)可以有任意數(shù)目的依賴它的觀察者。一旦目標(biāo)的狀態(tài)發(fā)生改變，所有的觀察者都得到通知。作為對這個通知的響應(yīng)，每個觀察者都將查詢目標(biāo)以使其狀態(tài)與目標(biāo)的狀態(tài)同步。

天線方向圖的UML 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 觀察者模式在軟件中應(yīng)用

和觀察者模式有些差異的是，觀察者接口有兩個接口可以獲取到當(dāng)前狀態(tài)更新，一個是數(shù)據(jù)本身發(fā)生改變，另一個是觀察區(qū)域發(fā)生改變。

3 用戶操作

由于天線方向圖的編輯比較復(fù)雜，在軟件使用過程中，進(jìn)行了錯誤的操作也是不可避免的，這就要求軟件支持命令的撤銷、重做。這是典型的命令模式需求：將一個請求封裝為一個對象，從而使你可用不同的請求對客戶進(jìn)行參數(shù)化；對請求排隊或記錄請求日志，以及支持可撤消的操作。在交互應(yīng)用中撤銷和重做能力是很重要的。為了撤銷和重做一個命令，我們在AbstractCommand 接口中增加 unexecute 操作。unexecute 操作是execute 的逆操作，它使用上一次execute 操作所保存的取消信息來消除execute 操作的影響。如圖3所示：

圖3 命令模式在軟件中應(yīng)用

軟件結(jié)合使用備忘錄模式來保存信息，在execute 中保存，在unexecute 中恢復(fù)。由于天線方向圖數(shù)據(jù)量不大，生成備忘錄時拷貝并存儲小量的信息，用戶不會非常頻繁地創(chuàng)建備忘錄和恢復(fù)原發(fā)器狀態(tài)，所以使用備忘錄模式是合理的。這里的AbstractCommand 本身是備忘錄模式的Caretaker，負(fù)責(zé)保存好備忘錄，不能對備忘錄的內(nèi)容進(jìn)行操作或檢查。而AntennaData 則是Originator，用于創(chuàng)建一個備忘錄，記錄當(dāng)前時刻它的內(nèi)部狀態(tài)。AntennaMemento 是備忘錄本身。如圖4所示：

圖4 備忘錄模式在軟件中應(yīng)用

到此，每一個AbstractCommand 的unexecute 直接調(diào)用設(shè)置備忘錄即可。

由于每一個AbstractCommand 在execute 操作中必須先創(chuàng)建備忘錄，再開始執(zhí)行，這里可以使用模板模式。模板模式定義一個操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類中。如下所示，每一個AbstractCommand 本身的execute 操作分為兩步分，第一步創(chuàng)建備忘錄，第二部真正執(zhí)行操作，這一步由子類實現(xiàn)。而每一個AbstractCommand 的unexcute 則直接執(zhí)行恢復(fù)備忘錄。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計了一款天線方向圖軟件，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用設(shè)計模式實現(xiàn)了低耦合、高內(nèi)聚的軟件設(shè)計。研究結(jié)果表明：該軟件可以模擬用戶機(jī)天線方向圖、衛(wèi)星天線方向圖，可滿足衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器軟件的使用需求，極大極高了該軟件的真實環(huán)境仿真能力，具有良好的應(yīng)用前景。