船載綜合射頻開(kāi)放式體系架構(gòu)技術(shù)研究?

王首斌 徐 超 王慶生 沈 良

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 嘉興 314033）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，艦船需要適應(yīng)更加復(fù)雜的海上電磁環(huán)境，并通過(guò)射頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握瞬息萬(wàn)變的目標(biāo)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多鏈路的指揮通聯(lián)以及復(fù)雜的電子頻譜攻防。這對(duì)射頻設(shè)備的種類(lèi)、數(shù)量、功能和指標(biāo)有了更高的要求。但裝備大量孤立的、功能單一的射頻設(shè)備，不僅給船平臺(tái)增加了負(fù)擔(dān)，而且影響船體的隱身性設(shè)計(jì)，甚至引起射頻設(shè)備間嚴(yán)重的電磁干擾，使設(shè)備無(wú)法正常工作。為了獲得更高水平的功能、性能和互操作性，西方各國(guó)首先提出了船載綜合射頻的概念［1～3］。其目標(biāo)是利用集成式孔徑天線和射頻設(shè)備進(jìn)行有效整合，代替原有的孤立天線和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)包括雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多種射頻功能的集成，分頻段地在有限空間內(nèi)與船體平臺(tái)有機(jī)地融合，充分利用和發(fā)揮船平臺(tái)、作戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻設(shè)備各自的優(yōu)勢(shì)，提高整體綜合效能。船載綜合射頻技術(shù)已成為提高艦船作戰(zhàn)能力和生存能力的重要途徑之一，也是目前水面艦船發(fā)展的重點(diǎn)研究方向［4～6］。

2 需求分析

為了系統(tǒng)功能的可重構(gòu)、可擴(kuò)展，并體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點(diǎn)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循一定的原則，具體而言，在軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮以下幾個(gè)方面。

1）系統(tǒng)內(nèi)外部的協(xié)同性

綜合射頻系統(tǒng)需要研究的不僅是系統(tǒng)構(gòu)架的演變進(jìn)化，更為迫切的是突破傳統(tǒng)模式下各類(lèi)設(shè)備間的功能獨(dú)立性，應(yīng)將提高綜合效能為根本出發(fā)點(diǎn)，統(tǒng)籌優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部與外部資源配置，設(shè)計(jì)跨平臺(tái)的多種功能間的相互協(xié)同支持［7］，以期從高層次新角度策劃效能增長(zhǎng)的新途徑。

2）系統(tǒng)體系架構(gòu)的開(kāi)放性

系統(tǒng)體系架構(gòu)強(qiáng)調(diào)開(kāi)放性和功能可重構(gòu)，系統(tǒng)功能的靈活可擴(kuò)展，共用并優(yōu)化硬件資源，根據(jù)任務(wù)需求調(diào)度資源實(shí)現(xiàn)多類(lèi)功能。通過(guò)加載不同的功能軟件可以實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能，并且通過(guò)算法迭代開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的便捷更新，可以升級(jí)、重新定義射頻資源的應(yīng)用功能，極大地延續(xù)系統(tǒng)的技術(shù)生命周期［8］。

3）系統(tǒng)組成模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

基于軟件無(wú)線電技術(shù)的多模式、可重構(gòu)特性，系統(tǒng)軟硬件組成應(yīng)實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化［9］。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，無(wú)論在機(jī)械結(jié)構(gòu)還是在電氣特性、軟件調(diào)用和數(shù)據(jù)接口等方面都應(yīng)該注重模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的需求。例如不同的處理平臺(tái)和承載能力，只影響處理系統(tǒng)的規(guī)模，而不會(huì)改變系統(tǒng)軟硬件體系結(jié)構(gòu)。這種統(tǒng)一的硬件體系結(jié)構(gòu)，為軟件和功能的靈活性構(gòu)建提供了基本支撐。

4）系統(tǒng)功能由軟件定義

系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件結(jié)構(gòu)支撐下，各項(xiàng)功能在復(fù)用硬件資源的條件下，具體實(shí)現(xiàn)由軟件定義。對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)軟件編程極大地提高了系統(tǒng)的靈活性。通過(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件資源靈活調(diào)度和控制，以及核心信號(hào)處理功能，如寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字下變頻、調(diào)制解調(diào)、信道均衡、信令控制等。同時(shí)，軟件支持后續(xù)以加載方式進(jìn)行更新升級(jí)。

3 技術(shù)途徑

3.1 總體架構(gòu)

在射頻系統(tǒng)架構(gòu)方面，除孔徑集成技術(shù)外，需加強(qiáng)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，一體化考慮和設(shè)計(jì)綜合射頻系統(tǒng)，采用數(shù)字相控陣、寬帶T/R組件、高速大容量總線傳輸、通用化信號(hào)處理等新技術(shù)，使系統(tǒng)可根據(jù)不同的工作模式，對(duì)孔徑、信道、處理等資源進(jìn)行分配和重構(gòu)，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同信號(hào)帶寬、工作頻點(diǎn)、發(fā)射功率、接收增益、波束指向等具體要求。此外，充分利用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件模塊化、功能軟件化、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。不同的射頻功能在射頻部分形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的天線孔徑、寬帶T/R組件；在數(shù)字部分尤其是信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)軟/硬件解耦合，有統(tǒng)一的信號(hào)處理、計(jì)算和存儲(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)不同的軟件模塊加載來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的射頻功能。

為滿(mǎn)足綜合射頻的多功能需求，并且推動(dòng)其在系統(tǒng)架構(gòu)上的優(yōu)化演進(jìn)，綜合集成考慮：1）采用“全向+定向”結(jié)合的多功能射頻工作模式；2）遵循“模塊化射頻前端+分布式信號(hào)處理+集中式公共計(jì)算”、“信號(hào)層傳輸網(wǎng)+信息層傳輸網(wǎng)”的“三層兩網(wǎng)”系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 低頻段綜合射頻集成總體架構(gòu)

綜合射頻總體架構(gòu)統(tǒng)籌相關(guān)射頻裝備的技術(shù)共性，涵蓋雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、識(shí)別導(dǎo)航等多種功能，其設(shè)計(jì)原則和技術(shù)特點(diǎn)如下。

1）按頻段集成共用天線孔徑，將射頻信道以系列化組件形式集成于天線根部，以提高射頻前端通用性，減少艙內(nèi)機(jī)柜數(shù)量；相控陣面采用數(shù)字波束形成、子陣功能重構(gòu)、天線極化和發(fā)射功率控制等技術(shù)，使收/發(fā)高效且靈活可配置。

2）以分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)高速大容量光纖總線，將射頻前端與數(shù)字處理相分離，射頻部分更靠近天線前端，光纖替換傳統(tǒng)射頻電纜，減小射頻信號(hào)傳輸衰減；射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字分發(fā)，無(wú)需射頻/中頻交換網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)配置靈活，裁剪或擴(kuò)展便捷。

3）通用化嵌入式信號(hào)處理平臺(tái)采用軟件無(wú)線電的開(kāi)放式體系架構(gòu)，以統(tǒng)一硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，軟件按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范加載，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦合，支持第三方開(kāi)發(fā)移植，支持將來(lái)先進(jìn)功能的便捷升級(jí)。

4）系統(tǒng)具備高速數(shù)字接口，與上級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行高效的指控和數(shù)據(jù)交互，當(dāng)工作模式變化時(shí)，系統(tǒng)可快速資源分配、重構(gòu)以適應(yīng)需求；具備時(shí)統(tǒng)、導(dǎo)航接口，可接入高精度時(shí)空基準(zhǔn)，支持跨平臺(tái)的功能協(xié)同。

3.2 軟件架構(gòu)

基于全艦公共計(jì)算設(shè)計(jì)思想構(gòu)建系統(tǒng)的軟件架構(gòu)［10］，將系統(tǒng)軟件的共性部分設(shè)計(jì)為一個(gè)集成框架，把系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)的各種處理算法、應(yīng)用服務(wù)設(shè)計(jì)為組件，組件在框架基礎(chǔ)上進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)多種功能。因而將軟件架構(gòu)從頂層劃分為兩個(gè)層次：軟件平臺(tái)層和應(yīng)用軟件層，如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)的分層模型

軟件平臺(tái)層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件框架，主要包括：操作系統(tǒng)、核心框架、分布處理中間件和邏輯軟件總線。操作系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)引導(dǎo)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度等功能。核心框架主要統(tǒng)籌管理所有組件，并約定統(tǒng)一的集成方式和接口規(guī)范。分布處理中間件實(shí)現(xiàn)各類(lèi)操作系統(tǒng)和應(yīng)用組件之間的消息通信和資源共享。邏輯軟件總線則負(fù)責(zé)各組件、中間和核心框架間數(shù)據(jù)交互方式和格式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。所有功能組件都建立在統(tǒng)一的邏輯軟件總線上，確保了功能組件在實(shí)現(xiàn)上與具體硬件以及操作系統(tǒng)解耦合，從而確保功能組件可以在不同平臺(tái)的硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)上移植、重組。

應(yīng)用軟件層包括所有功能和算法相關(guān)的軟件。采用組件化的設(shè)計(jì)模式，可將外部射頻硬件、軟件算法等均按對(duì)象化表示，最終以組件形式集成組合實(shí)現(xiàn)多類(lèi)射頻功能，如圖3所示。應(yīng)用功能組件分成以下幾類(lèi)：1）適配器組件：對(duì)應(yīng)到非純軟件的組件上，用于以組件接口方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制和訪問(wèn)；2）信號(hào)處理組件：用于完成信號(hào)處理的算法集；3）信息處理組件：用于完成信息處理，其輸入來(lái)自于信號(hào)處理的結(jié)果，輸出是經(jīng)過(guò)加工和整理后的結(jié)果，如信息融合、指控處理等；4）人機(jī)界面組件：用于顯示和控制各類(lèi)射頻功能，需要與操作員進(jìn)行交互。

圖3 組件化的設(shè)計(jì)模式

3.3 基礎(chǔ)保障

基于以上提出的系統(tǒng)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化和軟件定義，但是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)外部的協(xié)同性實(shí)現(xiàn)，仍然需要考慮系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障，主要包括三個(gè)方面：時(shí)空基準(zhǔn)、通信鏈路和信息融合［11］。

1）時(shí)空基準(zhǔn)

綜合射頻系統(tǒng)內(nèi)部，編隊(duì)級(jí)射頻系統(tǒng)之間的所有協(xié)同工作、信息融合均需要高精準(zhǔn)的時(shí)空基準(zhǔn)，這是一個(gè)極其基礎(chǔ)的保障條件。具體包括：高精度時(shí)統(tǒng)設(shè)備、北斗自定位設(shè)備、羅盤(pán)航向測(cè)量設(shè)備、慣導(dǎo)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備等。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，時(shí)統(tǒng)自定位精度將可達(dá)1m量級(jí)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置更新率達(dá)10Hz以上；秒脈沖到達(dá)設(shè)備使用端精度達(dá)到10ns量級(jí)。在高精度的時(shí)空基準(zhǔn)接入下，射頻設(shè)備在信號(hào)數(shù)模采集時(shí)便可標(biāo)注精確的時(shí)間和空間信息，這是后續(xù)數(shù)據(jù)融合和功能協(xié)同的必要前提。

2）通信鏈路

跨平臺(tái)的協(xié)同工作和信息共享，需要實(shí)時(shí)強(qiáng)、傳輸寬帶大的通信鏈路支撐。這個(gè)通信鏈路應(yīng)具備較高的通聯(lián)能力和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，通信基本功能由底層作封裝，對(duì)于操作員而言，不需要關(guān)心底層的通信連接控制與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，只需要進(jìn)行應(yīng)用層的實(shí)際使用操作即可。面向?qū)?lái)，需構(gòu)建可面向編隊(duì)多平臺(tái)射頻協(xié)同服務(wù)的海上柵格網(wǎng)，支持平臺(tái)隨遇接入、信息自動(dòng)路由、業(yè)務(wù)綜合承載、傳輸安全保密和資源綜合管控，滿(mǎn)足海上各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的傳輸共享。

3）信息融合

船平臺(tái)需要融合所有射頻設(shè)備的態(tài)勢(shì)信息，包括來(lái)自有源/無(wú)源探測(cè)、敵我識(shí)別、導(dǎo)航等多種信息數(shù)據(jù)；并且在編隊(duì)協(xié)同情況下，需接入空/天/岸等信息來(lái)源進(jìn)行態(tài)勢(shì)信息的更高級(jí)融合，并將融合后的態(tài)勢(shì)情報(bào)共享給綜合射頻系統(tǒng)。這類(lèi)海上精確態(tài)勢(shì)將是射頻系統(tǒng)十分必要和有效的先驗(yàn)信息，待系統(tǒng)工作過(guò)程中再實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整該態(tài)勢(shì)信息，依次逐級(jí)往上動(dòng)態(tài)迭代更新，確保信息融合的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。屬于信息融合JDL模型中的第4級(jí)“過(guò)程優(yōu)化”，即通過(guò)信息反饋，訓(xùn)練信息融合過(guò)程和參數(shù)，以提高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性［12～13］。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)架構(gòu)以軟件無(wú)線電技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化、硬件通用化、功能軟件化、軟件構(gòu)件化和計(jì)算公共化等設(shè)計(jì)思想，并表現(xiàn)出以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1）從傳統(tǒng)的硬件為核心走向軟件為核心

系統(tǒng)體系架構(gòu)中硬件是通用和標(biāo)準(zhǔn)的（傳統(tǒng)體系架構(gòu)硬件是專(zhuān)用的），其功能完全由加載的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，這種體系結(jié)構(gòu)不僅能在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能，而且通過(guò)軟件升級(jí)和更新可以應(yīng)對(duì)不斷變化的使用需求和新的信號(hào)環(huán)境，不斷提高設(shè)備的技術(shù)特性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的全壽命周期，充分體現(xiàn)了數(shù)字化可重構(gòu)開(kāi)放式體系架構(gòu)的柔性化特征。

2）從傳統(tǒng)的任務(wù)單機(jī)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ媚K為基礎(chǔ)

系統(tǒng)體系架構(gòu)中以射頻收發(fā)和通用信號(hào)處理模塊為關(guān)鍵部件，而且這些模塊的外部機(jī)械接口和電氣接口完全標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，為綜合射頻裝備實(shí)現(xiàn)貨架式產(chǎn)品研制與規(guī)?；a(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，不僅能有效提高裝備質(zhì)量降低開(kāi)發(fā)成本，也為設(shè)備使用和維護(hù)保障帶來(lái)極大便利。

3）可擴(kuò)展或裁剪的系統(tǒng)靈活性明顯提高

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用了以通用化模塊為核心，以標(biāo)準(zhǔn)接口和標(biāo)準(zhǔn)總線為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思想，不僅能很好地適應(yīng)不同規(guī)模的裝備需求，而且只需增加相應(yīng)頻段的射頻前端就能實(shí)現(xiàn)頻段擴(kuò)展，只需添加信號(hào)處理模塊就能提升收發(fā)處理能力。所以，該體系結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了可發(fā)展演進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。

4）同時(shí)應(yīng)對(duì)多目標(biāo)和多任務(wù)的能力增強(qiáng)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成的射頻模塊和信號(hào)處理模塊都是通用的、標(biāo)準(zhǔn)的，從而可以實(shí)現(xiàn)資源共享。這樣通過(guò)資源的合理調(diào)配就可以靈活應(yīng)對(duì)多個(gè)威脅目標(biāo)或執(zhí)行多個(gè)復(fù)雜任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

船載綜合射頻系統(tǒng)發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注，本文在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于軟件無(wú)線電為核心的開(kāi)放式體系架構(gòu)，可為射頻系統(tǒng)發(fā)展提供參考。后續(xù)需要針對(duì)具體射頻功能，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的完善，尤其是在資源管理調(diào)度、電磁兼容管控等方面。