航天測控雷達標準開放系統(tǒng)架構(gòu)研究

黃璐 王洋 金勝 王玥

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京，100094）

1 引言

航天測控雷達擔負著飛行器飛行過程中的運動軌跡參數(shù)（位置、速度等）、目標特性參數(shù)等的獲取任務(wù)，可為評定飛行器的技術(shù)性能和精度、改進設(shè)計提供數(shù)據(jù)，為指揮系統(tǒng)提供監(jiān)視、顯示信息，為應(yīng)用系統(tǒng)提供有關(guān)數(shù)據(jù)等。傳統(tǒng)航天測控雷達因承擔的任務(wù)不同而導(dǎo)致技術(shù)狀態(tài)差異較大，建設(shè)方式多為單臺套研制，一般都采用封閉/半封閉的體系架構(gòu)，系統(tǒng)功能和裝備架構(gòu)緊耦合，具有 “一事一雷達”、 “一套一方案”、 “各型各保障”、 “出廠定終身”等特點，因此改造升級實施難、拓展提高潛力小、維修保障工作繁雜。

雷達標準開放式系統(tǒng)架構(gòu)的概念最早由美國麻省理工學院的林肯實驗室（Lincoln Laboratory）提出，包括雷達系統(tǒng)的開放系統(tǒng)架構(gòu)（ROSA，Radar Open System Architecture）和雷達信息處理系統(tǒng)的實時開放系統(tǒng)架構(gòu)（ROSAII，Realtime Open System Architecture）。美 軍 在 雷達的研制生產(chǎn)中大量采用開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，在提高裝備性能、縮短研制周期、降低研發(fā)成本的同時還具備了便于升級維護、利于軍民通用等諸多益處。我國電子裝備模塊化工作開展較晚，目前已制定了相應(yīng)標準，雷達模塊化技術(shù)標準體系初步形成。但由于電子技術(shù)發(fā)展更新快，現(xiàn)有模塊難以在新研制產(chǎn)品中推廣使用，導(dǎo)致大部分雷達模塊標準只在編制單位內(nèi)部使用，未能在行業(yè)推廣。2015年起，國內(nèi)各雷達研制單位開展了軟件化雷達技術(shù)的研究工作，涉及體系架構(gòu)、試驗平臺、相關(guān)規(guī)范等，為軟件化雷達后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 航天測控雷達系統(tǒng)標準開放硬件架構(gòu)

以精密跟蹤與成像測量雷達和固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達兩種典型的航天測控雷達為例，遵循功能和物理結(jié)構(gòu)相對獨立的設(shè)計思路，航天測控雷達硬件架構(gòu)可由3大部分組成：射頻前端、高速數(shù)據(jù)傳輸、高性能信息處理后端，具體架構(gòu)如圖1所示。其中，射頻前端因兩種雷達體制不同采用不同的硬件架構(gòu)；高性能信息處理后端采用開放式一體化標準處理架構(gòu)，以統(tǒng)一的硬件平臺為基礎(chǔ)，以標準的總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)內(nèi)外層數(shù)據(jù)交換，通過軟件實時加載實現(xiàn)后端信息處理的開放和擴展。

圖1 航天測控雷達系統(tǒng)開放硬件架構(gòu)組成框圖

2.1 精密跟蹤與成像測量雷達

按照航天測控雷達系統(tǒng)的功能分解設(shè)計標準開放系統(tǒng)架構(gòu)，將精密跟蹤與成像測量雷達分解為多個分系統(tǒng)，如圖2所示。各分系統(tǒng)的功能和組成見表1。

表1 精密跟蹤與成像測量雷達分系統(tǒng)功能和組成

圖2 精密跟蹤與成像測量雷達分系統(tǒng)組成框圖

2.2 固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達

按照航天測控雷達系統(tǒng)的功能分解設(shè)計標準開放系統(tǒng)架構(gòu)，將固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達分解為多個分系統(tǒng)，如圖3所示。各分系統(tǒng)的功能和組成見表2。

表2 固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達分系統(tǒng)功能和組成

圖3 固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達分系統(tǒng)組成框圖

2.3 高性能信息處理平臺架構(gòu)

高性能信息處理平臺采用一體化設(shè)計，如圖4所示，是為航天測控雷達后端所有數(shù)據(jù)計算、處理和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供有機集成的綜合性平臺，對雷達的計算資源和處理資源進行集中管理和控制，為信號處理、數(shù)據(jù)處理、測量控制、成像處理、目標識別、對抗處理、數(shù)據(jù)采集記錄、狀態(tài)監(jiān)控、資源管理、顯控處理、數(shù)據(jù)交互等功能提供統(tǒng)一的支撐和部署。能夠連接和貫通系統(tǒng)中除雷達探測前端之外的所有處理過程和環(huán)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理的一體化。

圖4 高性能信息處理平臺架構(gòu)

高性能信息處理平臺由一系列開放式、標準化模塊組成，主要包含通用處理模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、接口模塊、電源模塊。

a）通用處理模塊：

完成雷達一體化綜合信息處理，包括FPGA處理模塊、數(shù)字信號處理器（DSP）模塊、中央處理器（CPU）模塊等。

b）數(shù)據(jù)交互模塊：

實現(xiàn)各模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸/交換，提供系統(tǒng)各處理節(jié)點間高速數(shù)據(jù)通訊鏈路，滿足系統(tǒng)實時大數(shù)據(jù)量通訊要求。

c）接口模塊：

實現(xiàn)高性能信息處理平臺的對外接口通信。

d）電源模塊：

提供系統(tǒng)工作所需的電源供給，可用一個或多個電源模塊供電。

平臺采用通用模塊化設(shè)計和標準主流的總線結(jié)構(gòu)，將各模塊間的交換式總線互連實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)控制與資源調(diào)度、系統(tǒng)工作健康狀態(tài)監(jiān)測管理等功能，具有架構(gòu)統(tǒng)一、模塊接口標準、擴展靈活、系統(tǒng)裁剪方便等特點。

3 航天測控雷達系統(tǒng)標準開放軟件架構(gòu)

3.1 軟件總體架構(gòu)

根據(jù)航天測控雷達標準開放體系架構(gòu)對雷達進行了模塊化分解，并將這些模塊用各種標準接口聯(lián)系起來，使得相同模塊可應(yīng)用于不同型號雷達，以降低生產(chǎn)維護成本、縮短開發(fā)周期。而要真正達到這一目的，軟件系統(tǒng)的開放性、可移植性至關(guān)重要。

由于雷達系統(tǒng)中存在多種編程平臺，如FPGA、DSP、GPU、CPU等，而軟件直接跨平臺比較困難。因此，在跨平臺模塊化設(shè)計中，軟件系統(tǒng)存在兩種集成方式，如圖5所示：①緊耦合：將模塊軟件與模塊硬件強制綁定在一起，形成一個共同的模塊，符合相應(yīng)的接口規(guī)范。②松耦合：對軟件進行層次劃分，將與硬件結(jié)合緊密的層次構(gòu)件與硬件模塊綁定，在此層次之上構(gòu)建跨平臺通用化的軟件系統(tǒng)。

圖5 跨平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計的兩種方式

這兩種方式均符合航天測控雷達標準開放體系架構(gòu)對模塊化和標準化的要求?？紤]到雷達后端處理的流程和方法較為通用，且后端處理是雷達開發(fā)與維護的重點，因此其軟件的可移植性和可重用性至關(guān)重要。但緊耦合方式?jīng)]有進行跨平臺的軟件代碼重用，要將相同功能的軟件移植到不同的硬件平臺上比較困難，移植所需的開發(fā)周期長。松耦合方式在軟件可移植性、可重用性上收益比較大，因此開放式雷達的軟件系統(tǒng)必須以軟硬件的松耦合方式為主。

松耦合的軟件體系結(jié)構(gòu)需要盡可能降低功能模塊與硬件平臺的耦合關(guān)系，需要在功能模塊與硬件平臺之間構(gòu)建多層抽象架構(gòu)，從而解除功能模塊對硬件平臺的直接依賴。標準開放式軟件體系結(jié)構(gòu)包含5層，如圖6所示。

圖6 標準開放軟件體系結(jié)構(gòu)

a）物理資源層：

負責板級驅(qū)動和內(nèi)存管理，提供屏蔽計算機硬件平臺和通信差異的操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、通信等功能，由硬件模塊廠家配套提供。

b）支撐軟件層：

包括實時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、編譯器、調(diào)試環(huán)境、軟件模擬環(huán)境、軟件工具鏈等。支撐軟件層為系統(tǒng)應(yīng)用提供可用性強、效率高的集編譯、調(diào)試、開發(fā)、仿真、運行于一體的底層環(huán)境。

c）中間件層：

通過對底層硬件資源和運行管理層接口進行封裝，屏蔽了底層硬件、軟件細節(jié)差異，為系統(tǒng)應(yīng)用層和運行管理層提供統(tǒng)一的接口。

d）軟件框架層：

軟件框架基于標準規(guī)范實現(xiàn)軟硬件管理接口服務(wù)，通過中間件實現(xiàn)硬件的配置、管理、互聯(lián)及通信，實現(xiàn)功能、算法軟件組件動態(tài)配置、管理，支持用戶開發(fā)獨立于硬件的算法應(yīng)用組件。

e）應(yīng)用層：

包括基于平臺標準和規(guī)范開發(fā)的通用組件和專用組件。其中，覆蓋各領(lǐng)域、各專業(yè)的通用組件為所有應(yīng)用提供基礎(chǔ)的應(yīng)用服務(wù)，如CFAR（恒虛警率，Constant False-Alarm Rate）、跟蹤濾波等；專用組件面向具體雷達產(chǎn)品，定制開發(fā)的組件，如信號處理、數(shù)據(jù)處理、協(xié)同調(diào)度等。

3.2 軟件組件

軟件組件是面向航天測控雷達系統(tǒng)應(yīng)用、顆粒度均衡、可重用、具有標準化接口、封裝良好的軟件實體，組件間的交互關(guān)系清晰明確，通過組件間的互聯(lián)能夠集成雷達軟件系統(tǒng)。

軟件組件基于平臺標準和規(guī)范開發(fā)，通用組件用于通用算法開發(fā)，專用組件用于系統(tǒng)功能實現(xiàn)，實現(xiàn)算法與系統(tǒng)應(yīng)用的隔離。通過組件間的交互或集成實現(xiàn)雷達系統(tǒng)軟件開發(fā)，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的所有功能。只要基于平臺標準和規(guī)范開發(fā)，新的軟件組件開發(fā)后，利用軟件框架的管理層可以將其嵌入雷達系統(tǒng)軟件中，達到系統(tǒng)開放性目標。通過軟件框架的軟件部署服務(wù)和重構(gòu)配置服務(wù)，實現(xiàn)各功能組件動態(tài)重構(gòu)，從而實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的多功能。

為保證軟件組件間的獨立性、可移植性，必須避免緊耦合情況；組件運行參數(shù)可采用配置文件系統(tǒng)，通過專門的參數(shù)（頻率、帶寬、波形、掃描模式、工作模式等）配置文件，使得軟件組件易于移植到不同的型號的雷達系統(tǒng)中去，且使得用戶執(zhí)行任務(wù)更加便捷；通過系統(tǒng)軟件總線的軟件部署服務(wù)和重構(gòu)配置服務(wù)，可實現(xiàn)各功能組件動態(tài)重構(gòu)，從而易于實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的多功能和開放性。

與精密跟蹤與成像測量雷達相比，固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達軟件功能更全面，因此以固態(tài)有源數(shù)字陣列相控陣雷達為例來構(gòu)建軟件功能框架。

將航天測控雷達系統(tǒng)軟件根據(jù)作用和功能劃分為網(wǎng)絡(luò)通訊、坐標變換、插值外推等通用軟件和數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)交互、綜合顯示、綜合信息處理與控制、陣面控制、雷達控制、BIT與自動化測試、接收與頻率源、伺服控制、模擬器等專用軟件，如圖7所示。通過通用軟件組件和各類專用軟件組件實現(xiàn)雷達分系統(tǒng)和整個雷達系統(tǒng)的功能。上述軟件組件可支持“二次開發(fā)”或“模塊化替代”，只要接口定義符合系統(tǒng)軟件總線接口標準，可在應(yīng)用層面實現(xiàn)軟件的組件化二次開發(fā)。

圖7 雷達軟件組件組成框圖

本文研究建立的航天測控雷達標準開放系統(tǒng)架構(gòu)，可實現(xiàn)航天測控雷達功能軟件化、處理數(shù)字化，有利于加快技術(shù)更新、縮短研制周期、降低維護費用、便于系統(tǒng)功能擴展，從而在航天測控雷達全壽命期內(nèi)有效保持和適時提升綜合效能。下一步將重點研究基于通用信息處理平臺的軟、硬件標準與技術(shù)規(guī)范，實現(xiàn)雷達后端處理標準化與通用化，使不同型號雷達均采用通用的技術(shù)規(guī)范，并滿足航天測控雷達間功能單元可互換，最終達到優(yōu)化保障、精簡型譜的目的。