雷達(dá)系統(tǒng)功能分解和組件復(fù)用技術(shù)研究

段 平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

“軟件化雷達(dá)”是具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、數(shù)字化技術(shù)特點(diǎn)的新型雷達(dá)系統(tǒng)，具有開放式體系架構(gòu)，可以適應(yīng)“面向?qū)嶋H需求，以軟件技術(shù)為核心”的開發(fā)理念，以軟件化開發(fā)模式靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、更新和升級(jí)。

通過對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)的深入研究應(yīng)用，有助于縮短雷達(dá)裝備研制周期、降低裝備研發(fā)和全壽命維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)方便新技術(shù)植入、快速響應(yīng)不斷變化的任務(wù)需求目標(biāo)。

系統(tǒng)架構(gòu)是指系統(tǒng)的功能、軟件和硬件組成及組成之間的關(guān)系(百度百科)。開放式架構(gòu)最重要的特點(diǎn)是“開放”，什么是“開放”？“開放”什么？怎么“開放”？是一個(gè)非常值得研究的問題。本文從雷達(dá)系統(tǒng)功能分解和功能模塊界定以及關(guān)鍵接口制定的角度，闡釋開放式架構(gòu)的內(nèi)涵。

1 功能分解和模塊界定的意義

軟件化雷達(dá)技術(shù)采用開放式架構(gòu)，打破封閉、壟斷的研發(fā)模式，推崇多方合眾方式完成雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)。開放的系統(tǒng)架構(gòu)可以直接帶來多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同參與，公共組件多次復(fù)用，利用COTS技術(shù)和產(chǎn)品提升能力，新技術(shù)快捷植入等好處。

系統(tǒng)架構(gòu)是指系統(tǒng)的組成與組成要素之間的關(guān)系，所謂開放式系統(tǒng)架構(gòu)，就是將系統(tǒng)分解成行業(yè)內(nèi)具有廣泛共識(shí)的功能模塊，明確界定模塊的內(nèi)涵，定義模塊的接口，并在行業(yè)內(nèi)廣泛發(fā)布，得到功能模塊可多方獲得、多項(xiàng)目復(fù)用的得益。系統(tǒng)功能分解和模塊界定決定了系統(tǒng)開放的程度，決定了參與行業(yè)與專業(yè)范圍，決定了系統(tǒng)組成要素直接復(fù)用和借用的廣度。

合理的功能分解及明確的模塊功能界定，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的解耦，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的接口定義，以及接口規(guī)范制定。將系統(tǒng)抽象成多個(gè)“功能獨(dú)立、關(guān)系松耦合”的功能模塊，有利于實(shí)現(xiàn)開放。

這里“開放”的是功能分解的原則，是模塊的功能內(nèi)涵，是模塊的接口標(biāo)準(zhǔn)。通過制定涵蓋上述內(nèi)容的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，全行業(yè)發(fā)布、執(zhí)行，才能夠?qū)崿F(xiàn)開放式系統(tǒng)的建立。

2 功能分解和模塊界定的原則

2.1 松耦合原則

開放式系統(tǒng)在構(gòu)建時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循功能“高內(nèi)聚”、關(guān)系“松耦合”原則進(jìn)行系統(tǒng)功能分解，核心是將處理與控制進(jìn)行“松耦合”分解。所謂“高內(nèi)聚”是指系統(tǒng)組成要素內(nèi)部功能內(nèi)聚，每個(gè)功能模塊只完成某項(xiàng)單一、特定的功能；“松耦合”是指各個(gè)功能模塊之間交互關(guān)系少，最好只存在數(shù)據(jù)的輸入輸出級(jí)聯(lián)關(guān)系，盡量減少相互之間的交叉、反饋依賴，即上一級(jí)模塊的輸出作為下一級(jí)模塊的輸入，上一級(jí)模塊的輸出不依賴下一級(jí)模塊的輸出，避免形成兩級(jí)模塊之間產(chǎn)生交叉反饋。

2.2 層次化原則

層次化分解設(shè)計(jì)原則是指在系統(tǒng)分解時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循自頂而下分層分解。依據(jù)系統(tǒng)任務(wù)功能需求，首先將系統(tǒng)分解成分系統(tǒng)級(jí)別的組成，然后對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)再進(jìn)行模塊級(jí)別的分解(稱為分子組件)，最后對(duì)模塊進(jìn)行組件級(jí)別的分解(稱為原子組件)。在一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)分系統(tǒng)級(jí)組件相互獨(dú)立，基本不具備可復(fù)用性；分子組件由原子組件組合而成，每個(gè)分子組件均符合功能“高內(nèi)聚”原則，可復(fù)用性較強(qiáng)；原子組件是最基本的、粒度最小的組件，是各類分子組件的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，可復(fù)用性最強(qiáng)，可組合成為各種完成獨(dú)立功能的分子組件。

2.3 粒度適中原則

功能分解和模塊界定的目的是為了最終的系統(tǒng)集成，是為了提高功能模塊的復(fù)用度，降低系統(tǒng)集成的難度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的成熟度和穩(wěn)定性。軟件化雷達(dá)系統(tǒng)集成是基于雷達(dá)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的功能模塊集成，追求系統(tǒng)綜合能力的提升，以功能模塊集成最優(yōu)化性能系統(tǒng)。只有功能模塊分解的“粒度”規(guī)模合適，才可以保證集成的效果最佳。

功能分解粒度太粗，造成模塊功能內(nèi)聚不足；完成功能較多，意味著使用限制條件具體而且多，所以條件稍有改變便不能直接復(fù)用；難以形成大量可復(fù)用單元，導(dǎo)致參與門檻較高，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單高效，但不利于模塊復(fù)用。粒度過細(xì)，導(dǎo)致組成系統(tǒng)的內(nèi)部接口眾多、邏輯關(guān)系復(fù)雜，造成系統(tǒng)集成難度增大。

合適粒度的功能分解，同時(shí)兼顧可復(fù)用性和低耦合度，結(jié)合層次化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，收到既便于組件研制可多方獲得、多項(xiàng)目復(fù)用的得益，又可降低系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)集成效率。

原子模塊粒度小型化：小“粒度”架構(gòu)設(shè)計(jì)一種高端體現(xiàn)，可以將功能相近或相同的小“粒度”個(gè)體在大的層面進(jìn)行資源整合；開放的小“粒度”設(shè)計(jì)可以支撐任意層次的靈活組合。

分子模塊“高內(nèi)聚、低耦合”：盡可能將功能聯(lián)系緊密、專業(yè)相同、相近原子模塊構(gòu)成分子模塊，可以簡(jiǎn)化更高層面的設(shè)計(jì)。

2.4 可復(fù)用原則

采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)希望獲得的一個(gè)重要得益就是模塊的可復(fù)用性，利用可復(fù)用的軟硬件模塊可快速集成新系統(tǒng)，避免“重復(fù)造輪子”。模塊的可復(fù)用性是開放式系統(tǒng)構(gòu)建中的一個(gè)重要原則。在模塊或子系統(tǒng)研制、開發(fā)的初始，就需要遵循開放式系統(tǒng)構(gòu)建原則，考慮模塊的可重用性，只有這樣這些模塊或子系統(tǒng)才能在未來的產(chǎn)品中重用?？梢赃@樣說，靈活性和開放性甚至比暫時(shí)的性能優(yōu)異更為重要，在設(shè)計(jì)之初就必須先考慮清楚系統(tǒng)的硬件、軟件、人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口的開放性。

3 功能分解和模塊界定方法

3.1 功能-專業(yè)-實(shí)現(xiàn)“體”式功能分解法

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是組成及組成之間關(guān)系的描述，組成的劃分與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。長(zhǎng)久以來，雷達(dá)裝備是按功能“線”劃分系統(tǒng)組成的，即：信號(hào)產(chǎn)生-放大發(fā)射-輻射-接收-變換-信號(hào)處理-數(shù)據(jù)處理-顯示控制等，每一部分都是一個(gè)軟硬件緊耦合的實(shí)體，這種劃分從滿足應(yīng)用角度來看是合理的。但這種方式未能考慮專業(yè)和實(shí)現(xiàn)方式，各個(gè)環(huán)節(jié)看似獨(dú)立，其實(shí)各部分之間還存在很多公共的元素未能提取出來，對(duì)于開放性實(shí)現(xiàn)也難有幫助。比如信號(hào)產(chǎn)生和接收機(jī)內(nèi)都會(huì)有變頻環(huán)節(jié)，信號(hào)產(chǎn)生一般為上變頻，接收機(jī)為下變頻，其實(shí)電路的實(shí)現(xiàn)基本相同；在信息處理環(huán)境問題更加突出，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要處理硬件，造成了大量重復(fù)。

可考慮采用功能-專業(yè)-實(shí)現(xiàn)“體”式劃分組成，這樣可以有效兼顧組成模塊功能內(nèi)聚性、專業(yè)內(nèi)聚性和物理實(shí)現(xiàn)的內(nèi)聚性，從而保證模塊具有良好的可擴(kuò)充性和重組特性，適應(yīng)專業(yè)細(xì)分的“擴(kuò)容”和一體化的功能“融合”，有利于研發(fā)、設(shè)計(jì)資源的優(yōu)化配置。

這種劃分最典型的例子就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放式系統(tǒng)互連模型(ISO/OSI)，通過功能分解、分層專業(yè)化和實(shí)現(xiàn)上的分解與合并，確保最優(yōu)的開放性。

3.2 功能分解與組件實(shí)現(xiàn)分離

功能分解與組件實(shí)現(xiàn)分離方法是指功能分解時(shí)盡量細(xì)分，組件實(shí)現(xiàn)時(shí)可以依據(jù)設(shè)計(jì)、工藝、制造、使用條件適當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)。將組件的實(shí)現(xiàn)和組件的集成分離，“制造”組件時(shí)從功能、專業(yè)和實(shí)現(xiàn)多維度綜合考慮細(xì)粒度劃分，使可復(fù)用組件兼顧功能內(nèi)聚、專業(yè)內(nèi)聚和技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)聚，改善組件研制的開放性，提升組件的復(fù)用程度。系統(tǒng)集成使用組件時(shí)，根據(jù)具體情況將細(xì)粒度組件分級(jí)組裝成合適粒度應(yīng)用組件。例如，由于技術(shù)和工藝的進(jìn)步，瓦片式數(shù)字子陣將天饋線、收發(fā)和波束波形控制功能集成在一起，各部分功能不同，但專業(yè)和實(shí)現(xiàn)方式相近，集成后個(gè)模塊功能依然存在且相互獨(dú)立，可以復(fù)用許多功能電路。對(duì)于雷達(dá)信息處理環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)功能是相互獨(dú)立的，專業(yè)有所不同，但載體和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式相近。在功能分解時(shí)可以將模塊劃分到基本運(yùn)算函數(shù)級(jí)別，在裝配使用時(shí)再由不同專業(yè)人員分級(jí)組合成各種分系統(tǒng)應(yīng)用直至雷達(dá)任務(wù)應(yīng)用組件。

3.3 功能模塊接口的確定方法

如何對(duì)功能模塊接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，以確保得到多數(shù)人認(rèn)可的開放性，是一個(gè)重要的問題?？梢詮墓沧R(shí)度、發(fā)展趨勢(shì)是否明確，相應(yīng)成熟COTS產(chǎn)品與技術(shù)的數(shù)量等方面研究確定接口。接口的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化同樣影響開放的程度，可從物理連接電氣標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議、信息表示與會(huì)話等多個(gè)層次進(jìn)行規(guī)范。若某個(gè)層次得不到統(tǒng)一，則兼容并存幾種，但需統(tǒng)一其API，確保其上層應(yīng)用的統(tǒng)一和可移植。

同時(shí)還需要對(duì)軟件層次之間，同層模塊之間，上下層次模塊之間接口的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行約束，形成上可調(diào)下、下不可調(diào)上，同層模塊可互調(diào)，同層調(diào)用接口界面統(tǒng)一等利于擴(kuò)展升級(jí)和新技術(shù)成果能及時(shí)植入等形態(tài)。

對(duì)于雷達(dá)天線陣面內(nèi)的純硬件和軟硬件復(fù)合類功能模塊接口，可規(guī)范其接口傳輸信息內(nèi)容，對(duì)接口物理標(biāo)準(zhǔn)不宜做硬性規(guī)范。

對(duì)于純軟件模塊的接口，由于模塊采用了多級(jí)分層分解，接口按照組合層次逐級(jí)繼承。分系統(tǒng)應(yīng)用繼承相關(guān)分子組件接口；分子組件繼承相關(guān)原子組件接口；原子組件接口采用國(guó)際通用的VSIPL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由此可實(shí)現(xiàn)所有層級(jí)應(yīng)用組件的高效跨平臺(tái)移植，實(shí)現(xiàn)純軟模塊的軟硬件解耦。

4 軟件化雷達(dá)海基驗(yàn)證平臺(tái)功能分解實(shí)踐

按照上述原則和方法，對(duì)軟件化雷達(dá)?；?yàn)證平臺(tái)進(jìn)行了功能分解實(shí)踐。首先將驗(yàn)證平臺(tái)分解為天饋線、收/發(fā)、微波源、波束波形控制、傳動(dòng)伺服、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、資源管理控制、顯控終端等分系統(tǒng)。圖1為分系統(tǒng)間的信息流和控制流關(guān)系。

圖1 分系統(tǒng)間的信息流和控制流關(guān)系

繼續(xù)將各分系統(tǒng)進(jìn)一步分解成如表1所示的功能模塊類。

表1 分系統(tǒng)功能模塊表

最后將部分功能模塊繼續(xù)分解成為分子級(jí)的可復(fù)用模塊，純軟的分子級(jí)模塊最終由原子級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)算術(shù)和信號(hào)處理函數(shù)庫支撐。整個(gè)?；?yàn)證平臺(tái)分層分解如圖2所示。

圖2 ?；?yàn)證平臺(tái)分層分解

在實(shí)現(xiàn)時(shí)各模塊會(huì)進(jìn)行不同程度的集成，但各自功能仍然存在且相互獨(dú)立，只是在物理上形式上將多個(gè)功能模塊集成在了一起。由于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、資源管理調(diào)度控制、顯控終端等均采用數(shù)字化處理，目前已具備構(gòu)建統(tǒng)一的信息處理平臺(tái)，采用集中或分布處理的方式，將這些功能模塊進(jìn)行集成的條件。集成后各個(gè)功能模塊間將只存在軟件模塊的信息交互，僅需確定各軟件模塊間的信息傳遞內(nèi)容，不用關(guān)心具體物理接口形式，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)軟件模塊的集成和處理，具體信息交互的物理接口形式由信息處理平臺(tái)提供。

上述分子級(jí)組件在實(shí)現(xiàn)層面應(yīng)當(dāng)遵循可復(fù)用設(shè)計(jì)方法，將數(shù)據(jù)輸入、輸出接口和參數(shù)配置接口獨(dú)立出來，采用通訊中間件(如DDS)將接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，規(guī)范組件間傳遞內(nèi)容和數(shù)據(jù)表達(dá)格式，封裝測(cè)試后的組件進(jìn)行出入庫管理，實(shí)現(xiàn)組件在不同雷達(dá)系統(tǒng)中的共享和重用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)和專有技術(shù)的有效傳承。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)功能分解和模塊功能界定是構(gòu)建開放式系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文針對(duì)軟件化雷達(dá)技術(shù)提倡的開放式系統(tǒng)架構(gòu)和組件復(fù)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了符合開放式架構(gòu)思想的雷達(dá)系統(tǒng)功能分解的原則和方法，最后提供軟件化雷達(dá)驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)例給出了系統(tǒng)功能分解的實(shí)施步驟和最終成果。希望可為我國(guó)軟件化雷達(dá)技術(shù)的深入研究和技術(shù)實(shí)踐提供一定參考。