劉　鳳

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

?

·總體工程·

基于軟件構(gòu)件技術(shù)的軟件化雷達(dá)

劉鳳

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

摘要：分析了軟件構(gòu)件技術(shù)在軟件化雷達(dá)開發(fā)過程中的作用，并將軟件構(gòu)件技術(shù)引入到雷達(dá)系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中。對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行領(lǐng)域工程建模，生成了軟件化雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)和層次化的軟件體系結(jié)構(gòu)，用于指導(dǎo)后續(xù)的領(lǐng)域設(shè)計與構(gòu)件設(shè)計實現(xiàn)。在軟化件雷達(dá)開發(fā)過程中使用構(gòu)件，可以充分復(fù)用雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)過程、需求分析、軟件體系結(jié)構(gòu)和領(lǐng)域構(gòu)件等，進(jìn)而有效提高軟件化雷達(dá)的開發(fā)效率和軟件質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：軟件化雷達(dá)；軟件構(gòu)件；領(lǐng)域工程；復(fù)用構(gòu)件

0引言

雷達(dá)的種類眾多，不同用途、不同功能的雷達(dá)對信號參數(shù)(載頻、脈寬等)有不同的要求。目前，設(shè)計研制的雷達(dá)往往無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對不同屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化跟蹤檢測的需要。正是由于這個原因，才提出軟件化雷達(dá)的概念。簡單地說，就是要搭建一個通用的硬件平臺，用軟件實現(xiàn)各種不同體制雷達(dá)的設(shè)計，從而縮短研發(fā)時間、降低研發(fā)成本和開發(fā)風(fēng)險。

從實戰(zhàn)角度出發(fā)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中為了奪取戰(zhàn)爭初期制空權(quán)、打贏電磁戰(zhàn)，雷達(dá)已成為導(dǎo)彈和各國空軍的首批重點戰(zhàn)術(shù)打擊對象。因此，提高雷達(dá)的生存能力成為現(xiàn)代雷達(dá)研制中不得不考慮的關(guān)鍵指標(biāo)。一方面，軟件化雷達(dá)可由軟件定義功能，通過下載新程序和發(fā)布新參數(shù)就可以很容易地改變雷達(dá)信號體制，通過跳頻、變頻和變信號(時寬、帶寬、調(diào)頻斜率)形式等方法實現(xiàn)電子對抗[1-2]。另一方面，由于使用了高性能的數(shù)字化器件，采用了嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，軟件化雷達(dá)從體積和質(zhì)量上大大小于傳統(tǒng)的硬件雷達(dá)。因此，其機(jī)動靈活性得到了較大提高，這對于提高雷達(dá)在現(xiàn)

代戰(zhàn)場上的生存能力具有深遠(yuǎn)的意義[3-4]。

1軟化件雷達(dá)

軟件化雷達(dá)是軟件無線電技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域的擴(kuò)展，是不斷變化的軍事需求與當(dāng)今快速發(fā)展的IT產(chǎn)業(yè)相互結(jié)合的產(chǎn)物。跟軟件無線電相比，由于雷達(dá)自身情況，發(fā)展相對滯后，但也到了必須發(fā)展的階段[5]。無線電通信發(fā)展歷程與雷達(dá)發(fā)展歷程的對比圖如圖1所示。

圖1　無線電通信發(fā)展歷程與雷達(dá)發(fā)展歷程對比圖

軟件化雷達(dá)可定義為基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的數(shù)字平臺(除射頻單元外)，具有通用的開放式體系結(jié)構(gòu)，采用面向應(yīng)用的開發(fā)模式，系統(tǒng)功能通過軟件定義、擴(kuò)

展和重構(gòu)的新一代雷達(dá)?；舅枷胧琼槕?yīng)時代發(fā)展的潮流，把傳統(tǒng)“以硬件為核心實現(xiàn)專用功能”的雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建方法，轉(zhuǎn)到“以面向應(yīng)用為核心，實現(xiàn)任務(wù)和功能的靈活配置”的設(shè)計思想。

對比傳統(tǒng)雷達(dá)，軟件化雷達(dá)的特點具有如下五點：

(1)硬件通用化。采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺；雷達(dá)系統(tǒng)部分或全部的底層硬件功能模塊可以通過軟件定義、編程，具備了更大的動態(tài)配置范圍和更靈活的動態(tài)配置能力。

(2)可重構(gòu)多功能。選擇不同的軟件構(gòu)件可以在通用硬件平臺上設(shè)計出不同體制和功能的雷達(dá)，實現(xiàn)探測、干擾、偵察、通信的綜合一體化。

(3)可擴(kuò)展。通過軟件的升級、重構(gòu)實現(xiàn)功能性能的提升，有效解決目前雷達(dá)改造升級困難的問題，快速提升戰(zhàn)斗力。

(4)構(gòu)件化開發(fā)。采用以面向應(yīng)用為核心的開發(fā)模式，可以實現(xiàn)底層硬件和上層任務(wù)軟件的解耦，軟件開發(fā)方法逐漸由“面向過程”轉(zhuǎn)向“面向?qū)ο蟆?，使雷達(dá)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由封閉式向開放式發(fā)展。

(5)高性價比。雷達(dá)各功能由軟件實現(xiàn)，不涉及硬件電路設(shè)計和驅(qū)動程序的開發(fā)，降低了研制費(fèi)用和開發(fā)人員的工作負(fù)擔(dān)。

從雷達(dá)的發(fā)展過程看，隨著現(xiàn)代電子器件性能的提高，硬件平臺的性能將不再是制約軟件化雷達(dá)發(fā)展的條件，意味著通過先進(jìn)的軟件工程技術(shù)可以提高雷達(dá)軟件部分的開發(fā)效率和質(zhì)量。因此，如何利用軟件工程的先進(jìn)理論和方法，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量在當(dāng)前軟化件雷達(dá)領(lǐng)域顯得尤為重要。軟件工程的發(fā)展為軟件化雷達(dá)的設(shè)計、開發(fā)帶來了巨大的便利，將進(jìn)一步促進(jìn)軟件化雷達(dá)的發(fā)展[6]。

2構(gòu)件化技術(shù)

從一般意義上講，構(gòu)件是指軟件系統(tǒng)中可以明確辨識的構(gòu)成成分。而復(fù)用構(gòu)件是指具有相對獨(dú)立功能和可復(fù)用價值的構(gòu)件。軟件構(gòu)件技術(shù)是針對某一特定領(lǐng)域的軟件開發(fā)技術(shù)，是一種系統(tǒng)的、全生命過程的軟件復(fù)用技術(shù)。它可以有效提高軟件的開發(fā)效率和軟件質(zhì)量，并能縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)費(fèi)用[7]。

從系統(tǒng)需求分析開始就采用構(gòu)件的思想，以構(gòu)件為中心的思想涵蓋整個軟件生命周期。

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程是運(yùn)用以構(gòu)件為中心的思想來指導(dǎo)軟件生命周期的各個階段，包括需求分析、架構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計、測試驗證、維護(hù)和升級，甚至應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)建過程中的項目管理也是基于構(gòu)件的。特點如下：

(1)核心是將應(yīng)用系統(tǒng)劃分為不同粒度的構(gòu)件；

(2)以構(gòu)件為中心的思想貫穿軟件生命周期；

(3)支持高度并行開發(fā)；

(4)支持迭代和持續(xù)開發(fā)；

(5)支持高度復(fù)用。

基于構(gòu)件基線軟件開發(fā)過程包括兩個并發(fā)的子過程：一個是領(lǐng)域工程，另一個是基于構(gòu)件的應(yīng)用軟件開發(fā)過程，如圖2所示。

圖2　基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程

領(lǐng)域工程完成一系列工作，實現(xiàn)共性技術(shù)的研究、梳理、提煉，完成一組可復(fù)用構(gòu)件的標(biāo)示、構(gòu)造、分類和應(yīng)用，以建立一組可以被其他軟件工程師復(fù)用的模型和軟件構(gòu)件，用于構(gòu)造新的應(yīng)用系統(tǒng)。

3構(gòu)件技術(shù)的軟件化雷達(dá)開發(fā)過程

3.1軟件化雷達(dá)領(lǐng)域分析

軟件化雷達(dá)領(lǐng)域涉及模擬子系統(tǒng)、數(shù)字子系統(tǒng)兩大部分內(nèi)容[8]。下面將按照構(gòu)件技術(shù)對軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的功能、軟件和硬件組成及接口關(guān)系進(jìn)行領(lǐng)域工程建模，生成軟件化雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，用于軟件化雷達(dá)的領(lǐng)域設(shè)計實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3　軟件化雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)

3.2軟件系統(tǒng)領(lǐng)域分析

軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是指該系統(tǒng)由哪些構(gòu)件組成，這些構(gòu)件如何協(xié)作構(gòu)成一個系統(tǒng)，以及裝配的模式和約束等。軟件化雷達(dá)采用開放的分層結(jié)構(gòu)規(guī)范，它使系統(tǒng)應(yīng)用和操作環(huán)境分離，為上層應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)提供統(tǒng)一的、開放的底層支持和服務(wù)。特點如下：

1)分層的軟件架構(gòu)，把應(yīng)用與底層硬件相分離；

2)分層式處理環(huán)境，實現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性、可重用性和可擴(kuò)展性；

3)盡可能利用商用標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，比如：商用硬件總線結(jié)構(gòu)(VPX，PCIE)，vxWorks、Linux操作系統(tǒng)等。

如圖4所示，采用分層次架構(gòu)設(shè)計，分為：(1)通用組件、專用部件；(2)應(yīng)用管理；(3)中間件；(4)操作系統(tǒng)；(5)硬件平臺。

圖4　軟件體系結(jié)構(gòu)圖

3.3構(gòu)件化的信息處理子系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計

信息處理子系統(tǒng)軟件的應(yīng)用層次結(jié)構(gòu)如圖5所示：(1)系統(tǒng)層，實現(xiàn)不同類型雷達(dá)的作戰(zhàn)能力需求；(2)應(yīng)用層，實現(xiàn)雷達(dá)功能所需的各種工作方式控制，供系統(tǒng)層進(jìn)行調(diào)度應(yīng)用；(3)計算層，實現(xiàn)各種工作方式下的信息處理計算功能，供應(yīng)用層根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。

圖5　軟件內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

如圖6所示，硬件是基于8640D處理芯片嵌入式高性能計算板卡。硬件系統(tǒng)由8640D處理模塊、交換模塊、交換接口模塊、背板、機(jī)箱等組成，機(jī)箱內(nèi)部的板間信號通過RapidIO來實現(xiàn)互聯(lián)。嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，8640D處理模塊、交換模塊驅(qū)動支持包。

圖6　信息處理系統(tǒng)框圖

信息處理子系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)方法采用了層次化體系結(jié)構(gòu)，如圖7所示，通過層級之間的接口規(guī)范實現(xiàn)了對底層硬件的屏蔽和封裝；通過管理層實現(xiàn)了硬件層與系統(tǒng)層/應(yīng)用層的功能解耦。即頂層雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員可針對信息處理系統(tǒng)需求，直接利用應(yīng)用層構(gòu)件來構(gòu)造系統(tǒng)層的信息處理流程，無需考慮具體的底層硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信和處理過程。因此，可以支持上層應(yīng)用需求對底層軟/硬件的升級和跨平臺移植。

圖7　信息處理軟件構(gòu)件組成圖

系統(tǒng)層構(gòu)件：1)空中監(jiān)視，集成常規(guī)搜索、常規(guī)跟蹤的工作模式，實現(xiàn)對空警戒功能；2)地面火控，集成PD搜索、PD跟蹤的工作模式，實現(xiàn)地面火控、炮位偵校等功能；3)目標(biāo)識別，集成PD跟蹤、步進(jìn)頻工作模式，實現(xiàn)空中目標(biāo)識別功能。

應(yīng)用層構(gòu)件：1)常規(guī)搜索/常規(guī)跟蹤工作模式，集成空間處理、干擾抑制、匹配濾波、目標(biāo)檢測、航跡評估、綜合顯示等計算構(gòu)件；2)PD搜索/PD跟蹤工作模式，集成空間處理、干擾抑制、匹配濾波、目標(biāo)檢測、模糊解析、彈道外推、綜合顯示等計算構(gòu)件；3)目標(biāo)識別，集成空間處理、匹配濾波、特征提取、綜合顯示等計算構(gòu)件。

管理層構(gòu)件：1)實現(xiàn)信息處理子系統(tǒng)的硬件管理，對計算模塊、數(shù)據(jù)交換模塊完成包括中斷、信號量、RapidIO、系統(tǒng)交換路由枚舉等管理；2)實現(xiàn)對信息處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線管理，計算構(gòu)件間的數(shù)據(jù)交互方式以軟總線的方式進(jìn)行管理，實現(xiàn)通用數(shù)據(jù)接口。

上述不同類型構(gòu)件，在應(yīng)用管理層的組織下，通過構(gòu)件裝配方式，經(jīng)過軟件編譯，下載到通用處理硬件平臺，可根據(jù)系統(tǒng)需要靜態(tài)或動態(tài)的實現(xiàn)不同雷達(dá)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)軟件化的雷達(dá)設(shè)計方式。

4結(jié)束語

軟件化雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展，預(yù)示著現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入以“軟實力”為核心的技術(shù)發(fā)展階段。通用軟件層次架構(gòu)、可復(fù)用軟件構(gòu)件技術(shù)等都是雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)“軟實力”的重要內(nèi)容。本文所述的分層軟件構(gòu)件設(shè)計方式，實現(xiàn)了管理層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層、計算層的軟件構(gòu)件的設(shè)計開發(fā)和復(fù)用，該方法已成功應(yīng)用于雷達(dá)信息處理系統(tǒng)設(shè)計中，后續(xù)多型雷達(dá)借用經(jīng)過嚴(yán)格測試的構(gòu)件，有效提高了軟件質(zhì)量和效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2001.

YANG Xiaoniu, LOU Caiyi, XU Jianliang. Software-defined radio principles and application[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2001.

[2]張磊, 張銀華. 不斷發(fā)展的無線移動通信技術(shù)[J]. 電子機(jī)械工程, 2002, 18(5): 5-10.

ZHANG Lei, ZHANG Yinhua. Developing technologies of wireless mobile communication[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2002, 18(5): 5-10.

[3]BARTENEV V G. Software radar: new reality[C]// CIE International Conference on Radar. Shanghai: IEEE Press, 2006: 1-4.

[4]WIESHECK W. SDRS: software defined radar sensors[C]//2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Sydney,NSW: IEEE Press, 2001: 3259-3261.

[5]ZHANG H, LI L, WU K. Software-defined six-port radar technique for precision range measurements[J]. IEEE Sensors Journal, 2008, 8(10): 1745-1751.

[6]夏棟, 察豪, 張偉, 等. 基于軟件產(chǎn)品線技術(shù)的軟件雷達(dá)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2012, 34(4): 32-35.

XIA Dong, CHA Hao, ZHANG Wei, et al. Software radar based on software product line technology[J]. Modern Radar, 2012, 34(5): 32-35.

[7]張友生，李雄. 軟件體系結(jié)構(gòu)原理、方法與實現(xiàn)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2009.

ZHANG Yousheng, LI Xiong. Software architecture principle, method and practice[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009.

[8]SKOLNIK M I. 雷達(dá)手冊[M]. 3版. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010.

SKOLNIK M I. Radar handbook[M]. 3rd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2010.

劉鳳女，1977年生，本科，高級工程師。研究方向為雷達(dá)信號處理、軟件構(gòu)件技術(shù)。

Software Radar Based on Software Components Technology

LIU Feng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The significance of software engineering theoretic applied in radar system developing is summarized, and software component technology is introduced to the software developing. Domain engineering modeling of software radar is done, and software radar system architecture as well as software architecture is generated which would be used in domain design process. Software radar developing with software component could make full reuse of system's developing process, requirement analysis, software architecture, domain components, et al, which could improve developing efficiency and software quality effectively.

Key words：software radar; software components; domain engineering; reusable component

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.004

通信作者：劉鳳Email：64890739@qq.com

收稿日期：2015-12-24

修訂日期：2016-02-29

中圖分類號：TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0012-04