黃璐 金勝 張謙謙 王玥

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京，100094）

引言

作為航天測控系統(tǒng)中無線電外測的重要組成部分，航天測控雷達主要從運載火箭和航天器的外部進行跟蹤測量，以確定其飛行狀態(tài)（軌道、姿態(tài)等），為運載火箭和航天器的安全飛行、指揮顯示、引導捕獲目標提供實時可靠的依據(jù)，為飛行試驗的性能考核、精度評定、改進設計和定型等提供精確的軌道參數(shù)[1]。

近年來，隨著我國航天事業(yè)高速發(fā)展，航天發(fā)射任務呈高密度發(fā)展態(tài)勢，對測控設備尤其是測控雷達的操控使用性能、維護升級便利性以及適應多樣化試驗任務的能力提出了越來越高的要求。但無論是傳統(tǒng)的模擬定制雷達，還是當前主流的數(shù)字化雷達，其后端信息處理架構均以面向特定功能為核心，注重硬件平臺的構建，軟件架構及功能的實現(xiàn)主要依托于硬件性能。這種架構難以通過較小代價達到系統(tǒng)功能按需擴展和性能便利升級，無法實現(xiàn)對實際任務需求的快速響應[2]。

隨著寬頻帶高性能射頻前端、數(shù)字波形產(chǎn)生、數(shù)字化接收機以及高性能實時計算等技術的飛速發(fā)展，雷達系統(tǒng)技術進入了一個新的發(fā)展時期。例如數(shù)字技術高速發(fā)展，使得雷達系統(tǒng)的主要組成部分具有了可通過軟件化模式定義、開發(fā)和配置的能力；標準化和模塊化組件技術逐漸成熟，使得雷達各個系統(tǒng)的通用性得到了很大的提升；系統(tǒng)化集成技術逐漸成熟，大量商用貨架產(chǎn)品和第三方開發(fā)技術能夠融入系統(tǒng)中，使得雷達系統(tǒng)越來越具備開放性的條件。雷達系統(tǒng)支撐技術的發(fā)展使得雷達的自由度、計算能力以及軟件編程能力得到大幅度提高、靈活性增強，在功能和性能上具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本文基于標準化、模塊化、數(shù)字化的雷達后端信息處理平臺，參照“軟件化雷達”的技術概念[3-4]，按照通用的開放式體系結(jié)構設計思想，采用面向應用的開發(fā)方式，研究提出支持系統(tǒng)可重配置、形態(tài)靈活重構、功能便利升級的雷達標準化開放式信息處理軟件架構，實現(xiàn)雷達的整體研發(fā)模式從以硬件為核心向以軟件為核心轉(zhuǎn)變，滿足雷達信息處理新技術應用和多樣化試驗任務快速響應需求。

1 設計原則

針對航天測控多樣化高可靠任務需求，航天測控雷達信息處理軟件架構的設計原則涵蓋以下幾方面。

a）軟件功能模塊化：雷達應用軟件按照功能定義進行模塊劃分，各模塊接口定義明確且相互獨立，并具有較高的可配置能力。通常航天測控雷達應用軟件按照功能可劃分為搜索、跟蹤、測量、成像等通用軟件模塊。

b）軟件平臺分層設計：將軟件平臺系統(tǒng)功能和模塊分成不同的功能層次，只有最上層的模塊和功能可以被系統(tǒng)外的使用者訪問，只有相鄰的層次之間才能夠有接口調(diào)用。通過分層設計、系統(tǒng)的開發(fā)和設計可以逐步的分層次進行，從底層的簡單的功能逐步建立高層的復雜和抽象的功能。同時系統(tǒng)架構將更有靈活性和擴展性，由于相鄰層次之間通過清晰的接口交互，所以特定的層次可以被替換和增強，甚至可以增加新的層次。最重要的是，上層雷達應用軟件將獨立于底層硬件、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信層，具備互操作性和可移植性。

c）數(shù)據(jù)易訪問：引入通信中間件技術，雷達應用軟件各模塊間通信采用公開定義的標準化接口或數(shù)據(jù)描述語言，數(shù)據(jù)傳送符合標準化的發(fā)布/訂閱模式。

d）網(wǎng)絡中心性：所有本地配置和可控項均以網(wǎng)絡為中心開展業(yè)務，通過包含實時和非實時參數(shù)的外部接口可以訪問所有的關鍵數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

e）軟件開發(fā)工具：軟件開發(fā)工具基于開源工具編寫，采用通用組件接口類型。

f）可擴展性：同時支持多種主流操作系統(tǒng)、處理器體系結(jié)構和系統(tǒng)架構，新增或改進硬件功能無需修改源代碼。

g）測試性：所有軟件模塊或組件需支持開發(fā)環(huán)境的測試。

h）故障診斷和校準：所有模塊/組件按照統(tǒng)一的系統(tǒng)測量方法產(chǎn)生校準數(shù)據(jù)，具有測量和報告實時狀態(tài)和故障情況的能力，并能為現(xiàn)場和離線診斷提供快速故障分析和性能歷史數(shù)據(jù)。

2 軟件架構及組成

基于以上設計原則和雷達功能分析，按照“軟件化雷達”的設計思想[3-5]，后端信息處理軟件采用標準化、層次化的軟件體系架構，各層軟件接口均參照公開標準進行設計，實現(xiàn)軟件與硬件深度解耦，并能夠兼容商用硬件平臺和模塊[6]，支持新技術的快速插入和系統(tǒng)升級。

2.1 總體架構

軟件架構包括底層軟件、集成框架、開發(fā)環(huán)境和應用軟件，如圖1 所示。其中，底層軟件、集成框架、開發(fā)環(huán)境等構成基礎軟件平臺，是雷達運行調(diào)度中心，為應用提供統(tǒng)一的接口和環(huán)境，支持處理能力可擴展，計算資源可重構；應用軟件為可以完成搜索、跟蹤、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)監(jiān)測維護與健康管理等功能的軟件模塊，要求可重構、可移植。

圖1 后端信息處理軟件架構及組成

2.2 底層軟件

底層軟件包括硬件驅(qū)動、BSP（板級支持包，Board Support Rackage）、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。硬件驅(qū)動、BSP 等通常由硬件供應商提供，為操作系統(tǒng)及中間件提供支撐。操作系統(tǒng)主要提供本地系統(tǒng)引導、內(nèi)存管理、進程管理、任務實時調(diào)度等功能，為上層軟件提供多線程支持[7]，屏蔽底層處理器信息，采用POSIX 標準為上層組件提供API接口。通常操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫采用商用貨架產(chǎn)品。

2.3 集成框架

集成框架是整個軟件架構中的核心功能框架，用于實現(xiàn)系統(tǒng)中軟硬件資源的管理、集成、監(jiān)控和重構[8]，包括運行管理平臺和中間件2 個部分。主要功能包括對硬件資源的管理和狀態(tài)監(jiān)控；對應用任務、應用程序和組件等軟件資源的部署/監(jiān)控/調(diào)度；面向動態(tài)需求實現(xiàn)軟硬件資源的重構。

2.3.1 運行管理平臺

運行管理平臺提供資源管理、應用集成、狀態(tài)監(jiān)控、遷移與重構等功能。資源管理主要對軟硬件資源形成資源庫并進行虛擬化管理；應用集成主要提供應用任務建模、裝配、部署和運行控制等功能；狀態(tài)監(jiān)控主要對軟硬件的運行和使用狀態(tài)進行監(jiān)控；遷移與重構主要提供組件、應用及任務等多級別的重構功能，并在硬件出現(xiàn)故障時具備在線遷移能力。

2.3.2 中間件

中間件主要包括通信中間件和計算中間件。通信中間件為雷達不同子系統(tǒng)、不同平臺上的組件提供數(shù)據(jù)、控制、監(jiān)測信息的通信，支持雷達組件通信的軟硬件解耦、服務接口解耦、服務架構解耦和雷達應用按需擴展。計算中間件屏蔽了硬件平臺的異構計算架構，封裝了一系列標準的基礎運算函數(shù)接口，為雷達應用的信息處理算法提供統(tǒng)一的基礎函數(shù)功能調(diào)用。

2.4 開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境是雷達應用軟件開發(fā)、集成和管理的集成軟件環(huán)境，它集成了應用開發(fā)過程中所需要的一系列功能模塊。開發(fā)環(huán)境提供組件開發(fā)、可視化開發(fā)、代碼框架和配置文件自動生成、編譯調(diào)試、組件管理等功能，為組件開發(fā)、管理、調(diào)試和部署等提供軟件開發(fā)平臺。

2.5 應用軟件

應用軟件基于基礎軟硬件平臺，以軟件形式加載系統(tǒng)各項功能，主要包括主控、搜索、跟蹤、測量、成像、顯控等，采用組件化、模塊化的開發(fā)方式，具備跨平臺重用和移植能力，滿足處理平臺、操作系統(tǒng)兼容性要求，能在開發(fā)環(huán)境中進行裝配和測試。

3 集成框架

作為軟件架構中的核心組成部分，集成框架為應用軟件設計者提供對底層軟件和硬件的高層次抽象，主要提供系統(tǒng)資源管理、調(diào)度集成、應用運行管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和動態(tài)重構等功能。

3.1 組件與組件庫

由于航天測控雷達的信息處理是分布式的處理過程，所以開放式軟件架構一般要求業(yè)務軟件的開發(fā)以組件的方式進行。以這種方式開發(fā)的應用具有很強的靈活性，同一應用中的不同組件可以部署在同一或不同板子上運行，共同協(xié)作完成信息處理業(yè)務功能。

軟件組件是可實現(xiàn)某種特定功能的獨立單元，但需要運行在特定的開發(fā)環(huán)境中，只能通過組件的接口來訪問它。在進行了必要的安裝和配置過程之后，可以按接口規(guī)定的方式來使用組件，或與其他組件之間實現(xiàn)互操作。為了能與其他組件一起工作，需要得到其接口的細節(jié)[9]。

組件應具有以下3 大要素：

a）接口：組件提供服務的聲明，用戶通過接口獲取組件功能；

b）實現(xiàn)：組件如何工作的定義，組件運行代碼；

c）描述：組件應用環(huán)境和約束條件的說明。

組件一般應具備以下屬性：

a）重用性：組件是可重用的，這是組件最基本的性質(zhì)。只有可以被重用的組件才有其存在的價值，同時只有容易被重用的組件才有其應用的需求，重用性包含了可重用和易重用2 層含義；

b）獨立性：組件是自包含的、獨立于具體應用，并且能夠獨立分布和獨立運行；

c）封裝性：組件具有二進制封裝的特性，組件對外界隱藏設計和實現(xiàn)的細節(jié)，僅通過接口與外界交換信息；

d）組裝性：組件是可組裝的，組件通過組裝可以形成更大的實體，組裝是實施復用的手段。

航天測控雷達的業(yè)務主要有搜索捕獲、跟蹤監(jiān)視、成像識別、特征獲取等，這些業(yè)務在雷達信息處理平臺上的應用都可以按照具體功能分為波形處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成、控制產(chǎn)品生成、雷達管理、用戶接口等功能組件。如以波形處理為例，搜索捕獲和跟蹤監(jiān)視的波形處理組件在對輸入/輸出數(shù)據(jù)進行信號處理時的側(cè)重點就不一樣，前者更側(cè)重于探測目標的有無，后者側(cè)重于目標的定位。因此為實現(xiàn)任務快速部署、雷達業(yè)務快速切換的需求，有必要對每個業(yè)務的各個組件進行預開發(fā)。

業(yè)務組件的劃分，按照功能獨立、關系松耦合原則，將雷達業(yè)務劃分成可實現(xiàn)獨立功能且互相之間關系松耦合的模塊。其次，應當明確定義各個模塊的功能及其輸入輸出接口要求。最后，遵循開放性原則，采用廣泛使用的統(tǒng)一工業(yè)標準作為各模塊間的數(shù)據(jù)接口標準，提高組件互聯(lián)、互通、互操作能力。

基于應用集成開發(fā)環(huán)境提供通用的組件模板，雷達應用開發(fā)人員完成所有雷達應用組件開發(fā)后，可在應用集成開發(fā)環(huán)境中構建自己的組件庫，從而在后續(xù)實現(xiàn)雷達不同的系統(tǒng)功能時能通過對不同功能組件的組合和集成，方便地實現(xiàn)復用，快速完成新系統(tǒng)的開發(fā)和驗證。根據(jù)航天測控雷達系統(tǒng)不同的功能劃分，可形成如圖2 所示的雷達應用組件庫。

圖2 組件庫示例

3.2 功能組成

集成框架功能模塊圖如圖3 所示。由圖3 可見，集成框架包括基礎模塊和核心模塊2 個部分。

圖3 集成框架功能模塊圖

3.2.1 基礎模塊

基礎模塊是為實現(xiàn)組件化管理框架功能而開發(fā)的底層公共模塊，包括域配置文件解析器、連接管理模塊、部署管理模塊和資源管理模塊[10]。

a）域配置文件解析器：提供各種域配置文件中單元和屬性的對象化存儲與訪問功能，并提供相應的編程接口。

b）連接管理模塊：提供組件間端口連接建立、斷開和管理功能，即通過解析設備配置文件或軟件裝配配置文件中的連接描述單元，確定組件間的連接關系，在驗證合法后根據(jù)該連接關系建立組件間的端口連接，并對其進行管理。

c）部署管理模塊：提供對設備組件、服務組件和應用組件的部署管理，負責組件間依賴關系分析，并根據(jù)部署策略將組件部署到相應的設備上。

d）資源管理模塊：提供對域內(nèi)各種邏輯設備中存儲資源、計算資源、帶寬資源等的統(tǒng)一管理，為使用者提供分析、獲取和回收資源的接口。

3.2.2 核心模塊

核心模塊實現(xiàn)集成框架中框架控制、基本設備和框架服務接口的功能，主要功能包括設備管理、應用管理和服務管理。

a）設備管理：設備管理模塊根據(jù)節(jié)點和設備配置文件信息部署、啟動系統(tǒng)內(nèi)的各種邏輯設備組件，并且通過邏輯設備組件對底層硬件設備進行管理和控制。

b）應用管理：應用管理模塊完成應用的安裝、部署、裝配、配置等功能。

c）服務管理：負責啟動和管理域內(nèi)各種服務，包括事件服務、日志服務、分布式文件系統(tǒng)服務等。

4 開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境是用于雷達信息處理業(yè)務軟件的開發(fā)、集成和管理的軟件，支持所選處理器和操作系統(tǒng)下的應用軟件開發(fā)。通過集成應用開發(fā)中所需的一系列工具套件，以方便快捷的方式提供給應用開發(fā)者和平臺管理者使用，實現(xiàn)工程管理、建模仿真、代碼編輯與編譯生成、系統(tǒng)模塊可視化配置與開發(fā)、在線調(diào)試、開發(fā)庫管理等功能，為雷達應用提供了基本的運行和開發(fā)環(huán)境。

開發(fā)環(huán)境的開發(fā)和選用，需綜合考慮應用軟件部署的硬件平臺、操作系統(tǒng)、應用運行支撐環(huán)境及應用自身特性等多方面因素。雷達信息處理業(yè)務軟件所部署的硬件平臺可能涉及通用處理器、CPU+GPU 架構以及DSP 處理器等多種硬件，應用軟件將會在通用或?qū)崟r操作系統(tǒng)上運行，應用運行支撐環(huán)境涉及通信中間件、計算中間件、集成框架等，它們都對開發(fā)環(huán)境提出了相應需求。

為實現(xiàn)對雷達應用開發(fā)的支撐，開發(fā)環(huán)境需支持或?qū)崿F(xiàn)以下開發(fā)功能：①提供對通用處理器、CPU+GPU 架構以及DSP 處理器等硬件平臺的支持，集成這些平臺相關的軟件開發(fā)工具，以實現(xiàn)雷達應用在這些平臺的開發(fā)部署；②提供對操作系統(tǒng)的支持；③在開放式雷達體系結(jié)構中，強調(diào)對雷達業(yè)務各子功能的組件拆分與設計，以實現(xiàn)相應組件在多個雷達間復用，并支持雷達業(yè)務的快速按需定制與開發(fā)，因此開發(fā)環(huán)境將提供相應插件，以支持組件軟件組件的開發(fā)與集成；④通信中間件、計算中間件等中間件軟件為雷達業(yè)務軟件開發(fā)和運行提供了必不可少的支撐，因此開發(fā)環(huán)境需對其進行集成，并滿足基于上述軟件的雷達應用開發(fā)的需要。

此外，雷達業(yè)務軟件的開發(fā)需包含2 個階段：代碼開發(fā)和測試。因此一個完善的開發(fā)環(huán)境，不僅提供工程管理、代碼編輯與編譯以及調(diào)試等基本功能，還需提供建模仿真、系統(tǒng)配置、開發(fā)庫管理等高級功能。

為支持雷達領域應用的開發(fā)，開發(fā)環(huán)境采用層次化的技術架構，分為3 層：基礎環(huán)境層、插件擴展層和功能支持層，技術架構如圖4 所示。為支撐開發(fā)環(huán)境的實現(xiàn)，其配套的硬件設備層包括Intel 開發(fā)機、DSP 開發(fā)板、FPGA 開發(fā)板以及CPU+GPU 開發(fā)板等。

圖4 開發(fā)環(huán)境技術架構

基礎環(huán)境層包含了通用平臺應用集成開發(fā)環(huán)境、嵌入式平臺應用集成開發(fā)環(huán)境，提供雷達業(yè)務的工程管理、代碼編輯、編譯等基本開發(fā)功能。插件擴展層在基礎環(huán)境層上進行插件擴展，包括通信中間件接口插件、計算中間件接口插件、組件化開發(fā)支持插件和數(shù)據(jù)分析服務支持插件，用以支持多種特定應用功能的開發(fā)。功能支持層是在前兩層基礎上，面向雷達應用開發(fā)人員統(tǒng)一呈現(xiàn)的通用功能，包括工程管理、建模仿真、代碼生成、編輯編譯、仿真調(diào)試、系統(tǒng)配置、開發(fā)庫管理、交叉開發(fā)和圖形化遠程調(diào)試等。

5 結(jié)束語

本文研究提出的航天測控雷達標準化開放式信息處理軟件架構，在功能模塊與硬件平臺之間構建出多層抽象和架構，使得功能模塊可以基于通用化的抽象平臺建立起來，從而解除功能模塊對硬件平臺的直接依賴。實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的結(jié)構通用化、接口標準化、功能組件化和組織模塊化，可使雷達系統(tǒng)能夠基于軟件化開發(fā)模式，靈活地進行系統(tǒng)功能的定義、資源的調(diào)配、性能的提升和工作模式的擴展，靈活響應不同應用需求。后續(xù)將重點研究標準化開放式的軟件標準與技術規(guī)范，規(guī)范雷達軟件的系統(tǒng)設計和需求分析，支持航天測控雷達可根據(jù)不同任務需求以軟件化開發(fā)模式靈活的實現(xiàn)系統(tǒng)拓展、更新和升級。