黃璐 金勝 張謙謙 王玥

（北京跟蹤與通信技術(shù)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(dǎo)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(shè)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(wù)呈高密度發(fā)展態(tài)勢，對測控設(shè)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(yīng)多樣化試驗任務(wù)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(dāng)前主流的數(shù)字化雷達，其后端信息處理架構(gòu)均以面向特定功能為核心，注重硬件平臺的構(gòu)建，軟件架構(gòu)及功能的實現(xiàn)主要依托于硬件性能。這種架構(gòu)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(wù)需求的快速響應(yīng)[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(shù)的飛速發(fā)展，雷達系統(tǒng)技術(shù)進入了一個新的發(fā)展時期。例如數(shù)字技術(shù)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(shù)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(shù)逐漸成熟，大量商用貨架產(chǎn)品和第三方開發(fā)技術(shù)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(shù)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(shù)概念[3-4]，按照通用的開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，采用面向應(yīng)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(gòu)、功能便利升級的雷達標準化開放式信息處理軟件架構(gòu)，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(shù)應(yīng)用和多樣化試驗任務(wù)快速響應(yīng)需求。

1 設(shè)計原則

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

a）軟件功能模塊化：雷達應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計、系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)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(fù)雜和抽象的功能。同時系統(tǒng)架構(gòu)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(yīng)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(shù)，雷達應(yīng)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(luò)中心性：所有本地配置和可控項均以網(wǎng)絡(luò)為中心開展業(yè)務(wù)，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(guān)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(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)，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(gòu)及組成

基于以上設(shè)計原則和雷達功能分析，按照“軟件化雷達”的設(shè)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(gòu)，各層軟件接口均參照公開標準進行設(shè)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(shù)的快速插入和系統(tǒng)升級。

2.1 總體架構(gòu)

軟件架構(gòu)包括底層軟件、集成框架、開發(fā)環(huán)境和應(yīng)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(gòu)成基礎(chǔ)軟件平臺，是雷達運行調(diào)度中心，為應(yīng)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(gòu)；應(yīng)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(gòu)、可移植。

圖1 后端信息處理軟件架構(gòu)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(yīng)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(dǎo)、內(nèi)存管理、進程管理、任務(wù)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(gòu)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(gòu)[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(yīng)用任務(wù)、應(yīng)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(gòu)。

2.3.1 運行管理平臺

運行管理平臺提供資源管理、應(yīng)用集成、狀態(tài)監(jiān)控、遷移與重構(gòu)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(yīng)用集成主要提供應(yīng)用任務(wù)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(gòu)主要提供組件、應(yīng)用及任務(wù)等多級別的重構(gòu)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(wù)接口解耦、服務(wù)架構(gòu)解耦和雷達應(yīng)用按需擴展。計算中間件屏蔽了硬件平臺的異構(gòu)計算架構(gòu)，封裝了一系列標準的基礎(chǔ)運算函數(shù)接口，為雷達應(yīng)用的信息處理算法提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)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(yīng)用軟件開發(fā)、集成和管理的集成軟件環(huán)境，它集成了應(yīng)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(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件基于基礎(chǔ)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(gòu)中的核心組成部分，集成框架為應(yīng)用軟件設(shè)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(yīng)用運行管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和動態(tài)重構(gòu)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(gòu)一般要求業(yè)務(wù)軟件的開發(fā)以組件的方式進行。以這種方式開發(fā)的應(yīng)用具有很強的靈活性，同一應(yīng)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(wù)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(yīng)具有以下3 大要素：

a）接口：組件提供服務(wù)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(yīng)用環(huán)境和約束條件的說明。

組件一般應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(fù)用的手段。

航天測控雷達的業(yè)務(wù)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(wù)在雷達信息處理平臺上的應(yīng)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(wù)快速部署、雷達業(yè)務(wù)快速切換的需求，有必要對每個業(yè)務(wù)的各個組件進行預(yù)開發(fā)。

業(yè)務(wù)組件的劃分，按照功能獨立、關(guān)系松耦合原則，將雷達業(yè)務(wù)劃分成可實現(xiàn)獨立功能且互相之間關(guān)系松耦合的模塊。其次，應(yīng)當(dāng)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(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境提供通用的組件模板，雷達應(yīng)用開發(fā)人員完成所有雷達應(yīng)用組件開發(fā)后，可在應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境中構(gòu)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(fù)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(yīng)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(chǔ)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(chǔ)模塊

基礎(chǔ)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(yīng)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(shè)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(guān)系，在驗證合法后根據(jù)該連接關(guān)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(shè)備組件、服務(wù)組件和應(yīng)用組件的部署管理，負責(zé)組件間依賴關(guān)系分析，并根據(jù)部署策略將組件部署到相應(yīng)的設(shè)備上。

d）資源管理模塊：提供對域內(nèi)各種邏輯設(shè)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(shè)備和框架服務(wù)接口的功能，主要功能包括設(shè)備管理、應(yīng)用管理和服務(wù)管理。

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

b）應(yīng)用管理：應(yīng)用管理模塊完成應(yīng)用的安裝、部署、裝配、配置等功能。

c）服務(wù)管理：負責(zé)啟動和管理域內(nèi)各種服務(wù)，包括事件服務(wù)、日志服務(wù)、分布式文件系統(tǒng)服務(wù)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(wù)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(yīng)用軟件開發(fā)。通過集成應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用軟件部署的硬件平臺、操作系統(tǒng)、應(yīng)用運行支撐環(huán)境及應(yīng)用自身特性等多方面因素。雷達信息處理業(yè)務(wù)軟件所部署的硬件平臺可能涉及通用處理器、CPU+GPU 架構(gòu)以及DSP 處理器等多種硬件，應(yīng)用軟件將會在通用或?qū)崟r操作系統(tǒng)上運行，應(yīng)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(yīng)需求。

為實現(xiàn)對雷達應(yīng)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(gòu)以及DSP 處理器等硬件平臺的支持，集成這些平臺相關(guān)的軟件開發(fā)工具，以實現(xiàn)雷達應(yīng)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(gòu)中，強調(diào)對雷達業(yè)務(wù)各子功能的組件拆分與設(shè)計，以實現(xiàn)相應(yīng)組件在多個雷達間復(fù)用，并支持雷達業(yè)務(wù)的快速按需定制與開發(fā)，因此開發(fā)環(huán)境將提供相應(yīng)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(wù)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(yīng)用開發(fā)的需要。

此外，雷達業(yè)務(wù)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(lǐng)域應(yīng)用的開發(fā)，開發(fā)環(huán)境采用層次化的技術(shù)架構(gòu)，分為3 層：基礎(chǔ)環(huán)境層、插件擴展層和功能支持層，技術(shù)架構(gòu)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(shè)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(shù)架構(gòu)

基礎(chǔ)環(huán)境層包含了通用平臺應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境、嵌入式平臺應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境，提供雷達業(yè)務(wù)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(chǔ)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(wù)支持插件，用以支持多種特定應(yīng)用功能的開發(fā)。功能支持層是在前兩層基礎(chǔ)上，面向雷達應(yīng)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(gòu)，在功能模塊與硬件平臺之間構(gòu)建出多層抽象和架構(gòu)，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(gòu)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(yīng)不同應(yīng)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(shù)規(guī)范，規(guī)范雷達軟件的系統(tǒng)設(shè)計和需求分析，支持航天測控雷達可根據(jù)不同任務(wù)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。