船載綜合射頻開放式體系架構技術研究?

王首斌 徐 超 王慶生 沈 良

（中國電子科技集團公司第三十六研究所 嘉興 314033）

1 引言

隨著科學技術的發展，艦船需要適應更加復雜的海上電磁環境，并通過射頻系統實時掌握瞬息萬變的目標態勢，實現多鏈路的指揮通聯以及復雜的電子頻譜攻防。這對射頻設備的種類、數量、功能和指標有了更高的要求。但裝備大量孤立的、功能單一的射頻設備，不僅給船平臺增加了負擔，而且影響船體的隱身性設計，甚至引起射頻設備間嚴重的電磁干擾，使設備無法正常工作。為了獲得更高水平的功能、性能和互操作性，西方各國首先提出了船載綜合射頻的概念［1～3］。其目標是利用集成式孔徑天線和射頻設備進行有效整合，代替原有的孤立天線和設備，實現包括雷達、通信、電子戰等多種射頻功能的集成，分頻段地在有限空間內與船體平臺有機地融合，充分利用和發揮船平臺、作戰系統和射頻設備各自的優勢，提高整體綜合效能。船載綜合射頻技術已成為提高艦船作戰能力和生存能力的重要途徑之一，也是目前水面艦船發展的重點研究方向［4～6］。

2 需求分析

為了系統功能的可重構、可擴展，并體現標準化、模塊化的特點，系統的總體架構設計要遵循一定的原則，具體而言，在軟硬件架構設計時，考慮以下幾個方面。

1）系統內外部的協同性

綜合射頻系統需要研究的不僅是系統構架的演變進化，更為迫切的是突破傳統模式下各類設備間的功能獨立性，應將提高綜合效能為根本出發點，統籌優化系統內部與外部資源配置，設計跨平臺的多種功能間的相互協同支持［7］，以期從高層次新角度策劃效能增長的新途徑。

2）系統體系架構的開放性

系統體系架構強調開放性和功能可重構，系統功能的靈活可擴展，共用并優化硬件資源，根據任務需求調度資源實現多類功能。通過加載不同的功能軟件可以實現不同的應用功能，并且通過算法迭代開發，實現對軟件的便捷更新，可以升級、重新定義射頻資源的應用功能，極大地延續系統的技術生命周期［8］。

3）系統組成模塊化和標準化

基于軟件無線電技術的多模式、可重構特性，系統軟硬件組成應實現模塊化和標準化［9］。系統的體系結構，無論在機械結構還是在電氣特性、軟件調用和數據接口等方面都應該注重模塊化和標準化的需求。例如不同的處理平臺和承載能力，只影響處理系統的規模，而不會改變系統軟硬件體系結構。這種統一的硬件體系結構，為軟件和功能的靈活性構建提供了基本支撐。

4）系統功能由軟件定義

系統在標準化的軟硬件結構支撐下，各項功能在復用硬件資源的條件下，具體實現由軟件定義。對射頻信號進行數字化，通過軟件編程極大地提高了系統的靈活性。通過軟件可實現系統的硬件資源靈活調度和控制，以及核心信號處理功能，如寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字下變頻、調制解調、信道均衡、信令控制等。同時，軟件支持后續以加載方式進行更新升級。

3 技術途徑

3.1 總體架構

在射頻系統架構方面，除孔徑集成技術外，需加強系統頂層設計，一體化考慮和設計綜合射頻系統，采用數字相控陣、寬帶T/R組件、高速大容量總線傳輸、通用化信號處理等新技術，使系統可根據不同的工作模式，對孔徑、信道、處理等資源進行分配和重構，以適應系統對不同信號帶寬、工作頻點、發射功率、接收增益、波束指向等具體要求。此外，充分利用軟件無線電技術實現硬件模塊化、功能軟件化、動態可重構。不同的射頻功能在射頻部分形成系列化和標準化的天線孔徑、寬帶T/R組件；在數字部分尤其是信號處理，實現軟/硬件解耦合，有統一的信號處理、計算和存儲平臺，通過不同的軟件模塊加載來實現不同的射頻功能。

為滿足綜合射頻的多功能需求，并且推動其在系統架構上的優化演進，綜合集成考慮：1）采用“全向+定向”結合的多功能射頻工作模式；2）遵循“模塊化射頻前端+分布式信號處理+集中式公共計算”、“信號層傳輸網+信息層傳輸網”的“三層兩網”系統總體架構，如圖1所示。

圖1 低頻段綜合射頻集成總體架構

綜合射頻總體架構統籌相關射頻裝備的技術共性，涵蓋雷達、通信、電子戰、識別導航等多種功能，其設計原則和技術特點如下。

1）按頻段集成共用天線孔徑，將射頻信道以系列化組件形式集成于天線根部，以提高射頻前端通用性，減少艙內機柜數量；相控陣面采用數字波束形成、子陣功能重構、天線極化和發射功率控制等技術，使收/發高效且靈活可配置。

2）以分布式的網絡架構，通過高速大容量光纖總線，將射頻前端與數字處理相分離，射頻部分更靠近天線前端，光纖替換傳統射頻電纜，減小射頻信號傳輸衰減；射頻信號實現數字分發，無需射頻/中頻交換網絡，系統配置靈活，裁剪或擴展便捷。

3）通用化嵌入式信號處理平臺采用軟件無線電的開放式體系架構，以統一硬件平臺實現，軟件按標準規范加載，動態可重構，實現軟硬件解耦合，支持第三方開發移植，支持將來先進功能的便捷升級。

4）系統具備高速數字接口，與上級系統進行高效的指控和數據交互，當工作模式變化時，系統可快速資源分配、重構以適應需求；具備時統、導航接口，可接入高精度時空基準，支持跨平臺的功能協同。

3.2 軟件架構

基于全艦公共計算設計思想構建系統的軟件架構［10］，將系統軟件的共性部分設計為一個集成框架，把系統內有關的各種處理算法、應用服務設計為組件，組件在框架基礎上進行組合以實現多種功能。因而將軟件架構從頂層劃分為兩個層次：軟件平臺層和應用軟件層，如圖2所示。

圖2 軟件架構的分層模型

軟件平臺層主要實現系統軟件框架，主要包括：操作系統、核心框架、分布處理中間件和邏輯軟件總線。操作系統主要實現本地系統引導、設備驅動、內存管理、進程管理、任務實時調度等功能。核心框架主要統籌管理所有組件，并約定統一的集成方式和接口規范。分布處理中間件實現各類操作系統和應用組件之間的消息通信和資源共享。邏輯軟件總線則負責各組件、中間和核心框架間數據交互方式和格式的標準規范。所有功能組件都建立在統一的邏輯軟件總線上，確保了功能組件在實現上與具體硬件以及操作系統解耦合，從而確保功能組件可以在不同平臺的硬件和操作系統平臺上移植、重組。

應用軟件層包括所有功能和算法相關的軟件。采用組件化的設計模式，可將外部射頻硬件、軟件算法等均按對象化表示，最終以組件形式集成組合實現多類射頻功能，如圖3所示。應用功能組件分成以下幾類：1）適配器組件：對應到非純軟件的組件上，用于以組件接口方式來實現對硬件的控制和訪問；2）信號處理組件：用于完成信號處理的算法集；3）信息處理組件：用于完成信息處理，其輸入來自于信號處理的結果，輸出是經過加工和整理后的結果，如信息融合、指控處理等；4）人機界面組件：用于顯示和控制各類射頻功能，需要與操作員進行交互。

圖3 組件化的設計模式

3.3 基礎保障

基于以上提出的系統架構，可以實現系統的開放性、標準化和軟件定義，但是對于系統內外部的協同性實現，仍然需要考慮系統的基礎保障，主要包括三個方面：時空基準、通信鏈路和信息融合［11］。

1）時空基準

綜合射頻系統內部，編隊級射頻系統之間的所有協同工作、信息融合均需要高精準的時空基準，這是一個極其基礎的保障條件。具體包括：高精度時統設備、北斗自定位設備、羅盤航向測量設備、慣導姿態測量設備等。隨著衛星導航技術的發展，時統自定位精度將可達1m量級，對于運動平臺位置更新率達10Hz以上；秒脈沖到達設備使用端精度達到10ns量級。在高精度的時空基準接入下，射頻設備在信號數模采集時便可標注精確的時間和空間信息，這是后續數據融合和功能協同的必要前提。

2）通信鏈路

跨平臺的協同工作和信息共享，需要實時強、傳輸寬帶大的通信鏈路支撐。這個通信鏈路應具備較高的通聯能力和網絡穩定性，通信基本功能由底層作封裝，對于操作員而言，不需要關心底層的通信連接控制與網絡維護，只需要進行應用層的實際使用操作即可。面向將來，需構建可面向編隊多平臺射頻協同服務的海上柵格網，支持平臺隨遇接入、信息自動路由、業務綜合承載、傳輸安全保密和資源綜合管控，滿足海上各節點數據信息的傳輸共享。

3）信息融合

船平臺需要融合所有射頻設備的態勢信息，包括來自有源/無源探測、敵我識別、導航等多種信息數據；并且在編隊協同情況下，需接入空/天/岸等信息來源進行態勢信息的更高級融合，并將融合后的態勢情報共享給綜合射頻系統。這類海上精確態勢將是射頻系統十分必要和有效的先驗信息，待系統工作過程中再實時動態調整該態勢信息，依次逐級往上動態迭代更新，確保信息融合的實時性和準確性。屬于信息融合JDL模型中的第4級“過程優化”，即通過信息反饋，訓練信息融合過程和參數，以提高實時性和準確性［12～13］。

4 技術優勢

系統架構以軟件無線電技術為核心，實現射頻數字化、硬件通用化、功能軟件化、軟件構件化和計算公共化等設計思想，并表現出以下技術優勢。

1）從傳統的硬件為核心走向軟件為核心

系統體系架構中硬件是通用和標準的（傳統體系架構硬件是專用的），其功能完全由加載的軟件來實現。因此，這種體系結構不僅能在統一的硬件平臺上通過軟件實現不同的應用功能，而且通過軟件升級和更新可以應對不斷變化的使用需求和新的信號環境，不斷提高設備的技術特性，延長系統的全壽命周期，充分體現了數字化可重構開放式體系架構的柔性化特征。

2）從傳統的任務單機為基礎轉變為通用模塊為基礎

系統體系架構中以射頻收發和通用信號處理模塊為關鍵部件，而且這些模塊的外部機械接口和電氣接口完全標準化、通用化，為綜合射頻裝備實現貨架式產品研制與規模化生產奠定了堅實的基礎，不僅能有效提高裝備質量降低開發成本，也為設備使用和維護保障帶來極大便利。

3）可擴展或裁剪的系統靈活性明顯提高

系統體系結構采用了以通用化模塊為核心，以標準接口和標準總線為基礎的設計思想，不僅能很好地適應不同規模的裝備需求，而且只需增加相應頻段的射頻前端就能實現頻段擴展，只需添加信號處理模塊就能提升收發處理能力。所以，該體系結構充分體現了可發展演進的設計思想。

4）同時應對多目標和多任務的能力增強

系統體系結構組成的射頻模塊和信號處理模塊都是通用的、標準的，從而可以實現資源共享。這樣通過資源的合理調配就可以靈活應對多個威脅目標或執行多個復雜任務。

5 結語

船載綜合射頻系統發展受到越來越多的關注，本文在分析系統需求的基礎上，提出了一種基于軟件無線電為核心的開放式體系架構，可為射頻系統發展提供參考。后續需要針對具體射頻功能，對系統架構進行進一步的完善，尤其是在資源管理調度、電磁兼容管控等方面。