雷達系統功能分解和組件復用技術研究

段 平

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

“軟件化雷達”是具有標準化、模塊化、數字化技術特點的新型雷達系統，具有開放式體系架構，可以適應“面向實際需求，以軟件技術為核心”的開發理念，以軟件化開發模式靈活地實現系統擴展、更新和升級。

通過對軟件化雷達技術的深入研究應用，有助于縮短雷達裝備研制周期、降低裝備研發和全壽命維護費用，實現方便新技術植入、快速響應不斷變化的任務需求目標。

系統架構是指系統的功能、軟件和硬件組成及組成之間的關系(百度百科)。開放式架構最重要的特點是“開放”，什么是“開放”？“開放”什么？怎么“開放”？是一個非常值得研究的問題。本文從雷達系統功能分解和功能模塊界定以及關鍵接口制定的角度，闡釋開放式架構的內涵。

1 功能分解和模塊界定的意義

軟件化雷達技術采用開放式架構，打破封閉、壟斷的研發模式，推崇多方合眾方式完成雷達系統研發。開放的系統架構可以直接帶來多個團隊共同參與，公共組件多次復用，利用COTS技術和產品提升能力，新技術快捷植入等好處。

系統架構是指系統的組成與組成要素之間的關系，所謂開放式系統架構，就是將系統分解成行業內具有廣泛共識的功能模塊，明確界定模塊的內涵，定義模塊的接口，并在行業內廣泛發布，得到功能模塊可多方獲得、多項目復用的得益。系統功能分解和模塊界定決定了系統開放的程度，決定了參與行業與專業范圍，決定了系統組成要素直接復用和借用的廣度。

合理的功能分解及明確的模塊功能界定，有利于實現系統功能的解耦，有利于實現對各個功能模塊的接口定義，以及接口規范制定。將系統抽象成多個“功能獨立、關系松耦合”的功能模塊，有利于實現開放。

這里“開放”的是功能分解的原則，是模塊的功能內涵，是模塊的接口標準。通過制定涵蓋上述內容的相關標準規范，全行業發布、執行，才能夠實現開放式系統的建立。

2 功能分解和模塊界定的原則

2.1 松耦合原則

開放式系統在構建時應當遵循功能“高內聚”、關系“松耦合”原則進行系統功能分解，核心是將處理與控制進行“松耦合”分解。所謂“高內聚”是指系統組成要素內部功能內聚，每個功能模塊只完成某項單一、特定的功能；“松耦合”是指各個功能模塊之間交互關系少，最好只存在數據的輸入輸出級聯關系，盡量減少相互之間的交叉、反饋依賴，即上一級模塊的輸出作為下一級模塊的輸入，上一級模塊的輸出不依賴下一級模塊的輸出，避免形成兩級模塊之間產生交叉反饋。

2.2 層次化原則

層次化分解設計原則是指在系統分解時應當遵循自頂而下分層分解。依據系統任務功能需求，首先將系統分解成分系統級別的組成，然后對各個分系統再進行模塊級別的分解(稱為分子組件)，最后對模塊進行組件級別的分解(稱為原子組件)。在一個系統中各個分系統級組件相互獨立，基本不具備可復用性；分子組件由原子組件組合而成，每個分子組件均符合功能“高內聚”原則，可復用性較強；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現基礎，可復用性最強，可組合成為各種完成獨立功能的分子組件。

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集成，是為了提高功能模塊的復用度，降低系統集成的難度，進而提高系統的成熟度和穩定性。軟件化雷達系統集成是基于雷達任務實現的功能模塊集成，追求系統綜合能力的提升，以功能模塊集成最優化性能系統。只有功能模塊分解的“粒度”規模合適，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用；難以形成大量可復用單元，導致參與門檻較高，系統集成簡單高效，但不利于模塊復用。粒度過細，導致組成系統的內部接口眾多、邏輯關系復雜，造成系統集成難度增大。

合適粒度的功能分解，同時兼顧可復用性和低耦合度，結合層次化的設計實現，收到既便于組件研制可多方獲得、多項目復用的得益，又可降低系統集成的復雜度，提高系統集成效率。

原子模塊粒度小型化：小“粒度”架構設計一種高端體現，可以將功能相近或相同的小“粒度”個體在大的層面進行資源整合；開放的小“粒度”設計可以支撐任意層次的靈活組合。

分子模塊“高內聚、低耦合”：盡可能將功能聯系緊密、專業相同、相近原子模塊構成分子模塊，可以簡化更高層面的設計。

2.4 可復用原則

采用開放式系統架構希望獲得的一個重要得益就是模塊的可復用性，利用可復用的軟硬件模塊可快速集成新系統，避免“重復造輪子”。模塊的可復用性是開放式系統構建中的一個重要原則。在模塊或子系統研制、開發的初始，就需要遵循開放式系統構建原則，考慮模塊的可重用性，只有這樣這些模塊或子系統才能在未來的產品中重用。可以這樣說，靈活性和開放性甚至比暫時的性能優異更為重要，在設計之初就必須先考慮清楚系統的硬件、軟件、人-機接口和機-機接口的開放性。

3 功能分解和模塊界定方法

3.1 功能-專業-實現“體”式功能分解法

系統結構是組成及組成之間關系的描述，組成的劃分與系統結構有密切的關系。長久以來，雷達裝備是按功能“線”劃分系統組成的，即：信號產生-放大發射-輻射-接收-變換-信號處理-數據處理-顯示控制等，每一部分都是一個軟硬件緊耦合的實體，這種劃分從滿足應用角度來看是合理的。但這種方式未能考慮專業和實現方式，各個環節看似獨立，其實各部分之間還存在很多公共的元素未能提取出來，對于開放性實現也難有幫助。比如信號產生和接收機內都會有變頻環節，信號產生一般為上變頻，接收機為下變頻，其實電路的實現基本相同；在信息處理環境問題更加突出，各個環節都需要處理硬件，造成了大量重復。

可考慮采用功能-專業-實現“體”式劃分組成，這樣可以有效兼顧組成模塊功能內聚性、專業內聚性和物理實現的內聚性，從而保證模塊具有良好的可擴充性和重組特性，適應專業細分的“擴容”和一體化的功能“融合”，有利于研發、設計資源的優化配置。

這種劃分最典型的例子就是國際標準化組織的開放式系統互連模型(ISO/OSI)，通過功能分解、分層專業化和實現上的分解與合并，確保最優的開放性。

3.2 功能分解與組件實現分離

功能分解與組件實現分離方法是指功能分解時盡量細分，組件實現時可以依據設計、工藝、制造、使用條件適當組合實現。將組件的實現和組件的集成分離，“制造”組件時從功能、專業和實現多維度綜合考慮細粒度劃分，使可復用組件兼顧功能內聚、專業內聚和技術實現內聚，改善組件研制的開放性，提升組件的復用程度。系統集成使用組件時，根據具體情況將細粒度組件分級組裝成合適粒度應用組件。例如，由于技術和工藝的進步，瓦片式數字子陣將天饋線、收發和波束波形控制功能集成在一起，各部分功能不同，但專業和實現方式相近，集成后個模塊功能依然存在且相互獨立，可以復用許多功能電路。對于雷達信息處理環節，各環節功能是相互獨立的，專業有所不同，但載體和技術實現方式相近。在功能分解時可以將模塊劃分到基本運算函數級別，在裝配使用時再由不同專業人員分級組合成各種分系統應用直至雷達任務應用組件。

3.3 功能模塊接口的確定方法

如何對功能模塊接口進行標準化規范，以確保得到多數人認可的開放性，是一個重要的問題。可以從共識度、發展趨勢是否明確，相應成熟COTS產品與技術的數量等方面研究確定接口。接口的標準規范化同樣影響開放的程度，可從物理連接電氣標準、網絡傳輸控制協議、信息表示與會話等多個層次進行規范。若某個層次得不到統一，則兼容并存幾種，但需統一其API，確保其上層應用的統一和可移植。

同時還需要對軟件層次之間，同層模塊之間，上下層次模塊之間接口的實現進行約束，形成上可調下、下不可調上，同層模塊可互調，同層調用接口界面統一等利于擴展升級和新技術成果能及時植入等形態。

對于雷達天線陣面內的純硬件和軟硬件復合類功能模塊接口，可規范其接口傳輸信息內容，對接口物理標準不宜做硬性規范。

對于純軟件模塊的接口，由于模塊采用了多級分層分解，接口按照組合層次逐級繼承。分系統應用繼承相關分子組件接口；分子組件繼承相關原子組件接口；原子組件接口采用國際通用的VSIPL標準規范，由此可實現所有層級應用組件的高效跨平臺移植，實現純軟模塊的軟硬件解耦。

4 軟件化雷達海基驗證平臺功能分解實踐

按照上述原則和方法，對軟件化雷達海基驗證平臺進行了功能分解實踐。首先將驗證平臺分解為天饋線、收/發、微波源、波束波形控制、傳動伺服、信號處理、數據處理、資源管理控制、顯控終端等分系統。圖1為分系統間的信息流和控制流關系。

圖1 分系統間的信息流和控制流關系

繼續將各分系統進一步分解成如表1所示的功能模塊類。

表1 分系統功能模塊表

最后將部分功能模塊繼續分解成為分子級的可復用模塊，純軟的分子級模塊最終由原子級的標準算術和信號處理函數庫支撐。整個海基驗證平臺分層分解如圖2所示。

圖2 海基驗證平臺分層分解

在實現時各模塊會進行不同程度的集成，但各自功能仍然存在且相互獨立，只是在物理上形式上將多個功能模塊集成在了一起。由于信號處理、數據處理、資源管理調度控制、顯控終端等均采用數字化處理，目前已具備構建統一的信息處理平臺，采用集中或分布處理的方式，將這些功能模塊進行集成的條件。集成后各個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容，不用關心具體物理接口形式，采用數據流驅動的方式實現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提供。

上述分子級組件在實現層面應當遵循可復用設計方法，將數據輸入、輸出接口和參數配置接口獨立出來，采用通訊中間件(如DDS)將接口進行標準化封裝，規范組件間傳遞內容和數據表達格式，封裝測試后的組件進行出入庫管理，實現組件在不同雷達系統中的共享和重用，進而實現知識和專有技術的有效傳承。

5 結束語

系統功能分解和模塊功能界定是構建開放式系統的基礎。本文針對軟件化雷達技術提倡的開放式系統架構和組件復用相關技術進行了研究，提出了符合開放式架構思想的雷達系統功能分解的原則和方法，最后提供軟件化雷達驗證平臺實例給出了系統功能分解的實施步驟和最終成果。希望可為我國軟件化雷達技術的深入研究和技術實踐提供一定參考。