航天測控雷達標準化信息處理平臺架構研究

黃璐 孫斌 華煜明 金勝

（北京跟蹤與通信技術研究所， 北京， 100094）

1 引言

航天測控雷達主要用于對運載火箭、 航天器的飛行軌跡 （或軌道） 和目標特性參數進行跟蹤測量， 為評定飛行器的技術性能和精度、 改進設計和定型提供數據， 為安全控制系統實時提供安全信息， 為應用系統提供有關數據等[1]。 為了更有效地提高雷達的可靠型、 維修性、 保障性及操作使用性能， 在全壽命周期內最大限度地發揮雷達設備的使用效能， 并能及時運用當今科技創新的最新研究成果不斷提升其性能， 雷達系統有必要采用標準化的、 開放式的系統架構。 從國內外電子設備開放系統實現的技術途徑來看， 支撐開放式體系架構的標準化通用信息處理平臺是其中的核心部分， 也是支撐雷達業務功能滿足不同應用需求的基礎。

為滿足航天測控任務的多樣化高標準需求，航天測控雷達逐漸表現為系統復雜、 造價昂貴、使用率高等特點， 傳統的根據應用需求和使用場合專門定制的雷達信號處理系統設計方法顯得越來越繁瑣和不實用。 這種雷達信號處理系統的設計方法雖然針對性強、 性能較好， 但設計周期長， 靈活性差。 根據雷達信號處理系統的特點，利用標準化的硬件平臺， 將雷達信號處理系統進行模塊化的設計逐漸成為時代主流。

新一代航天測控雷達尤其是采用數字陣列體制的雷達， 信號處理系統正向著標準化 （模塊化）、 可擴展、 可重構、 可升級的方向發展。 目標回波信號經數字采樣后， 全部由雷達綜合信息處理平臺進行軟件化處理。 但受芯片生產工藝制約， 處理器主頻的提升顯得略為滯后， 因此多核處理器以及多處理器并行處理成為進一步提升系統處理能力的有效手段。 總的來說， 新一代航天測控雷達對后端硬件平臺的性能提出了以下需求： ①大帶寬、 大容量、 海量運算的應用需求；②具備分布式計算、 協同處理能力； ③能夠動態部署、 管理多個節點； ④具備模塊化、 組件化、開放架構等特點。 為此需以統一的硬件平臺和統一的軟件架構為基礎， 以標準化總線結構和傳輸協議實現內外層數據交換， 通過軟件實時加載實現體系先進開放、 硬件規范統一、 功能柔性重構的目標。

本文結合航天測控雷達的任務特點和具體的應用需求， 按照標準開放體系架構的總體設計思想， 設計提出航天測控雷達標準化綜合信息處理平臺的新型架構， 并明確總線結構、 數據交互模塊、 通用處理模塊等關鍵硬件實現方式， 為雷達信號處理、 數據處理、 管理控制、 應用規劃等提供一體化的綜合性平臺， 實現高性能實時計算和高速數據傳輸， 滿足航天測控雷達高實時性和大容量數據處理需求。

2 總體考慮

隨著雷達數字化、 軟件化、 多功能一體化的發展， 出現了信號處理和數據處理融合、 監控和資源管理融合的發展趨勢， 統一的高性能信息處理平臺將采用軟件模塊實現所有雷達信息處理任務。

針對這種趨勢， 雷達將可分為兩大核心組成部分： 射頻前端和后端通用信息處理平臺， 如圖1 所示， 系統架構簡潔， 集成度高。 雷達系統性能的升級、 功能的重構主要圍繞這兩大核心組成部分進行。 前端形成了雷達系統的功率孔徑， 決定了雷達的探測能力； 后端實現了信號的產生、 處理等功能， 采用統一的通用處理模塊并結合相應功能的軟件模塊來實現雷達信息處理。 模塊間通過通用的交換模塊完成數據交互， 實現雷達系統探測報告的生成。 前端和后端處理進一步細分為多個模塊， 每個模塊分別履行獨立的功能， 模塊之間定義標準的接口。 平臺所有模塊均基于開放式、 標準化硬件處理平臺實現， 并具備較強的運算處理能力， 滿足處理需求， 同時具有統一的軟件化開發環境， 能夠實現軟硬件解耦合， 支持面向應用的開發方式， 提高開發效率以及軟件可重構能力。

圖1 雷達系統總體架構示意圖

因承擔的具體任務不同， 不同型號的航天測控雷達在功能要求、 探測目標類型、 使用要求、接口設計等方面各不相同， 因此， 航天測控雷達標準化信息處理平臺應將各種異構處理器、 存儲、 網絡等資源以模塊的形式通過標準靈活的互聯方式組合成分布式計算集群。 充分利用DSP、FPGA、 CPU、 GPU 等異構處理器的計算特征，為雷達應用中具有不同計算類型的業務提供相匹配的計算能力， 并支持不同類型的靈活互聯模式， 以較高的性價比實現各種測控任務所需的功能性能、 可重配置、 故障隔離等特點。

平臺主要由通用模塊和標準總線組成， 如圖2所示， 各模塊間采用廣泛使用的統一的工業標準作為各模塊間的互聯標準， 提高模塊互聯、 互通和互操作能力， 整個平臺具有架構統一、 模塊接口標準、 擴展靈活、 系統裁剪方便等特點。 根據此架構， 標準化信息處理平臺由一系列開放式、標準化模塊組成， 主要包含通用處理模塊、 數據交互模塊、 接口模塊、 電源模塊。 其中通用處理模塊主要完成雷達一體化綜合信息處理， 包括DSP、 FPGA、 CPU、 GPU 等[1]。

圖2 標準化信息處理平臺架構

3 總線結構

總線是嵌入式平臺的重要組成部分， 決定了該類平臺的通用化、 系列化和模式化水平[2]。目前信號處理平臺多采用高速串行總線。

VPX 標準是一個系統級標準， 適合應用于軍工、 航空航天和高端工業數據處理平臺等對計算性能、 數據傳輸速率、 系統功耗散熱及尺寸重量要求比較苛刻的場合。 2010年， VITA （VME International Trade Association， VME 國際貿易協會） 組織在VPX 標準基礎上制定了OpenVPX（VITA65） 標準， 重新定義了系統級的兼容框架， 在背板結構、 系統管理、 交換互聯和互用性方面做了很多修改和補充， 使不同廠家產品之間的兼容性大大增加。

航天測控雷達信息處理的特點是實時性強、數據量大， 帶來高性能計算和高速數據傳輸的需求， 適于采用多處理器并行技術和高速串行數據傳輸技術搭建通用信息處理平臺， 因此， 航天測控雷達的信息處理平臺架構宜采用OpenVPX 總線結構。

4 數據交互模塊

數據交互模塊主要完成多個通用處理模塊、接口等模塊之間的數據交互， 考慮資源管理和調度的需求， 所有模塊之間應實現任意互聯互通，并遵循相同的數據傳輸、 交換協議。 根據功能用途的不同， 數據交互模塊可分為4 種協議或標準： 時序控制協議、 任務管理協議、 健康管理協議和數據交換協議。

a） 時序控制協議：主要用于強實時性要求的時鐘、 雷達工作時序、 同步控制信號等數據的傳輸與分發， 傳輸延遲在ns 量級， 可采用TTL、LVDS、 MLVDS、 BLVDS 等電平信號傳輸。

b） 任務管理協議：主要用于系統任務下發、資源管理與調度、 動態重構、 軟件重加載、 固件燒寫、 任務狀態等信息傳輸， 數據率在數十Mbps 量級， 傳輸延遲在ms 量級， 通常采用千兆/百兆以太網協議標準。

c） 健康管理協議：主要用于系統內各硬件模塊的電壓、 溫度等BIT 信息收集， 以及系統復位、 重啟等指令的下發等， 數據率在Kbps 量級即可， 通常采用CAN 總線等協議標準。

d） 數據交換協議：主要用于寬帶、 較低延遲的高速數據交換， 數據率在Gbps 量級， 傳輸延遲在μs 量級， 目前常用的板間和設備間的高速互聯協議主要有 PCI Express （ PCIe） 、RapidIO、 以太網、 光纖通道 （Fiber Channel，FC）， 各協議有各自的適用范圍和優缺點。

PCIe 是一種基于數據包的串行連接總線， 其結構簡單、 成本較低， 但擴展性較差， 當連接多個設備時， 有效帶寬將大幅降低， 傳輸速率降低， 且存在線間干擾。 RapidIO 是由Rapid IO 行業協會支持開發的世界上第一個嵌入式互聯國際開放標準[3]。 具有高性能、 高可靠性、 低時延、低引腳數的特點， 串行Rapid IO （SRIO） 接口可實現高性能DSP、 FPGA、 微處理器或與背板之間的高速串行互連。 以太網是在以太網物理層上建立的軟件協議， 最適合對時延要求不高的設備間應用， 或帶寬要求較低的板上/板間應用，是使用最廣泛的通信協議標準， 其優點是結構簡單、 工作可靠、 易于擴展、 傳輸距離遠等。 FC是以光作為信息的載體， 以光纖作為傳輸媒質的高速傳輸的方式， 其數據傳輸率可以達到10Gbps， 以銅纜或光纜為傳輸介質， 最大傳輸距離可以達數十公里， 具有損耗低， 傳輸速率高，傳送距離遠， 可自定義協議等特性。

因此， 為滿足新一代航天測控雷達對后端硬件平臺提出的高性能需求， 綜合考慮以上各種互聯協議的優缺點， 數據交換協議可采用FC 協議實現外層數據交換， 以SRIO 或以太網實現內層數據交換。

5 通用處理模塊

通用處理模塊根據處理器的不同可分為DSP處理模塊、 FPGA 處理模塊、 CPU 處理模塊、GPU 處理模塊等。 考慮應用場景需要和芯片技術發展趨勢， 需選擇適合的處理器和處理器組合構建雷達系統的硬件平臺。

DSP 即數字信號處理器， 是一種適合于進行實時數字信號處理運算的微處理器， 其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法， 特點是多級流水， 可以加快數據處理的速度， 且功耗較小， 通常在0.5W～4W， 很適合嵌入式系統。

FPGA 即現場可編程門陣列， 屬于可編程邏輯器件的一種， 是邏輯門電路陣列[4]， 它既繼承了門陣列邏輯器件密度高和通用性強的優點，又具備可編程邏輯器件的可編程特性。 FPGA 具備嵌入式系統所需要的幾乎所有高速通信接口能力， 并可以實現更高效率的數據運算、 協議轉換和各種邏輯信號的產生等， 適合做邏輯控制， 但其編程實現較為麻煩。

CPU 即中央處理器， 內部結構包括控制單元、 邏輯運算單元和存儲單元三大部分。 其標準化和通用性較好， 支持操作系統， 所以以CPU為核心的系統方便人機交互以及和標準接口設備通信， 非常方便而且不需要硬件開發， 但其實時性較差， 功耗大， 通常在20W 以上。

GPU 即圖形處理器， 是由許多小而專業的內核組成的處理器， 通過多線并存工作特性， 可以在多個內核之間劃分和處理任務， 常采用具有高性能顯卡的嵌入式計算機實現， 其中三維顯示能力對計算機性能提出了較高要求， 目前國產化GPU 由于顯卡性能、 底層軟件支持、 處理能力的限制距離航天測控雷達的應用需求仍有差距。

對于相控陣體制的航天測控雷達而言， 數字波束形成 （DBF） 通常需要完成多達數百上千個接收通道數據的接收和加權合成處理， 需要極高的數據通過率， 目前高性能CPU 是無法滿足要求的， 需采用大規模FPGA 實現IO 接收和并行邏輯運算。

不同類型、 不同數量的通用處理模塊均作為運算資源進行統一管理和調度， 信號處理、 數據處理、 測量控制、 成像處理、 目標識別、 對抗處理、 數據采集記錄、 狀態監控、 資源管理、 顯控處理、 數據交互等處理任務均以軟件模塊的方式存在， 映射到不同類型的通用處理模塊上， 完成相應的雷達處理任務。 所有通用處理模塊采用統一的結構形式和互連標準， 從而真正實現不同廠家的各類模塊互連、 互通和互換， 同時可根據不同任務的需求對各類模塊進行任意組合和規模擴充。

根據系統對各階段數據處理能力和實時性的不同要求， 可將通用處理模塊分為3 類處理節點： 基于高速大容量FPGA 的DBF 處理節點完成多路數字波束形成； 基于高性能DSP 或FPGA的信號處理節點完成大量重復的規律性運算； 基于通用高性能計算機的信息處理節點完成多任務處理、 管理和通信。 這樣的組合可以大大提高各節點的運算能力， 減少系統體積， 計算節點可以靈活有效的按需擴展， 單個計算節點故障不會影響系統運行。 除了3 類處理節點外， 還包含一個監控與管理單元， 負責對系統相關命令的解析、平臺內各個部分的監控維護、 實現對計算節點資源的任務調度和管理等， 確保系統可靠有效的工作， 確保計算任務有效的分配。 通用處理模塊架構見圖3。

圖3 通用處理模塊架構示意圖

6 結束語

本文研究建立的航天測控雷達標準化信息處理平臺架構， 可對雷達的硬件資源進行集中管理和按需分配， 為雷達信號處理、 數據處理、 任務管理、 應用規劃提供一體化的綜合性平臺， 貫穿雷達信息獲取、 表示、 存儲、 分發以及綜合處理流程的全過程， 實現高性能實時計算和高速數據傳輸， 滿足航天測控雷達高實時性和大容量數據處理需求。 下一步將重點研究建立相關的標準規范， 以及基于標準化信息處理平臺的軟件標準與技術規范， 規范雷達軟件的系統設計和需求分析， 支持航天測控雷達根據不同任務需求進行形態靈活重構和功能便利升級。