航天測控雷達標準化開放式信息處理軟件架構研究

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（軌道、姿態等），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，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[1]。

近年來，隨著我國航天事業高速發展，航天發射任務呈高密度發展態勢，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。但無論是傳統的模擬定制雷達，還是當前主流的數字化雷達，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功能按需擴展和性能便利升級，無法實現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、數字波形產生、數字化接收機以及高性能實時計算等技術的飛速發展，雷達系統技術進入了一個新的發展時期。例如數字技術高速發展，使得雷達系統的主要組成部分具有了可通過軟件化模式定義、開發和配置的能力；標準化和模塊化組件技術逐漸成熟，使得雷達各個系統的通用性得到了很大的提升；系統化集成技術逐漸成熟，大量商用貨架產品和第三方開發技術能夠融入系統中，使得雷達系統越來越具備開放性的條件。雷達系統支撐技術的發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展潛力。

本文基于標準化、模塊化、數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構設計思想，采用面向應用的開發方式，研究提出支持系統可重配置、形態靈活重構、功能便利升級的雷達標準化開放式信息處理軟件架構，實現雷達的整體研發模式從以硬件為核心向以軟件為核心轉變，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外的使用者訪問，只有相鄰的層次之間才能夠有接口調用。通過分層設計、系統的開發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、操作系統和數據通信層，具備互操作性和可移植性。

c）數據易訪問：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據描述語言，數據傳送符合標準化的發布/訂閱模式。

d）網絡中心性：所有本地配置和可控項均以網絡為中心開展業務，通過包含實時和非實時參數的外部接口可以訪問所有的關鍵數據產品。

e）軟件開發工具：軟件開發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、處理器體系結構和系統架構，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環境的測試。

h）故障診斷和校準：所有模塊/組件按照統一的系統測量方法產生校準數據，具有測量和報告實時狀態和故障情況的能力，并能為現場和離線診斷提供快速故障分析和性能歷史數據。

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升級。

2.1 總體架構

軟件架構包括底層軟件、集成框架、開發環境和應用軟件，如圖1 所示。其中，底層軟件、集成框架、開發環境等構成基礎軟件平臺，是雷達運行調度中心，為應用提供統一的接口和環境，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、系統控制、系統監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動、BSP（板級支持包，Board Support Rackage）、操作系統、數據庫等。硬件驅動、BSP 等通常由硬件供應商提供，為操作系統及中間件提供支撐。操作系統主要提供本地系統引導、內存管理、進程管理、任務實時調度等功能，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。通常操作系統和數據庫采用商用貨架產品。

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，用于實現系統中軟硬件資源的管理、集成、監控和重構[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監控；對應用任務、應用程序和組件等軟件資源的部署/監控/調度；面向動態需求實現軟硬件資源的重構。

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、狀態監控、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；狀態監控主要對軟硬件的運行和使用狀態進行監控；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、不同平臺上的組件提供數據、控制、監測信息的通信，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接口，為雷達應用的信息處理算法提供統一的基礎函數功能調用。

2.4 開發環境

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

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、模塊化的開發方式，具備跨平臺重用和移植能力，滿足處理平臺、操作系統兼容性要求，能在開發環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，主要提供系統資源管理、調度集成、應用運行管理、系統狀態監控和動態重構等功能。

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務軟件的開發以組件的方式進行。以這種方式開發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，共同協作完成信息處理業務功能。

軟件組件是可實現某種特定功能的獨立單元，但需要運行在特定的開發環境中，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，可以按接口規定的方式來使用組件，或與其他組件之間實現互操作。為了能與其他組件一起工作，需要得到其接口的細節[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：組件如何工作的定義，組件運行代碼；

c）描述：組件應用環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。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的細節，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。

航天測控雷達的業務主要有搜索捕獲、跟蹤監視、成像識別、特征獲取等，這些業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、數據產品生成、控制產品生成、雷達管理、用戶接口等功能組件。如以波形處理為例，搜索捕獲和跟蹤監視的波形處理組件在對輸入/輸出數據進行信號處理時的側重點就不一樣，前者更側重于探測目標的有無，后者側重于目標的定位。因此為實現任務快速部署、雷達業務快速切換的需求，有必要對每個業務的各個組件進行預開發。

業務組件的劃分，按照功能獨立、關系松耦合原則，將雷達業務劃分成可實現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，采用廣泛使用的統一工業標準作為各模塊間的數據接口標準，提高組件互聯、互通、互操作能力。

基于應用集成開發環境提供通用的組件模板，雷達應用開發人員完成所有雷達應用組件開發后，可在應用集成開發環境中構建自己的組件庫，從而在后續實現雷達不同的系統功能時能通過對不同功能組件的組合和集成，方便地實現復用，快速完成新系統的開發和驗證。根據航天測控雷達系統不同的功能劃分，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

基礎模塊是為實現組件化管理框架功能而開發的底層公共模塊，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：提供對域內各種邏輯設備中存儲資源、計算資源、帶寬資源等的統一管理，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：設備管理模塊根據節點和設備配置文件信息部署、啟動系統內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各種服務，包括事件服務、日志服務、分布式文件系統服務等。

4 開發環境

開發環境是用于雷達信息處理業務軟件的開發、集成和管理的軟件，支持所選處理器和操作系統下的應用軟件開發。通過集成應用開發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者和平臺管理者使用，實現工程管理、建模仿真、代碼編輯與編譯生成、系統模塊可視化配置與開發、在線調試、開發庫管理等功能，為雷達應用提供了基本的運行和開發環境。

開發環境的開發和選用，需綜合考慮應用軟件部署的硬件平臺、操作系統、應用運行支撐環境及應用自身特性等多方面因素。雷達信息處理業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實時操作系統上運行，應用運行支撐環境涉及通信中間件、計算中間件、集成框架等，它們都對開發環境提出了相應需求。

為實現對雷達應用開發的支撐，開發環境需支持或實現以下開發功能：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工具，以實現雷達應用在這些平臺的開發部署；②提供對操作系統的支持；③在開放式雷達體系結構中，強調對雷達業務各子功能的組件拆分與設計，以實現相應組件在多個雷達間復用，并支持雷達業務的快速按需定制與開發，因此開發環境將提供相應插件，以支持組件軟件組件的開發與集成；④通信中間件、計算中間件等中間件軟件為雷達業務軟件開發和運行提供了必不可少的支撐，因此開發環境需對其進行集成，并滿足基于上述軟件的雷達應用開發的需要。

此外，雷達業務軟件的開發需包含2 個階段：代碼開發和測試。因此一個完善的開發環境，不僅提供工程管理、代碼編輯與編譯以及調試等基本功能，還需提供建模仿真、系統配置、開發庫管理等高級功能。

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

圖4 開發環境技術架構

基礎環境層包含了通用平臺應用集成開發環境、嵌入式平臺應用集成開發環境，提供雷達業務的工程管理、代碼編輯、編譯等基本開發功能。插件擴展層在基礎環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、組件化開發支持插件和數據分析服務支持插件，用以支持多種特定應用功能的開發。功能支持層是在前兩層基礎上，面向雷達應用開發人員統一呈現的通用功能，包括工程管理、建模仿真、代碼生成、編輯編譯、仿真調試、系統配置、開發庫管理、交叉開發和圖形化遠程調試等。

5 結束語

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。實現了軟件系統的結構通用化、接口標準化、功能組件化和組織模塊化，可使雷達系統能夠基于軟件化開發模式，靈活地進行系統功能的定義、資源的調配、性能的提升和工作模式的擴展，靈活響應不同應用需求。后續將重點研究標準化開放式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，支持航天測控雷達可根據不同任務需求以軟件化開發模式靈活的實現系統拓展、更新和升級。