機載火控軟件化雷達關(guān)鍵技術(shù)研究

姜 明,湯 俊,譚湘林,楊雁麟

(1. 中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術(shù)研究所, 江蘇 無錫 214092) (2. 清華大學(xué) 電子工程系, 北京 100084)

0 引 言

軟件化雷達是具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和數(shù)字化技術(shù)特點的新型雷達系統(tǒng),具有開放式體系架構(gòu),可以適應(yīng)“面向?qū)嶋H需求,以軟件技術(shù)為核心”的開發(fā)理念,以“軟件化”開發(fā)模式靈活地實現(xiàn)系統(tǒng)擴展、更新和升級[1]。自20世紀(jì)90年代起,受到軟件無線電啟發(fā),在歷經(jīng)模塊開放式架構(gòu)(MOSA)及雷達開放式架構(gòu)(ROSA)[2-3]兩個發(fā)展階段之后,軟件化雷達迅速發(fā)展并得到應(yīng)用。比較典型的有美軍三坐標(biāo)遠程雷達、Ka波段機動式氣象雷達系統(tǒng)改造等。

目前,軟件化雷達研究方興未艾,相關(guān)的成果最先應(yīng)用于地面雷達的軟件化改造。在機載火控雷達領(lǐng)域,嚴苛的裝機條件決定其只能使用嵌入式處理平臺,“微秒級”的實時性要求對中間件設(shè)計、組件建模及劃分顆粒度、組件運行效率都提出了新挑戰(zhàn)。

本文將以機載火控雷達為例,研究強實時嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達所面臨的關(guān)鍵技術(shù)和驗證思路。

1 背景及需求分析

本節(jié)從機載火控雷達固有特點以及技術(shù)發(fā)展趨勢兩個層面分析其從“數(shù)字化”走向“軟件化”的迫切需求。

1.1 機載火控雷達固有特點

與地基、艦載等雷達不同,機載火控雷達在裝機條件、波形、功能、作戰(zhàn)環(huán)境等方面有其顯著特點,主要如下：

(1) 裝機條件苛刻,對體積、重量、功耗要求非常嚴苛。機載火控雷達通常采用嵌入式異構(gòu)處理平臺(運行不同的操作系統(tǒng)),計算密集度高。

(2) 波形復(fù)雜且切換靈活,機載火控雷達通常采用高、中、低三種脈沖重復(fù)頻率的波形,并且任意切換。對中斷響應(yīng)、組件運行效率、通信及任務(wù)調(diào)度的實時性要求非常高。

(3) 戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜、瞬變,由于本機高速運動,機載火控雷達將面臨更復(fù)雜多變的雜波環(huán)境和電磁環(huán)境。不可避免地需要在非常有限的處理資源和處理間隔內(nèi)完成復(fù)雜的雜波與干擾抑制、目標(biāo)探測和跟蹤任務(wù),處理實時性要求高。

1.2 機載火控雷達發(fā)展趨勢

除上述固有特點以外,機載火控雷達的發(fā)展趨勢包含了諸多軟件化因素,主要有以下四個方面。

(1) 微型化、高集成度趨勢：隨著射頻與數(shù)字器件制造工藝的進步,機載火控雷達正朝著超薄、超輕的智能蒙皮方向發(fā)展。其處理架構(gòu)也從基于DSP+FPGA+CPU的異構(gòu)環(huán)境[4]轉(zhuǎn)向基于SIP、GPU與AI輔助的多級分布式處理環(huán)境。為應(yīng)對這種變化,必須采用開放式架構(gòu)并通過多種中間件支撐應(yīng)用層軟件與硬件及操作系統(tǒng)的解耦。

(2) 編隊及體系化作戰(zhàn)趨勢：隨著多機型聯(lián)合作戰(zhàn)、有人加無人飛機編隊作戰(zhàn)、空/天/地/海體系作戰(zhàn)常態(tài)化。對雷達動態(tài)任務(wù)配置能力的要求越來越高,雷達系統(tǒng)具備優(yōu)異的動態(tài)配置、功能擴展與重構(gòu)及快速重建觀察、調(diào)整、決策、行動(OODA環(huán))的能力。

(3) 功能綜合化趨勢：隨著射頻器件的技術(shù)進步及多傳感器協(xié)同工作的需要,機載火控雷達正向探測/干擾/偵收/通信一體化發(fā)展。要求傳感器可快速“自我演進”,生成新能力,在故障時任務(wù)可動態(tài)重構(gòu)。

(4) 智能化、認知化趨勢：首先,隨著本機的高速運動,雜波也在更廣區(qū)域快速變化,呈現(xiàn)出雜波譜更寬,時間上非平穩(wěn)性,空間上非均勻性的特點。需要雷達從傳統(tǒng)的“時/頻/空域”雜波抑制轉(zhuǎn)向基于知識輔助和自主學(xué)習(xí)的智能化雜波抑制[5]。其次,未來戰(zhàn)爭對目標(biāo)識別要求更高。需要雷達從傳統(tǒng)雷達散射截面、高分距離像、微動特征識別轉(zhuǎn)向基于深度學(xué)習(xí)的智能目標(biāo)識別[6-7]。最后,無人/有人及體系作戰(zhàn)帶來更復(fù)雜、更寬頻段的電磁環(huán)境,干擾也更具欺騙性、靈巧性、智能性。需要雷達從“時/頻/空/波形”抗干擾轉(zhuǎn)向基于雷達/電子戰(zhàn)融合的智能抗干擾[8]。智能處理計算量大,只有最大限度地進行并行處理,才能滿足系統(tǒng)實時性需求。因此,必須將人工智能(AI)處理、并行處理支撐納入軟件化雷達開放式系統(tǒng)架構(gòu)。

綜上所述,無論從自身特點還是發(fā)展趨勢,機載火控雷達的軟件化進程既迫切,又面臨著諸多挑戰(zhàn)。“強實時、狀態(tài)多、切換靈活、軟硬件解耦困難”是其核心特征。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

基于上述分析,本文首先梳理軟件化雷達技術(shù)體系,然后針對強實時、嵌入式特性,研究本領(lǐng)域軟件化雷達迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

軟件化雷達的技術(shù)體系[9]共包含總體設(shè)計、基礎(chǔ)軟硬件、組件化開發(fā)、系統(tǒng)集成與驗證等四大類技術(shù),如圖1所示。

圖1 軟件化雷達技術(shù)體系

本文重點研究上述技術(shù)體系中與強實時嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的開放式體架系統(tǒng)、高性能中間件、組件建模與劃分、組件開發(fā)機制與集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、集成與驗證等技術(shù)。

2.1 開放式系統(tǒng)架構(gòu)

機載火控雷達是典型的強實時復(fù)雜系統(tǒng),開放式系統(tǒng)架構(gòu)是其具備優(yōu)異擴展性的基礎(chǔ),有效支撐雷達能夠快速響應(yīng)因復(fù)雜作戰(zhàn)場景導(dǎo)致的新軍事需求、快速融入新技術(shù)、快速形成新能力。機載軟件化雷達系統(tǒng)架構(gòu)除需滿足ROSA九大設(shè)計原則之外,還需關(guān)注以下四點：

(1) 支持智能認知處理的潛在需求;

(2) 具備通信、計算、存儲等多種中間件;

(3) 可適應(yīng)不同嵌入式強實時操作系統(tǒng);

(4) 可適應(yīng)DSP、CPU、GPU、SIP等處理器。

依據(jù)上述原則,結(jié)合ROSA2、軟件通信架構(gòu)等業(yè)界主流開放式架構(gòu)層次劃分標(biāo)準(zhǔn),強實時嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達開放式體系架構(gòu)如圖2所示,自上而下共分為應(yīng)用層、軟件環(huán)境層、硬件層。

圖2 強實時嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達分層體系

(1) 應(yīng)用層：主要實現(xiàn)雷達的各種功能,內(nèi)部又分為雷達任務(wù)、應(yīng)用(APP)、組件三個子層。

(2) 軟件環(huán)境層：包括集成框架、中間件、操作系統(tǒng)與硬件統(tǒng)一服務(wù)接口等。運行時服務(wù)為組件運行提供必要的服務(wù)支撐,包括實時數(shù)據(jù)訪問、并行處理框架(類似于OpenMP并行框架[10-11]、CUDA)等,中間件為組件提供通信、計算、存儲讀寫服務(wù)。

(3) 硬件層：包含陣面(前端)、處理(后端)。軟件化雷達的硬件須具備模塊化、易擴展、虛擬化、可軟件定義的特征。由于篇幅有限,本文不再詳細闡述。

2.2 輕量化/低時延中間件

中間件是實現(xiàn)軟硬件解耦的重要技術(shù)手段,機載火控軟件化雷達處理平臺是典型的分布式異構(gòu)嵌入式系統(tǒng),為兼顧軟硬件解耦與效率,需采取如下措施：

(1) 針對嵌入式處理器(尤其是DSP)內(nèi)部存儲有限且APP運行效率對存儲尤為依賴的特點,本領(lǐng)域的中間件應(yīng)具備輕量化、低時延特征,編譯后的庫文件應(yīng)能夠滿足內(nèi)存的限制和要求;

(2) 針對大帶寬、強實時信號處理的需求,單處理器內(nèi)部通信需采用共享內(nèi)存機制,避免內(nèi)存拷貝,跨處理器間通信應(yīng)該滿足高吞吐率要求;

(3) 針對嵌入式異構(gòu)處理環(huán)境的特點,中間件應(yīng)具備相應(yīng)的配置工具,通過界面端圖形化操作,自動生成有關(guān)配置文件,迅速、可靠的服務(wù)于不同處理規(guī)模的雷達。

綜上所述,本領(lǐng)域軟件化雷達中間件具有基于資源配置與映射、低時延、輕量化等典型特征。以通信中間件為例：首先,雷達內(nèi)/外通信形式種類繁多,比如高速串行傳輸總線、高速互聯(lián)技術(shù)(SRIO)、以太網(wǎng)等。其次,“信號級”通信時,對時延要求苛刻。“數(shù)據(jù)級”通信時,對通信質(zhì)量及服務(wù)模式有一定需求,因此必須采用混合異構(gòu)通信中間件,通常包含硬件抽象層模式(用于跨片信號處理通信)、消息模式(用于片內(nèi)信號處理通信)、訂閱與發(fā)布模式(用于數(shù)據(jù)處理通信)。然后,需要建立分層次的異構(gòu)通信中間模型,應(yīng)用不感知通信模式。最后,基于實時發(fā)布訂閱協(xié)議規(guī)范設(shè)置“端到端可配置通信”層,完成統(tǒng)一邏輯尋址及各種配置功能,如圖3所示。

圖3 強實時混合異構(gòu)通信中間件

2.3 組件的抽象與劃分原則

從邏輯上講,組件是具有若干功能和端口、對外提供參數(shù)配置/狀態(tài)獲取等接口、可圖形化描述、可被多種驅(qū)動形式調(diào)度的對象[12]。從物理上講,組件包含頭/源/靜態(tài)庫/動態(tài)庫/配置等一系列文件。如圖4所示。

圖4 組件的抽象與調(diào)度

圖5 軟件化雷達組件開發(fā)機制

功能與接口獨立、可即插即用、可圖形化設(shè)計與互聯(lián)是組件典型的特征。除代碼文件以外,組件還包含若干配置文件與收發(fā)、屬性配置、控制、監(jiān)控等接口,可對其外觀、依賴庫、屬性進行配置,確保不同工具設(shè)計的組件可互解釋、互連接。

組件作為具有類似功能集合的對象,是雷達功能復(fù)用的基本單位,雷達的各種工作模式由若干組件互聯(lián)實現(xiàn)。在強實時嵌入式領(lǐng)域,組件劃分的顆粒度至關(guān)重要,需要兼顧復(fù)用性、擴展性與運行效率,同時還需考慮實時操作系統(tǒng)的自身特性、組件串行/并行處理需求及部署便捷性。基于上述分析,組件劃分時可遵循如下原則：

(1) 組件執(zhí)行單元為任務(wù)(線程);

(2) 串行執(zhí)行的功能/算法通常作為組件內(nèi)部的功能函數(shù);

(3) 同一組件可在不同工程(應(yīng)用)執(zhí)行不同功能子集;

(4) 需要并行加速的算法通常單獨封裝在一個組件內(nèi)。

2.4 高效組件開發(fā)機制

基于組件技術(shù)的應(yīng)用開發(fā),其本質(zhì)就是模型驅(qū)動架構(gòu)在軟件化雷達上的應(yīng)用,其開發(fā)流程一般由系統(tǒng)需求分析、組件劃分與建模、組件設(shè)計以及組件部署與重構(gòu)四個部分構(gòu)成,如圖 5所示。軟件化雷達組件開發(fā)包括以下八個方面。

(1) 對系統(tǒng)功能進行需求分解;以工作模式為單位,確定其功能流圖;

(2) 根據(jù)系統(tǒng)功能分解結(jié)果進行組件建模,包括確定組件功能、組件間的數(shù)據(jù)流和控制流,完成功能到組件的映射,形成組件譜系。這個過程要明確采用何種方式(復(fù)用/新研/繼承)設(shè)計組件;

(3) 定義組件的輸入、輸出、參數(shù)等;

(4) 使用集成開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)組件的建模與開發(fā)。其中開發(fā)人員主要實現(xiàn)組件的功能,組件作為一個對象的框架代碼(包括內(nèi)部的線程創(chuàng)建、調(diào)度等)由IDE自動生成;

(5) 使用IDE開發(fā)新組件并結(jié)合庫中的已有組件,搭建雷達每個工作模式的功能流圖;

(6) 確定功能流圖中每個組件與硬件處理器/處理核之間的部署關(guān)系;

(7) 使用IDE生成并編譯工程,并將其加載到硬件;

(8) 使用IDE完成組件與硬件平臺集成、系統(tǒng)集成、入庫等工作。

2.5 基于模型驅(qū)動的組件集成開發(fā)環(huán)境

基于模型的組件集成開發(fā)環(huán)境為應(yīng)用開發(fā)人員提供了一個友好的圖形化操作界面,對開發(fā)者屏蔽組件設(shè)計規(guī)范的細節(jié)內(nèi)容,實現(xiàn)基于模型的雷達處理組件開發(fā)、任務(wù)流程搭建、組件庫管理。集成開發(fā)環(huán)境還能夠配置嵌入式異構(gòu)硬件環(huán)境(包含各種處理器與互聯(lián))、中間件,實現(xiàn)硬件資源的虛擬化,完成工程代碼生成、編譯、加載和運行,支撐組件間和組件內(nèi)部的代碼調(diào)試和組件庫管理。綜上所述,集成開發(fā)環(huán)境極大簡化了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)難度、提升了應(yīng)用程序開發(fā)效率、確保架構(gòu)統(tǒng)一有效落地,其包含的功能如圖6所示。

圖6 組件集成開發(fā)環(huán)境功能框圖

圖7 強實時嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達驗證思路

組件集成開發(fā)環(huán)境具備“六個高效”的典型特征。

(1) 建模高效：圖形化、向?qū)Х绞酵瓿山M件建模,對用戶屏蔽規(guī)范細節(jié)。

(2) 開發(fā)高效：具有類似VSCODE的代碼編輯能力。

(3) 解耦高效：通過圖形化互聯(lián)即可實現(xiàn)不同通信,自動生成不同處理器及操作系統(tǒng)下的嵌入式工程。

(4) 調(diào)試高效：具有多種編譯器,可交叉編譯、斷點調(diào)試,具有完備的日志。

(5) 監(jiān)控高效：可圖形化、虛擬化顯示處理資源并部署應(yīng)用。

(6) 管理高效：高效實現(xiàn)對組件及應(yīng)用庫的管理、檢索、復(fù)用。

3 軟件化雷達驗證思路

軟件化雷達研制過程中,需關(guān)注以下幾個 “軟件化”指標(biāo)的驗證。

1) 實時性(效率)驗證：對一個分布式強實時系統(tǒng)而言,即便每個組件功能正確無誤,若組件化后運行效率低,系統(tǒng)延時大,將無法滿足系統(tǒng)實時性要求。可從組件調(diào)度、功能切換、通信時延等方面進行測試驗證。

2) 重構(gòu)性驗證：重構(gòu)是開放式架構(gòu)的優(yōu)勢[13],也是軟件化雷達必備特征之一。軟件化雷達可實現(xiàn)“組件級”“任務(wù)/流程級”“系統(tǒng)級”重構(gòu),難度依次增加。“組件級”重構(gòu)主要通過調(diào)整組件的可變參數(shù)、重載組件的某一功能,從而賦予組件新的能力,適應(yīng)新的需求。“任務(wù)/流程級”重構(gòu)一般與某個雷達工作模式有關(guān),通過更換組件或調(diào)整組件的互聯(lián)關(guān)系等手段,迅速完善并重構(gòu)原有處理流程。系統(tǒng)級重構(gòu)通常有兩層含義：① 擴展陣面、處理的硬件規(guī)模,增加通道數(shù)目,更換性能更強的處理器或操作系統(tǒng),在前兩級重構(gòu)及軟硬件解耦的支撐下,通過軟件化手段重新生成工程、完成組件部署,迅速新增雷達功能、提升系統(tǒng)級能力;② 當(dāng)某個子陣、處理器故障時,通過軟件的控制及組件的重新部署,實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重構(gòu)或柔性降級。

3) 軟硬件解耦性驗證：首先驗證中間件是否與硬件及具體的通信形式無關(guān)。其次通過更換處理芯片級操作系統(tǒng),驗證應(yīng)用/組件的軟硬解耦性。

綜上所述,本領(lǐng)域軟件化雷達驗證思路如圖 7所示,可根據(jù)實際需求進行裁剪。

4 結(jié)束語

本文簡要介紹了軟件化雷達國內(nèi)外研究情況,通過分析機載火控雷達面臨的挑戰(zhàn),指出強實時嵌入式領(lǐng)域雷達在軟件化過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及驗證思路。

目前,我國尚未裝備完全符合開放式架構(gòu)規(guī)定的機載火控軟件化雷達,重點需要關(guān)注并解決以下問題：

(1)嵌入式異構(gòu)處理環(huán)境下的中間件體系不夠完善,雖然各種通信中間件在數(shù)據(jù)級傳輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但與 “微秒級”的時延、能夠以輕量化形式穩(wěn)定運行在嵌入式處理器和操作系統(tǒng)上的要求仍有一定差距,還需進一步提升實時性,構(gòu)建功能可配置、服務(wù)可裁剪的異構(gòu)通信中間件。

(2)需要大力支持和發(fā)展具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的組件集成開發(fā)環(huán)境和技術(shù),并加強對多工作模式強實時切換、組件調(diào)度時延、數(shù)據(jù)級處理建模能力的支撐;

(3)智能認知支撐不夠完善,軟件化雷達是邁向智能化雷達的必由之路[14],二者最終將融為一體。實現(xiàn)AI模型與常規(guī)處理模型在統(tǒng)一框架下的融合及可在GPU上運行的計算中間件等都值得進一步深入研究。