輕型射頻傳感器系統(tǒng)高度綜合化設(shè)計

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

在航空電子技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域，積極引進和采取開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和可復(fù)用、模塊化軟/硬件通用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛認可。通用化、綜合化和模塊化是目前航空電子系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[1]。高速發(fā)展的航空電子系統(tǒng)技術(shù)為直升機作戰(zhàn)性能的改進提供了強有力的技術(shù)基礎(chǔ)，特別是高速信號處理、數(shù)據(jù)融合、先進傳輸技術(shù)、人機接口和主動控制技術(shù)的發(fā)展，使直升機航空電子系統(tǒng)進入了綜合化、數(shù)字化和集成化階段。

綜合化、輕型化、小型化是直升機載平臺航電綜合傳感器系統(tǒng)的強烈發(fā)展要求，綜合傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化通用標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)軟/硬件的“即插即用”，從而可降低研制成本,縮短周期,降低生產(chǎn)成本,減少現(xiàn)役飛機的維護和保障成本，同時通過采用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和開放式系統(tǒng)，可改進系統(tǒng)性，易于升級和擴展功能[2]。本文給出了直升機載輕型射頻傳感器系統(tǒng)(LRFS)基于模塊級高度綜合化設(shè)計的思路，對系統(tǒng)的體系構(gòu)架、綜合化設(shè)計、軟件設(shè)計、減重設(shè)計等方面進行了討論，給出了輕型射頻傳感器系統(tǒng)基于模塊級高度綜合化減重設(shè)計的考慮。

2 輕型射頻傳感器系統(tǒng)

傳統(tǒng)直升機載航電系統(tǒng)中，通信、導(dǎo)航、識別功能以及氣象、防撞雷達功能都是采用分離式的單設(shè)備完成相應(yīng)的功能，而LRFS是將氣象雷達、防撞雷達、通信、導(dǎo)航、識別等傳感器功能作為一個整體進行綜合化設(shè)計所構(gòu)成的電子信息系統(tǒng)，在整個任務(wù)過程為直升機平臺提供氣象、防撞、通信、導(dǎo)航、識別等信息，并在提升傳感能力的同時，減少體積、重量和功耗。

輕型射頻傳感器系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，從物理組成上分為綜合天線孔徑、綜合射頻前端、通用綜合處理器，如圖1所示。天線孔徑與綜合射頻前端通過標(biāo)準(zhǔn)接口互連，綜合射頻前端與通用綜合處理器之間通過標(biāo)準(zhǔn)高速網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連。系統(tǒng)實現(xiàn)功能主要集中在短波、U/V頻段、L頻段、X頻段和Ka頻段，整個系統(tǒng)在U/V和L頻段實現(xiàn)分頻段射頻綜合化，中頻數(shù)字化后的信號處理及數(shù)據(jù)處理采用綜合化設(shè)計。

圖1 輕型射頻傳感器系統(tǒng)物理組成示意圖Fig.1 Composition of LRFS

輕型射頻傳感器系統(tǒng)基于通用公共硬件平臺資源，在開放的系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)下運用系統(tǒng)資源管理對多功能模塊資源進行組合，并加載不同的功能軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)配置與資源共享。通過采用任務(wù)的功能軟件化技術(shù)使系統(tǒng)具有重構(gòu)能力，從而提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，開發(fā)周期和費用大大降低[3]。

3 輕型射頻傳感器系統(tǒng)高度綜合化設(shè)計

3.1 系統(tǒng)綜合化設(shè)計

輕型射頻傳感器系統(tǒng)通過高度綜合化設(shè)計，能最大限度地提高系統(tǒng)的可靠性、維修性, 并降低全壽命周期使用維護成本。系統(tǒng)綜合的效能與系統(tǒng)本身的功能、綜合系統(tǒng)的構(gòu)型模式以及機載電子設(shè)備的先進程度有密切關(guān)系。綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式是多種多樣的, 它由飛機的作戰(zhàn)任務(wù)、技術(shù)難度和應(yīng)用需求等多種因素所決定。LRFS系統(tǒng)綜合的內(nèi)容主要包括：

(1)硬件綜合：包括硬件功能的合理分配及余度技術(shù), 分布式系統(tǒng)的重構(gòu), 突出表現(xiàn)在天線孔徑、射頻前端和通用信號及數(shù)據(jù)處理等資源的共用和通用設(shè)計；

(2)軟件綜合：軟件接口的統(tǒng)一調(diào)度, 軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計, 支持基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件的一體化設(shè)計, 實行軟件工程化管理；

(3)信息綜合：對機內(nèi)、機外和來自于不同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的傳感器信息進行綜合；

(4)功能綜合：對短波、超短波、L頻段及Ka/Ku頻段的不同功能線程進行綜合設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 輕型射頻傳感器系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principium of LRFS

當(dāng)系統(tǒng)處理某一種功能線程的信號時，與此功能線程有關(guān)的所有硬件模塊資源可在天線選擇、射頻開關(guān)的支持下進行組合，構(gòu)成完成特定功能的從天線、射頻前端、中頻信號處理到數(shù)據(jù)處理的一個硬件線程，同時通用信號處理資源通過控制和加載相應(yīng)的軟件構(gòu)成不同的軟件線程，支持完成此功能信號的處理。整個系統(tǒng)的控制和管理在綜合控制管理模塊中完成[4]。

系統(tǒng)同時支持多個硬件線程和軟件線程，可同時完成對多個功能信號的處理，同時實現(xiàn)多種功能。硬件線程和軟件線程的構(gòu)成由綜合控制管理模塊中的系統(tǒng)資源管理控制，通過接通相關(guān)的天線切換開關(guān)、射頻交換矩陣通道、控制加載軟件來實現(xiàn)。射頻傳感器系統(tǒng)機架采用高速總線與綜合核心處理器及航電其它系統(tǒng)相連，機架內(nèi)部采用統(tǒng)一的控制總線完成系統(tǒng)的控制和狀態(tài)管理，同時采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線完成高速實時的數(shù)字信號的傳輸。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件以構(gòu)件化技術(shù)體制為核心，采用開放式和層次化的軟件體系結(jié)構(gòu)，以支持系統(tǒng)的統(tǒng)一部署、冗余容錯、動態(tài)重構(gòu)和維護升級。

從軟件分層的角度來說，LRFS系統(tǒng)軟件包括模塊支持層(MSL)、操作系統(tǒng)層(OS)、實時CORBA中間件層、應(yīng)用軟件層等軟件層次，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輕型射頻傳感器系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of LRFS

模塊支持層軟件封裝底層硬件的詳細信息，為上層軟件提供對低級資源的抽象訪問，實現(xiàn)對模塊硬件的驅(qū)動，主要提供硬件和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、硬件自檢、操作系統(tǒng)引導(dǎo)、程序固化、文件操作等，同時為操作系統(tǒng)層提供服務(wù)，包括板級服務(wù)、通信服務(wù)、專用服務(wù)和擴展服務(wù)等。

操作系統(tǒng)層軟件提供進程管理、異常處理、中斷處理、存儲管理、時鐘管理等服務(wù)。

實時中間件層軟件屏蔽計算資源的分布和異構(gòu)特性，管理計算資源和網(wǎng)絡(luò)通信，向應(yīng)用層提供透明一致的使用接口；通過實時CORBA中間件技術(shù)，提供統(tǒng)一的軟件框架，保證平臺軟件與功能應(yīng)用軟件相互隔離的設(shè)計原則。實時中間件層軟件作為部署在每個模塊上的通用軟件，在資源管理軟件的統(tǒng)一管理調(diào)度下，協(xié)同完成系統(tǒng)資源的管理配置。

應(yīng)用層軟件主要完成系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理和系統(tǒng)功能的信號與信息處理，通過標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層軟件間的接口，以保證可采用COTS軟件產(chǎn)品降低成本和開發(fā)周期的設(shè)計原則。

4 輕型射頻傳感器系統(tǒng)減重考慮

LRFS利用綜合化、模塊化和開放式的體系架構(gòu)，將多項功能基于模塊級高度綜合集成，系統(tǒng)輕型減重設(shè)計是關(guān)鍵設(shè)計要求之一，可通過以下方式實現(xiàn)減重：

(1)將系統(tǒng)控制部分進行統(tǒng)一設(shè)計、集中控制，減少模塊數(shù)量和重量；

(2)將系統(tǒng)中的信號處理部分綜合，采用統(tǒng)一平臺，全系統(tǒng)的信號處理采用統(tǒng)一的通用信號處理模塊完成；

(3)將系統(tǒng)中的電源和頻率源模塊綜合，各功能共用電源和頻率源模塊；

(4)L頻段采用通用模塊，可以共用發(fā)射通路，減少一路發(fā)射資源；

(5)結(jié)構(gòu)進行了綜合，各功能的射頻前端、信號處理和控制管理安裝采用單一機架，減少結(jié)構(gòu)件重量。

5 結(jié)束語

本文對直升機載輕型射頻傳感器系統(tǒng)的高度綜合化設(shè)計和減重設(shè)計方案進行了討論，該系統(tǒng)采用模塊化和開放式的硬件體系架構(gòu)及可擴展的軟件體系構(gòu)架，將短波及超短波話音通信、數(shù)據(jù)通信、無線電測高、測向、敵我識別、空中交通管制等功能以及氣象/防撞雷達低頻部分處理功能進行綜合集成，提高了航電設(shè)備的綜合集成度，降低了設(shè)備的體積和重量，提升了航電系統(tǒng)的可靠性、維修性、保障性，可實現(xiàn)二級維修體制，降低直升機航電系統(tǒng)的全壽命周期費用，對直升機載輕型傳感器系統(tǒng)的總體設(shè)計和前期設(shè)備研制具有一定的參考和指導(dǎo)意義，后續(xù)需要在天線孔徑綜合、射頻信道綜合等方面做進一步的深入研究和探討。

參考文獻：

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