軟件化雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)綜述

張榮濤，楊潤(rùn)亭，王興家，李路野

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

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軟件化雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)綜述

張榮濤，楊潤(rùn)亭，王興家，李路野

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

軟件化雷達(dá)技術(shù)是通過(guò)構(gòu)建開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，在研制雷達(dá)操作環(huán)境的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)功能通過(guò)軟件定義、擴(kuò)展和重構(gòu)的新一代雷達(dá)技術(shù)。文中從軟件化雷達(dá)的需求、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、內(nèi)涵及技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展設(shè)想等方面進(jìn)行了分析和論述。通過(guò)軟件化雷達(dá)技術(shù)的研究，最終可形成快速響應(yīng)新軍事需求、縮短研制周期、提高維護(hù)保障和升級(jí)換代的能力。

軟件化雷達(dá)；開(kāi)放式架構(gòu)；雷達(dá)操作環(huán)境

0 引 言

隨著雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、軟件等技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)和選擇，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)智能化處理技術(shù)發(fā)展的必然

智能化技術(shù)是雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要方向，正在發(fā)展的智能雷達(dá)具有環(huán)境自感知，基于知識(shí)的學(xué)習(xí)、決策和系統(tǒng)控制能力，系統(tǒng)的處理流程更加靈活，處理算法復(fù)雜。采用開(kāi)放式架構(gòu)的軟件化雷達(dá)技術(shù)支持雷達(dá)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)功能、流程靈活定義和重構(gòu)能力，支持雷達(dá)系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)、知識(shí)的高速、有效存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用，支持雷達(dá)各種智能算法的即插即用，發(fā)展軟件化雷達(dá)技術(shù)可有效支持雷達(dá)智能化的發(fā)展。

2)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下雷達(dá)性能快速提升的要求

雷達(dá)作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜化(各類電磁干擾與對(duì)抗環(huán)境，復(fù)雜地理環(huán)境、氣象環(huán)境)，對(duì)雷達(dá)裝備的功能和性能提出更高的要求。為了對(duì)抗不斷出現(xiàn)的新威脅，要求雷達(dá)系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境和任務(wù)需求，不斷發(fā)展新的算法技術(shù)，對(duì)抗新威脅。軟件化雷達(dá)技術(shù)采用開(kāi)放式架構(gòu)，以軟件構(gòu)件(實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)算法和處理功能)為單元進(jìn)行集成，使各種新算法易于應(yīng)用集成到雷達(dá)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件定義，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)功能，從而易于提升雷達(dá)性能。

3)便于自主可控軟硬件的推廣應(yīng)用

軟件化雷達(dá)采用開(kāi)放式體系架構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)化總線及通信協(xié)議，構(gòu)建綜合處理硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綜合處理能力的靈活擴(kuò)展和硬件資源的重組，支持符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的硬件平臺(tái)的替換和升級(jí)，從而便于裝備的維護(hù)保障。此外，通過(guò)采用中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層硬件和上層任務(wù)軟件的解耦，從而支持上層任務(wù)軟件不做變更即可遷移到國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)上，便于自主可控軟件、硬件國(guó)產(chǎn)化的替代和升級(jí)，加快科技成果的軍工應(yīng)用速度。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際方面，20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)防部(DoD)提出了基于模塊的開(kāi)放式系統(tǒng)方法(MOSA)。由于MOSA采用開(kāi)放式的松耦合標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可選擇的供應(yīng)商多，新技術(shù)滲透快速，升級(jí)改造便利，同時(shí)又有效地控制和降低成本[1-2]。因此，在商業(yè)和軍事方面得到了重要的應(yīng)用和推廣。

在MOSA研究基礎(chǔ)上，2009年，美國(guó)成立了開(kāi)放式雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)(ROSA)研究工作組推動(dòng)軟件化雷達(dá)的發(fā)展，相關(guān)研究成果成功在三坐標(biāo)遠(yuǎn)程雷達(dá)(3DELRR)上進(jìn)行了驗(yàn)證。2014年，美軍開(kāi)展數(shù)字化軟件化多功能分布陣列雷達(dá)的研制，成功推廣了軟件化雷達(dá)技術(shù)，林肯實(shí)驗(yàn)室也把相關(guān)研究成果應(yīng)用到靶場(chǎng)試驗(yàn)雷達(dá)、空間監(jiān)視雷達(dá)升級(jí)改造中，取得了良好的效果[3-4]。

美軍通過(guò)構(gòu)建軟件化雷達(dá)，將雷達(dá)系統(tǒng)的硬件與軟件分離，通過(guò)軟件的升級(jí)、重組，實(shí)現(xiàn)功能性能的提升；采用開(kāi)放式架構(gòu)，將商用技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)，促進(jìn)軍民融合式發(fā)展。軟件化雷達(dá)有效解決了雷達(dá)裝備發(fā)展面臨的維護(hù)保障和升級(jí)換代困難等難題，形成快速響應(yīng)新軍事需求的能力[2,5]。

國(guó)內(nèi)方面，從2015年開(kāi)始，空2所牽頭組織中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第14研究所等單位開(kāi)展軟件化雷達(dá)技術(shù)的研究工作，涉及體系架構(gòu)、試驗(yàn)平臺(tái)、相關(guān)規(guī)范等工作，為軟件化雷達(dá)后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。其中，14所承擔(dān)并完成了硬件設(shè)計(jì)規(guī)范擬制，地基、?；囼?yàn)平臺(tái)總體方案論證工作，并在軟件化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)、雷達(dá)操作環(huán)境、軟件構(gòu)件化、硬件平臺(tái)等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作，為軟件化雷達(dá)后續(xù)深入研究打下了良好的基礎(chǔ)。

2 軟件化雷達(dá)技術(shù)內(nèi)涵

雷達(dá)系統(tǒng)可以抽象為一組資源的集合體，包括陣面資源、波形資源、處理資源、軟件資源等，通過(guò)對(duì)這些資源的優(yōu)化調(diào)度和控制，形成面向不同作戰(zhàn)任務(wù)需求的系統(tǒng)功能，進(jìn)而完成相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。完成在不同作戰(zhàn)任務(wù)下雷達(dá)系統(tǒng)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度、組織和重構(gòu)的核心就是雷達(dá)操作環(huán)境，軟件化雷達(dá)就是以雷達(dá)操作環(huán)境為核心構(gòu)建開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟件定義、擴(kuò)展和重構(gòu)雷達(dá)系統(tǒng)功能的新一代雷達(dá)，如圖1所示。

圖1 軟件化雷達(dá)技術(shù)內(nèi)涵

軟件化雷達(dá)技術(shù)的典型特征如下：

1)需求可定義：采用開(kāi)放式架構(gòu)的雷達(dá)系統(tǒng)可靈活響應(yīng)作戰(zhàn)需求，具有滿足雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等多功能、多任務(wù)能力，可根據(jù)作戰(zhàn)需求重構(gòu)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)功能。

2)硬件可重組：陣面系統(tǒng)、計(jì)算平臺(tái)采用開(kāi)放式架構(gòu)，可根據(jù)功能需求進(jìn)行雷達(dá)孔徑、計(jì)算資源的重組。

3)軟件可重構(gòu)：系統(tǒng)功能構(gòu)件化設(shè)計(jì)，通過(guò)雷達(dá)操作環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的即插即用。

3 軟件化雷達(dá)技術(shù)架構(gòu)

軟件化雷達(dá)技術(shù)架構(gòu)包括四個(gè)組成部分：雷達(dá)操作環(huán)境、應(yīng)用構(gòu)件、陣面及計(jì)算平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 軟件化雷達(dá)技術(shù)架構(gòu)

1)雷達(dá)操作環(huán)境：是雷達(dá)運(yùn)行調(diào)度中心，為應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口和環(huán)境。

2)應(yīng)用構(gòu)件：完成搜索、跟蹤、識(shí)別、干擾等雷達(dá)功能的軟件模塊。

3)雷達(dá)陣面：采用模塊化設(shè)計(jì)，支持陣面孔徑可重構(gòu)。

4)計(jì)算平臺(tái)：采用開(kāi)放式架構(gòu)，處理能力可擴(kuò)展，計(jì)算資源可重構(gòu)。

針對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景，軟件化雷達(dá)技術(shù)通過(guò)操作環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)陣面、計(jì)算資源的調(diào)度控制，應(yīng)用軟件構(gòu)件的組裝和部署等工作，完成相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。軟件化雷達(dá)技術(shù)體系中包括雷達(dá)操作環(huán)境、應(yīng)用構(gòu)件設(shè)計(jì)、陣面、硬件平臺(tái)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究。其中，雷達(dá)操作環(huán)境涉及的相關(guān)技術(shù)是軟件化雷達(dá)的核心技術(shù)。

雷達(dá)操作環(huán)境包括系統(tǒng)管理、中間件、基礎(chǔ)軟件等部分。系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)資源的調(diào)度與管理，應(yīng)用構(gòu)件的集成、部署和管理，雷達(dá)復(fù)雜信息的管理等；中間件包括計(jì)算、通信、管理中間件，主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件的解耦；基礎(chǔ)軟件主要包括板級(jí)支持包等。

雷達(dá)操作環(huán)境完成雷達(dá)各類資源的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，為應(yīng)用提供陣面和計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的作戰(zhàn)任務(wù)。

應(yīng)用構(gòu)件設(shè)計(jì)技術(shù)研究則包括根據(jù)雷達(dá)的功能、算法和性能要求確定構(gòu)件粒度；制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，約束各種應(yīng)用構(gòu)件的設(shè)計(jì)，以滿足構(gòu)件的即插即用；制定構(gòu)件庫(kù)管理規(guī)范：建立構(gòu)件測(cè)試、驗(yàn)證、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以及構(gòu)件的入庫(kù)、變更、發(fā)布、使用規(guī)范化管理。

硬件平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)化的總線和協(xié)議構(gòu)件開(kāi)放式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各類異構(gòu)計(jì)算節(jié)點(diǎn)互聯(lián)；計(jì)算節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活可變，可根據(jù)功能需求進(jìn)行定義和重構(gòu)；并支持應(yīng)用構(gòu)件功能的靈活部署。適應(yīng)軟件化雷達(dá)的應(yīng)用需求，天線陣面應(yīng)具有以下特征：基于總線架構(gòu)的陣面可擴(kuò)展；基于數(shù)字體制的功能可重構(gòu)；基于陣面寬帶化的信息獲取。陣面系統(tǒng)架構(gòu)向開(kāi)放式、模塊化和自適應(yīng)的方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件化雷達(dá)技術(shù)后續(xù)發(fā)展建議在十三五期間建立制定軟件化雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)體系，研制支持各類應(yīng)用構(gòu)件重構(gòu)的雷達(dá)操作環(huán)境(包括系統(tǒng)管理、中間件等)，通過(guò)軟件化雷達(dá)原型系統(tǒng)驗(yàn)證，具備向雷達(dá)裝備推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，具體工作內(nèi)容如下：

1)軟件化雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，建立雷達(dá)操作環(huán)境、中間件、應(yīng)用構(gòu)件、硬件平臺(tái)等標(biāo)準(zhǔn)體系。

2)構(gòu)建雷達(dá)操作環(huán)境，支持應(yīng)用功能構(gòu)件與硬件平臺(tái)解耦合，支持應(yīng)用構(gòu)件提供互聯(lián)互通、即插即用功能。

3)研制形成應(yīng)用構(gòu)件庫(kù)，具備雷達(dá)各類應(yīng)用功能構(gòu)件，支持作戰(zhàn)應(yīng)用的靈活實(shí)現(xiàn)。

4)構(gòu)建軟件化雷達(dá)原型試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證軟件化雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件定義，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有源探測(cè)、有源電子偵察、有源電子干擾、通訊功能、被動(dòng)超視距探測(cè)等功能實(shí)現(xiàn)的支持。

軟件化雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及雷達(dá)操作環(huán)境、應(yīng)用軟件和硬件、陣面系統(tǒng)等，并涉及多學(xué)科、多專業(yè)技術(shù)。為了有效地推動(dòng)軟件化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，建議：

1)成立由軍方論證單位、雷達(dá)主機(jī)廠所、相關(guān)高校等單位的總體技術(shù)組，推動(dòng)技術(shù)體系論證、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建設(shè)工作。

2)吸納相關(guān)行業(yè)、專家參與到軟件化雷達(dá)技術(shù)研究中來(lái)，集智攻關(guān)，更好地推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] STEPHEN M,WELBY P.Modular open systems architecture in DoD acquisition[R].Washington:DOPSR,2014.

[2] NELSON J A.Radar open system architecture provides net centricity[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2010,25(10):17-20.

[3] LUCERO D S.Radar open systems architectures[R].CA:OSR,2010.

[4] LARRY S.NextGen surveillance and weather radar capability (NSWRC)[R].Washington:Science and Technology Department of the Navy,2012.

[5] ANDREWS S E,YOHO P K,BANNER G P,et al.Radar open system architecture for Lincoln Space Surveillance Activities[R].Lexington:MIT Lincoln Laboratory,2010.

張榮濤 男，1974年，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榭臻g監(jiān)視雷達(dá)、雷達(dá)處理和控制、軟件化雷達(dá)技術(shù)等。

楊潤(rùn)亭 女，1964年，本科，研究員級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件工程技術(shù)等。

王興家 男，1983年，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理平臺(tái)、芯片及軟件等。

李路野 男，1986年，博士，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)、軟件化雷達(dá)技術(shù)等。

System Technology of Software Defined Radar

ZHANG Yongtao，YANG Runting，WANG Xinjia，LI Luye

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

Software defined radar technology is an open system architecture technology.Based on radar operation environment,the functions of radar system can be easily defined,extended,and reconfigured to adapt to the requirements.This paper analyses the requirements,domestic and international research status,the concept and system architecture,primary technologies and development ideas of software defined radar.With research on software defined radar technology,abilities for quickly reacting to new military requirements,shortening research period,improving maintenance and upgrading and updating can be realized.

software defined radar; open system architecture; radar operation environment

??工程·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.001

張榮濤 Email：008268@nriet.com

2016-07-27

2016-09-16

TN958

A

1004-7859(2016)10-0001-03