基于VPX架構(gòu)的無人機(jī)測(cè)控終端綜合化開放平臺(tái)技術(shù)*

陳會(huì)林**1,教富龍2,袁泮江,洪志勇,王 羽

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100083;3.西安衛(wèi)星測(cè)控中心天津測(cè)控站，天津301900)

0 引 言

隨著無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)在各大作戰(zhàn)場(chǎng)景中的普及與應(yīng)用也越來越廣泛。各國(guó)之間、各軍種之間、各種無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)問題日益凸顯，尤其在多國(guó)聯(lián)合作戰(zhàn)情況下，在未來多域作戰(zhàn)場(chǎng)景和環(huán)境下[1]，無人機(jī)系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用。

針對(duì)上述問題，研制能夠在多個(gè)平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同、能操作各個(gè)軍種的多種無人機(jī)系統(tǒng)的通用控制系統(tǒng)及測(cè)控終端的需求日益迫切，世界軍事強(qiáng)國(guó)均開展了相關(guān)技術(shù)及解決方案研究。近期世界各國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)互操作性的研發(fā)是與新型無人機(jī)系統(tǒng)、C4I(Command,Control,Communication,Computer and Intelligence)系統(tǒng)以及聯(lián)合作戰(zhàn)等項(xiàng)目和計(jì)劃同步推進(jìn)的。近年來無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展較快的國(guó)家和組織(如以美國(guó)為首的北約)已經(jīng)形成了一系列解決互操作性問題的典型標(biāo)準(zhǔn)、概念以及相關(guān)開放式體系架構(gòu)解決方案[2]。

為打破無人機(jī)互操作性的限制，北約率先制定了STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)，以提高無人機(jī)系統(tǒng)在盟軍聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下的互操作能力。該標(biāo)準(zhǔn)定義了適應(yīng)作戰(zhàn)需求的互操作等級(jí)(Level of Interoperatability,LOI)以及無人機(jī)地面控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)源和消息格式，同時(shí)還明確了要求采用的其他北約標(biāo)準(zhǔn)，如成像系統(tǒng)可互操作數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)(STANAG 7085)以及與機(jī)上有效載荷有關(guān)的數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(STANAG 7023，4545，4607，4609)等。

美國(guó)波音公司和英西圖公司的“掃描鷹”開發(fā)小組近年來已使其無人機(jī)系統(tǒng)與北約無人機(jī)的STANAG 4586相兼容[3]。與STANAG 4586兼容能使北約成員國(guó)使用各自的無人機(jī)系統(tǒng)和地面控制站設(shè)備聯(lián)合支持軍事作戰(zhàn)行動(dòng)。這極大增強(qiáng)了成員國(guó)無人機(jī)之間的互操作性，并可通過一種通用地面接口實(shí)時(shí)共享各國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)和信息。

為了建立一個(gè)無人系統(tǒng)開放體系，由美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室、陸軍、海軍、空軍、通信衛(wèi)星工作組等多個(gè)部門提供支持，制定了聯(lián)合無人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(Joint Architecture for Unmanned Systems,JAUS)系列標(biāo)準(zhǔn)。該系列標(biāo)準(zhǔn)適用于無人機(jī)、無人地面車輛、無人潛航器、無人水面艇等無人系統(tǒng)。

JAUS標(biāo)準(zhǔn)定義了一種模塊化、松耦合、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，以及一組與具體應(yīng)用無關(guān)、可重用的構(gòu)件和服務(wù)，同時(shí)規(guī)定了進(jìn)行內(nèi)部和外部通信的標(biāo)準(zhǔn)接口消息，從而使符合JAUS標(biāo)準(zhǔn)的無人系統(tǒng)具備互操作能力。

在國(guó)內(nèi)，無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)基本上都是基于專用定制化的硬件平臺(tái)和軟件模塊，缺乏互通互操作能力。只有極少數(shù)類型的無人機(jī)能夠采用通用化地面站[4]，但是尚未建立相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，特別是在機(jī)載終端等設(shè)備上沒有太多的進(jìn)展。

目前無人系統(tǒng)的通用化主要基于標(biāo)準(zhǔn)的互操作能力。然而，為了實(shí)現(xiàn)一種真正的即插即用級(jí)互操作能力(即把來自多個(gè)銷售商的軟件能力集成到一個(gè)系統(tǒng)，支持對(duì)來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、解釋和利用)，就需要實(shí)現(xiàn)一種開放式體系架構(gòu)[5]。

開放式體系架構(gòu)是指一種具有模塊化、可互操作、接口公開發(fā)布和遵從開放式標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)。開放式體系架構(gòu)具有可擴(kuò)展、可升級(jí)以及與其他系統(tǒng)的互操作等特點(diǎn)，可以降低研發(fā)成本，解決新技術(shù)有效插入問題以及保障系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展等。開放式體系架構(gòu)涉及標(biāo)準(zhǔn)、接口、模塊化設(shè)計(jì)等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該平臺(tái)由多通道信道、信號(hào)處理模塊、管理控制及接口模塊等硬件模塊組成，物理形態(tài)相同的硬件模塊之間通過具有開放性、可擴(kuò)展特征的“Switch Fabric”交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成“資源池”；采用軟件通信體系結(jié)構(gòu)(Software Communication Architecture,SCA)波形封裝[6]技術(shù)完成對(duì)主鏈路海態(tài)鏈路功能、陸態(tài)鏈路功能、副鏈路功能及后續(xù)擴(kuò)展新體制鏈路功能的波形開發(fā)；通過“藍(lán)圖”技術(shù)完成波形的部署和加載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。產(chǎn)品組成框圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品組成框圖

機(jī)載天線收到地面站發(fā)送的上行信號(hào)后，在射頻前端中經(jīng)低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)放大再下變頻至中頻，A/D變換后，經(jīng)解擴(kuò)、解調(diào)處理，輸出的遙控信息送出到管理控制及接口模塊中的協(xié)議處理單元;由協(xié)議處理單元完成主副鏈路選通、解復(fù)接后，傳輸給保密機(jī)解密處理，然后將飛控指令、載荷管控指令送給飛控計(jì)算機(jī)、綜合任務(wù)管理計(jì)算機(jī)。

協(xié)議處理單元將飛控計(jì)算機(jī)、綜合任務(wù)管理計(jì)算機(jī)傳輸過來的飛控狀態(tài)、載荷設(shè)備狀態(tài)，以及測(cè)控平臺(tái)本身的狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)適配、分段操作、數(shù)據(jù)復(fù)接和成幀，形成遙測(cè)數(shù)據(jù)并送入副通道，副通道在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙進(jìn)行BPSK調(diào)制，形成已調(diào)下行中頻信號(hào)。對(duì)于主通道還要在遙測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上復(fù)接載荷數(shù)據(jù)并成幀，送入主通道進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)下行中頻信號(hào)，分別在主副通道信道中進(jìn)行上變頻，變頻到下行發(fā)射載波頻率，然后經(jīng)功率放大后通過天線向地面輻射。

綜合化平臺(tái)內(nèi)部采用DSP 完成平臺(tái)硬件模塊的初始化和驅(qū)動(dòng)以及RapidIO總線控制[7]，驅(qū)動(dòng)程序包括控制管理驅(qū)動(dòng)、RapidIO協(xié)議棧、文件系統(tǒng)和I/O子系統(tǒng)、RF 模塊驅(qū)動(dòng)等；利用RapidIO總線和基于RapidIO總線的實(shí)時(shí)中間件實(shí)現(xiàn)模塊間芯片級(jí)高速互連，完成模塊間控制和數(shù)據(jù)信息的高速傳輸。

該系統(tǒng)針對(duì)平臺(tái)進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，采用開放式架構(gòu)和分頻段綜合設(shè)計(jì)思路，通過高度綜合化設(shè)計(jì)與集成，實(shí)現(xiàn)軟硬件分離，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。

硬件采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在信道模塊、管理控制接口和信號(hào)處理進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)體積、重量、功耗，提升系統(tǒng)任務(wù)可靠性和維護(hù)保障水平。通過綜合化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以完成陸態(tài)、海態(tài)、陸海態(tài)三種不同體制平臺(tái)的任意加載，具有主副2套獨(dú)立鏈路并能夠在統(tǒng)一管控下實(shí)現(xiàn)可靠切換的能力。

在物理層波形、高層協(xié)議以及工作流程的設(shè)計(jì)中，充分考慮抗干擾和低截獲能力的要求，采用基于感知輔助的抗干擾智能測(cè)控技術(shù)，滿足軍用測(cè)控通信鏈復(fù)雜環(huán)境的基本需求。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

從系統(tǒng)架構(gòu)開始，采用開放式可重構(gòu)的綜合化平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行多通道測(cè)控通信系統(tǒng)的綜合化設(shè)計(jì)；通過標(biāo)準(zhǔn)、開放、可互操作的通用信號(hào)/信息處理平臺(tái)，采用軟件定義一切(Software Defined Anything,SDX)的設(shè)計(jì)理念，將不同體制通信功能進(jìn)行封裝，使之成為符合SCA規(guī)范的軟件構(gòu)件并利用“藍(lán)圖”技術(shù)[8]完成，通過加載和重構(gòu)等方法完成對(duì)系統(tǒng)資源的配置，靈活構(gòu)建鏈路功能線程，實(shí)現(xiàn)功能的配置。

如圖2所示，綜合化開放平臺(tái)軟件按層次劃分共分為4層結(jié)構(gòu)，分別是功能應(yīng)用層、系統(tǒng)平臺(tái)層、通信中間件層和平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)框圖

按軟件的功能劃分，可分為兩類，分別是“功能應(yīng)用軟件(功能應(yīng)用層軟件)” 和“系統(tǒng)平臺(tái)軟件(包括平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層、通信中間件層和系統(tǒng)平臺(tái)層軟件)”。

2.1 功能應(yīng)用層

功能應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能項(xiàng)的算法軟件、信號(hào)處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、功能控制軟件以及相應(yīng)功能線程的控制接口，包括視距鏈、超視距鏈、擴(kuò)展鏈路等。所有功能軟件在各處理模塊的DSP、FPGA、CPU等處理器中完成。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)層

系統(tǒng)平臺(tái)層控制管理子層軟件的主要功能要求包括：

(1)內(nèi)外部接口控制代理與轉(zhuǎn)換——完成I/O模塊內(nèi)外部接口控制命令的執(zhí)行，以及接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(2)系統(tǒng)工作模式與事務(wù)管理——定義和維護(hù)系統(tǒng)各種運(yùn)行階段的功能需求，完成需求滿足的過程控制。比如，各種功能線程需求；各種工作模式的切換，如多種上電初始化模式、任務(wù)運(yùn)行模式、維護(hù)模式等工作模式下，定義系統(tǒng)的工作內(nèi)容和流程控制。

(3)系統(tǒng)工作狀態(tài)管理——定義和維護(hù)系統(tǒng)的邏輯工作狀態(tài)以及狀態(tài)遷移條件；根據(jù)系統(tǒng)健康管理的檢測(cè)結(jié)果，資源管理以及功能線程管理，確定系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)；與圖形化系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行接口，能顯示出資源和功能線程等設(shè)備工作狀態(tài)。

(4)重構(gòu)策略管理——定義和維護(hù)各種系統(tǒng)狀態(tài)下系統(tǒng)的重構(gòu)策略，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)輸出系統(tǒng)軟硬件重構(gòu)方案。

(5)系統(tǒng)資源管理——與系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)框架子層提供的服務(wù)接口，通過基礎(chǔ)服務(wù)進(jìn)行信息獲取、狀態(tài)維護(hù)和資源控制，如程序動(dòng)態(tài)加載等控制管理。

(6)功能線程管理——功能線程的參數(shù)管理包括參數(shù)加載/更新等存儲(chǔ)管理、參數(shù)配置時(shí)序管理，構(gòu)建功能線程的過程控制包括正常功能構(gòu)建、應(yīng)急功能構(gòu)建、重構(gòu)功能構(gòu)建。

(7)系統(tǒng)健康管理——監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件、平臺(tái)層軟件、功能線程以及系統(tǒng)層軟件的工作狀態(tài)，定位系統(tǒng)故障并依據(jù)故障處理預(yù)案完成故障處理。

(8)ICD封裝與解析——I/O模塊內(nèi)外部接口數(shù)據(jù)信息的分選。

(9)系統(tǒng)藍(lán)圖及任務(wù)參數(shù)配置——依據(jù)任務(wù)計(jì)劃信息，在任務(wù)執(zhí)行前載入系統(tǒng)藍(lán)圖及任務(wù)參數(shù)并按子系統(tǒng)分解，下達(dá)到各子系統(tǒng)。

(10)插件管理——依據(jù)任務(wù)要求完成相應(yīng)功能應(yīng)用插件的查詢和加載。

(11)任務(wù)調(diào)度——依據(jù)任務(wù)計(jì)劃信息完成任務(wù)啟動(dòng)、執(zhí)行、結(jié)束等調(diào)度操作，支持多任務(wù)調(diào)度。

(12)數(shù)據(jù)傳輸——通過天基網(wǎng)絡(luò)完成存儲(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫣幚怼?/p>

(13)遙測(cè)信息處理——采編各模塊上報(bào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息及軟件運(yùn)行狀態(tài)信息，完成遙測(cè)信息挑選、成幀和傳輸。

(14)遙控信息處理——接收實(shí)時(shí)遙控指令，完成遙控信息處理和執(zhí)行等。

系統(tǒng)平臺(tái)層基礎(chǔ)服務(wù)框架子層軟件的主要功能要求包括：

(1)建立軟硬件物理資源數(shù)據(jù)庫(kù)，維護(hù)硬件屬性、物理連接關(guān)系、軟件屬性、駐留位置、軟件組件間邏輯連接關(guān)系、與平臺(tái)控制服務(wù)接口，提供資源的邏輯層控制的機(jī)制和方法。

(2)系統(tǒng)資源管理的框架是相對(duì)固定的，能適應(yīng)功能模塊及其組件屬性、模塊端口類型、數(shù)目及連接關(guān)系的變化。

(3)系統(tǒng)資源管理涉及的硬件模塊間的物理端口連接關(guān)系，軟件組件間的邏輯連接關(guān)系能夠采用圖形化連線配置的方式進(jìn)行表達(dá)。

2.3 通信中間件層

通信中間件層位于操作系統(tǒng)之上，應(yīng)用軟件(包括功能層軟件和系統(tǒng)層軟件)之下。向上通過中間件服務(wù)接口為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)、平臺(tái)資源管理服務(wù)，以及在系統(tǒng)維護(hù)模式下提供可視化的系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)。向下通過硬件抽象適配層，與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)硬件的操縱與控制的驅(qū)動(dòng)層軟件接口，便于系統(tǒng)底層硬件的插入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)硬件之間的松耦合設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)通信中間件層軟件的具體工作內(nèi)容包括：

(1)網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)初始化：包括網(wǎng)絡(luò)的枚舉和發(fā)現(xiàn)。

平臺(tái)資源注冊(cè)：當(dāng)冷備份的功能模塊上電加入到網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)，需要把新資源信息注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)或平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也要更新到系統(tǒng)控制的資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

路由配置：主要指通信鏈路的網(wǎng)絡(luò)路由選擇、網(wǎng)絡(luò)路由表的配置。

網(wǎng)絡(luò)健康監(jiān)測(cè)：為系統(tǒng)控制對(duì)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)服務(wù)，主要是網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的收集和上報(bào)。

網(wǎng)絡(luò)路由冗余：當(dāng)物理通信鏈路故障時(shí)，完成冗余備份的物理鏈路配置，把物理鏈路上綁定的邏輯鏈路自動(dòng)平滑地切換到新的物理鏈路上來，也包括主備交換網(wǎng)絡(luò)的切換。

網(wǎng)絡(luò)故障隔離：屏蔽故障網(wǎng)絡(luò)端口。

配置預(yù)案解析：指網(wǎng)管軟件為位置無關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信以及功能線程裝配提供名字服務(wù)。使用XML解析軟件，解析出功能線程裝配方案的配置信息，下發(fā)給其節(jié)點(diǎn)的模塊支持單元執(zhí)行具體的加載指令，并維護(hù)通信端口的邏輯名字與物理通信資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信：指網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程間通信(Inter-process Communication，IPC)，實(shí)現(xiàn)位置無關(guān)的邏輯通信端口，完成通信機(jī)制的收發(fā)控制、通信鏈路的暫停和恢復(fù)，以及物理通信接口在邏輯上的端口復(fù)用。

(3)XML解析軟件：根據(jù)DTD(Data Type Definition)文件類型定義，解析出XML文件的信息。

(4)硬件抽象適配：與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)硬件的操縱與控制的驅(qū)動(dòng)層軟件接口，便于系統(tǒng)底層硬件的插入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)硬件之間的松耦合設(shè)計(jì)。

(5)中間件服務(wù)接口：為平臺(tái)的應(yīng)用程序提供通信服務(wù)、平臺(tái)資源管理服務(wù)，以及可視化的系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)的服務(wù)接口。

(6)模塊支持單元(Module Support Unit,MSU)軟件包：分為兩種，其中一種只包含平臺(tái)層軟件對(duì)模塊通用功能的控制代理，如模塊BIT等；另一種還包含功能層軟件對(duì)模塊專用功能的控制代理，如信道濾波頻段的選擇等。

2.4 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層

平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層為系統(tǒng)的基礎(chǔ)操作環(huán)境，包括商用操作系統(tǒng)、板級(jí)支持軟件包以及硬件接口的軟件驅(qū)動(dòng)(Software,SW)。

3 系統(tǒng)控制管理技術(shù)

綜合化開放平臺(tái)系統(tǒng)的控制管理采用分級(jí)方式，平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)了獨(dú)立的控制管理模塊，即系統(tǒng)控制模塊，負(fù)責(zé)內(nèi)部的資源管理和狀態(tài)維護(hù)，為系統(tǒng)控制和功能管理提供支持。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，平臺(tái)系統(tǒng)包括資源管理(Resource Management)、配置管理(Configuration Management)、網(wǎng)絡(luò)管理(Network Management)、健康管理(Health Management)、時(shí)間管理(Time Management)等基礎(chǔ)服務(wù)功能，配合內(nèi)部的控制管理，同時(shí)為功能線程提供運(yùn)行的環(huán)境，并通過定義的接口控制程序映像的運(yùn)行。

這些控制管理功能共同形成了平臺(tái)系統(tǒng)功能線程和應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，為功能線程提供資源標(biāo)識(shí)和匹配、軟件加載、健康監(jiān)控以及全局時(shí)鐘等服務(wù)。

3.1 控制管理流程

控制管理流程按照控制管理的對(duì)象和工作的層次可以劃分為采用分層設(shè)計(jì)的方法把系統(tǒng)控制管理分成三層，即任務(wù)模式管理、功能線程管理和機(jī)箱資源管理，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制管理結(jié)構(gòu)

任務(wù)模式管理確定當(dāng)前的任務(wù)模式和功能需求，任務(wù)模式管理運(yùn)行在后端綜合顯控中；功能線程管理運(yùn)行在平臺(tái)系統(tǒng)中，其功能(APP)是按照當(dāng)前的工作模式和功能要求確定功能線程，控制功能線程的創(chuàng)建、啟動(dòng)、停止和注銷，并統(tǒng)一管理平臺(tái)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；資源管理主要管理內(nèi)部的通用資源，包括處理器資源和網(wǎng)絡(luò)資源，負(fù)責(zé)軟件的加載，控制程序進(jìn)程的工作狀態(tài)。

平臺(tái)系統(tǒng)資源管理設(shè)計(jì)采用“自頂向下”的方法，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，選擇合理的控制管理結(jié)構(gòu)，同時(shí)借鑒ASAAC標(biāo)準(zhǔn)定義。在本系統(tǒng)中，資源管理采取“集中管理、分層實(shí)施”的結(jié)構(gòu)。通過分層的管理，可以屏蔽一些復(fù)雜的邏輯控制，保持上下層資源管理的自動(dòng)化和透明性。分層管理結(jié)構(gòu)的界面劃分清晰，便于系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試，層與層之間的相對(duì)獨(dú)立性也增加了系統(tǒng)的魯棒性。

在該結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)頂層的一級(jí)資源管理RM駐留在平臺(tái)系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制模塊上。通過內(nèi)部高速交換網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中的其他功能單元，如FPGA通用信號(hào)處理單元、DSP通用信號(hào)處理單元、RapidIO網(wǎng)絡(luò)交換單元等，管理內(nèi)容包括軟件加載、程序啟動(dòng)、模塊健康狀態(tài)查詢等。

模塊級(jí)的資源管理駐留在每個(gè)處理器上，通過資源管理、配置管理、網(wǎng)絡(luò)管理和健康管理的配合實(shí)現(xiàn)模塊和處理器的資源管理，并配合控制管理進(jìn)行軟件加載和功能線程管理。

3.2 系統(tǒng)資源管理

資源管理(Resource Management,RM)的主要功能是對(duì)通用資源進(jìn)行標(biāo)識(shí)和狀態(tài)維護(hù)，確保資源的可用性。資源管理是實(shí)現(xiàn)功能線程的基礎(chǔ)，只有通過對(duì)所有通用的資源進(jìn)行管理，統(tǒng)籌調(diào)度硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)資源，才能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能線程，并且在相同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同的功能。資源管理軟件功能需要平臺(tái)系統(tǒng)所有的通用處理模塊配合系統(tǒng)控制模塊來實(shí)現(xiàn)。

在平臺(tái)系統(tǒng)中，功能線程是若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的程序進(jìn)程相互通信、協(xié)同處理而形成的。而程序進(jìn)程只是需要運(yùn)行的軟件代碼和數(shù)據(jù)空間，在沒有加載到特定的處理器上之前程序進(jìn)程并不能完成任何功能。這就要求對(duì)軟件資源和硬件資源進(jìn)行分類，軟件資源和硬件資源匹配后才能正確綁定并運(yùn)行。運(yùn)行了基礎(chǔ)軟件的底層硬件對(duì)象能夠在控制管理的指令下加載和卸載程序進(jìn)程，同時(shí)控制程序進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，如就緒、運(yùn)行、暫停、停止、重新運(yùn)行等，此外應(yīng)用程序還通過底層硬件對(duì)象進(jìn)行參數(shù)加載、模式切換等功能。應(yīng)用軟件也需要調(diào)用底層操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信等功能支持，程序進(jìn)程和硬件平臺(tái)的結(jié)合才行形成特定的功能組件。

通用硬件資源的狀態(tài)包括空閑、就緒、運(yùn)行、停止和故障等狀態(tài)，如圖4所示。硬件模塊在自檢成功后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待控制管理按照當(dāng)前的工作模式確定需要運(yùn)行的功能線程并加載程序映像，成功加載后進(jìn)入就緒狀態(tài)，在隨后的運(yùn)行過程中，硬件資源一直都是被占用狀態(tài)，直到程序進(jìn)程停止運(yùn)行并成功卸載；加載完成后，軟件和硬件已經(jīng)完成了綁定，程序進(jìn)程可以運(yùn)行實(shí)現(xiàn)處理功能，程序進(jìn)程成功啟動(dòng)后，模塊進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，如果啟動(dòng)失敗則進(jìn)入故障狀態(tài)；程序進(jìn)程啟動(dòng)后，模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，收發(fā)數(shù)據(jù)并完成運(yùn)行功能，在功能線程沒有停止之前，硬件不能進(jìn)行軟件卸載，以免引起其他硬件模塊的程序進(jìn)程運(yùn)行錯(cuò)誤，在接到停止指令后，硬件處于停止?fàn)顟B(tài)，并不運(yùn)行功能和收發(fā)數(shù)據(jù)，此時(shí)可以進(jìn)行軟件卸載。

圖4 通用硬件資源的工作狀態(tài)機(jī)

程序進(jìn)程作為平臺(tái)系統(tǒng)中可獨(dú)立加載和調(diào)度管理的應(yīng)用軟件對(duì)象，其工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件如圖5所示。

圖5 程序進(jìn)程的工作狀態(tài)機(jī)

加載成功后程序進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)，在收到啟動(dòng)指令后，程序進(jìn)程開始啟動(dòng)運(yùn)行，打開通信端口獲得虛通道，創(chuàng)建本地工作線程，如果啟動(dòng)條件不滿足或者過程發(fā)生錯(cuò)誤，則進(jìn)入等待狀態(tài)，掛起本地線程，停止數(shù)據(jù)收發(fā)，等待條件滿足時(shí)再繼續(xù)運(yùn)行；如果在運(yùn)行條件得不到滿足或者錯(cuò)誤無法排除，此時(shí)功能線程無法正常運(yùn)行，控制管理將對(duì)該功能線程進(jìn)行停止操作，程序進(jìn)程也隨即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，終止本地線程，停止數(shù)據(jù)收發(fā)，關(guān)閉通信端口，軟件停止后可以進(jìn)行軟件卸載。

3.3 系統(tǒng)配置管理

平臺(tái)系統(tǒng)配置管理(Configuration Management，CM)實(shí)現(xiàn)處理節(jié)點(diǎn)上的軟件硬件資源的匹配和動(dòng)態(tài)加載，并負(fù)責(zé)功能線程的參數(shù)加載和工作模式設(shè)置，從而完成功能線程的組裝、控制和狀態(tài)維護(hù)。

在運(yùn)行的任務(wù)模式由A狀態(tài)切換到B狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行在底層的CM將首先根據(jù)當(dāng)前的工作模式進(jìn)行任務(wù)模式分析，根據(jù)藍(lán)圖或者事先預(yù)定任務(wù)狀態(tài)確定需要運(yùn)行的功能線程，進(jìn)而確定功能線程在當(dāng)前硬件模塊上需要運(yùn)行的程序進(jìn)程；確定程序進(jìn)程和當(dāng)前模塊的狀態(tài)，得到程序進(jìn)程的標(biāo)識(shí)，并檢測(cè)其運(yùn)行環(huán)境要求是否與本地環(huán)境相符；在加載程序之前，還需要確定當(dāng)前模塊處于空閑狀態(tài)，進(jìn)行模塊級(jí)的自檢，確定模塊的處理單元、路由單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元等外圍設(shè)備都工作正常；隨后模塊支持單元通過網(wǎng)絡(luò)加載程序進(jìn)程到指定模塊。

3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理

平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理(Network Management，NM)通過在系統(tǒng)控制模塊上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和路由配置。平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部高速交換網(wǎng)絡(luò)采用串行RapidIO高速總線技術(shù)，在數(shù)據(jù)能夠正確傳輸之前，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，對(duì)路由進(jìn)行配置管理，同時(shí)維護(hù)各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入的正常工作。因此，網(wǎng)絡(luò)管理的功能主要有枚舉發(fā)現(xiàn)RapidIO的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(包括交換節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn))，建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)通信資源的管理維護(hù)表；實(shí)現(xiàn)和所有邊緣通信節(jié)點(diǎn)的信息交互，并監(jiān)控所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)；接收并執(zhí)行系統(tǒng)控制下達(dá)的網(wǎng)絡(luò)操作指令，上報(bào)指令執(zhí)行結(jié)果以及網(wǎng)絡(luò)資源和資源運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行

在平臺(tái)系統(tǒng)中，存在類似于圖6的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。在系統(tǒng)上電后，網(wǎng)絡(luò)交換模塊對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)和處理器節(jié)點(diǎn)，然后將處理器的信息上報(bào)給機(jī)箱中的控制管理模塊。運(yùn)行過程中，網(wǎng)管軟件還需要建立各RapidIO處理器節(jié)點(diǎn)之間默認(rèn)通道，通過該通道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和建立路徑，同時(shí)監(jiān)控各處理器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口單元的正常工作，一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口單元錯(cuò)誤或者掉線，立即上報(bào)系統(tǒng)控制管理模塊。

3.5 系統(tǒng)健康管理

平臺(tái)系統(tǒng)健康管理(Health Management，HM)在子系統(tǒng)中的特殊功能模塊和基礎(chǔ)支持模塊都具有特定的功能，其健康管理是啟動(dòng)健康管理軟件周期運(yùn)行自檢功能。

對(duì)于平臺(tái)系統(tǒng)中的通用功能模塊其健康管理由基礎(chǔ)平臺(tái)和功能軟件兩方面組成?；A(chǔ)平臺(tái)包括硬件平臺(tái)和基礎(chǔ)軟件，這些部分的狀態(tài)由模塊上的MSU來完成。MSU通過監(jiān)測(cè)和查詢網(wǎng)絡(luò)接口單元和處理單元的工作狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)部分故障，如有錯(cuò)誤發(fā)生，MSU向本機(jī)箱中的控制管理模塊上報(bào)錯(cuò)誤信息。

通用功能模塊的基礎(chǔ)平臺(tái)正常工作并不能確定功能線程是否運(yùn)行正常，各功能線程需要設(shè)計(jì)功能線程的健康管理機(jī)制，通過通信的超時(shí)檢測(cè)以及線程狀態(tài)管理等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)本地處理器上的線程或線程組發(fā)生的錯(cuò)誤，如有錯(cuò)誤發(fā)生，功能線程直接上報(bào)平臺(tái)系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制模塊。

健康管理還有一個(gè)重要的功能，就是能夠記錄本地發(fā)生的錯(cuò)誤和故障，這些錯(cuò)誤信息將是故障診斷和系統(tǒng)調(diào)試的重要依據(jù)。

4 感知輔助的抗干擾智能測(cè)控技術(shù)

采用了“偵通一體的干擾感知技術(shù)”和“感知輔助的鏈路級(jí)安全防護(hù)技術(shù)”，有效規(guī)避干擾。下行廣播采用突發(fā)+擴(kuò)跳頻體制，突破傳統(tǒng)連續(xù)波體制，信號(hào)波形表現(xiàn)為時(shí)域的一個(gè)突發(fā)，確?？垢蓴_低截獲能力。上行鏈路采用擴(kuò)頻體制，同時(shí)結(jié)合型號(hào)項(xiàng)目要求的擴(kuò)頻增益，提高抗干擾容限。

敵方無源探測(cè)設(shè)備的脈沖分選功能受輻射信號(hào)在時(shí)域、空域、頻域的穩(wěn)定性和規(guī)律性影響，因此，設(shè)計(jì)靜默態(tài)提高隱蔽性，并且下行廣播和上行接入信道的交互節(jié)拍可隨時(shí)調(diào)節(jié)。通過機(jī)載測(cè)控終端輻射信號(hào)的最大不確定性設(shè)計(jì)，即采用最小輻射能量自適應(yīng)功率控制技術(shù)，使機(jī)載測(cè)控終端根據(jù)實(shí)際作用距離、信息速率及信道評(píng)估情況，在保證其性能指標(biāo)不影響作戰(zhàn)使用的前提下，輻射最優(yōu)的射頻功率，減小被敵方無源偵察裝備發(fā)現(xiàn)或截獲的距離，使敵方無法對(duì)我方信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的截獲，可以直接影響無源探測(cè)設(shè)備的分選識(shí)別功能，使其無法進(jìn)行測(cè)向、測(cè)距、定位等。

地面/艦面站使用定向天線，廣播信道傳輸幀內(nèi)含GPS信息，可以輔助地面進(jìn)行目標(biāo)角度計(jì)算，進(jìn)一步控制地面定向天線的指向，因此，除了近距離接入場(chǎng)景使用全向天線，其他上行接入及通信階段都采用定向天線，在能、空兩個(gè)維度大大降低敵方截獲概率；同時(shí)由于接收信號(hào)也具有方向性，提高了接收信號(hào)的抗干擾、抗入侵、防欺騙能力。

5 實(shí)物結(jié)構(gòu)

綜合化平臺(tái)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)VPX 3U 5槽機(jī)箱架構(gòu)，內(nèi)置板卡采用標(biāo)準(zhǔn)3U VPX導(dǎo)冷板卡和FMC子卡的結(jié)構(gòu)，外形尺寸161.35 mm(寬)×148.2 mm(高)×216 mm(深)，質(zhì)量小于等于6.5 kg。外形及安裝方式如圖7所示。

圖7 5槽3U VPX機(jī)箱

6 結(jié) 論

綜合化開放平臺(tái)技術(shù)是提升無人機(jī)系統(tǒng)互操作性的有效手段?；诰C合化開放平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)靈活配置無人機(jī)系統(tǒng)有效載荷，通過快速增加、減少、改變相關(guān)功能模塊，打造多任務(wù)作戰(zhàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了艦載型和陸基型兩種模態(tài)通用化硬件平臺(tái)的研制；支持將兩種體制的功能加載進(jìn)來進(jìn)行統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)了地面站與地面站、地面站與艦面站、艦面站與艦面站之間的多站一機(jī)管控?zé)o縫切換；通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)了與其他無人機(jī)平臺(tái)的互操作，有效支持跨平臺(tái)資源共用、信息共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成體系作戰(zhàn)能力，同時(shí)采用智能化抗干擾低截獲技術(shù)提高了無人機(jī)的作戰(zhàn)效能，可以滿足未來復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)需求。