航天測控雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺架構(gòu)研究

黃璐 孫斌 華煜明 金勝

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京， 100094）

1 引言

航天測控雷達(dá)主要用于對運(yùn)載火箭、 航天器的飛行軌跡 （或軌道） 和目標(biāo)特性參數(shù)進(jìn)行跟蹤測量， 為評定飛行器的技術(shù)性能和精度、 改進(jìn)設(shè)計(jì)和定型提供數(shù)據(jù)， 為安全控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供安全信息， 為應(yīng)用系統(tǒng)提供有關(guān)數(shù)據(jù)等[1]。 為了更有效地提高雷達(dá)的可靠型、 維修性、 保障性及操作使用性能， 在全壽命周期內(nèi)最大限度地發(fā)揮雷達(dá)設(shè)備的使用效能， 并能及時(shí)運(yùn)用當(dāng)今科技創(chuàng)新的最新研究成果不斷提升其性能， 雷達(dá)系統(tǒng)有必要采用標(biāo)準(zhǔn)化的、 開放式的系統(tǒng)架構(gòu)。 從國內(nèi)外電子設(shè)備開放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑來看， 支撐開放式體系架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化通用信息處理平臺是其中的核心部分， 也是支撐雷達(dá)業(yè)務(wù)功能滿足不同應(yīng)用需求的基礎(chǔ)。

為滿足航天測控任務(wù)的多樣化高標(biāo)準(zhǔn)需求，航天測控雷達(dá)逐漸表現(xiàn)為系統(tǒng)復(fù)雜、 造價(jià)昂貴、使用率高等特點(diǎn)， 傳統(tǒng)的根據(jù)應(yīng)用需求和使用場合專門定制的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法顯得越來越繁瑣和不實(shí)用。 這種雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法雖然針對性強(qiáng)、 性能較好， 但設(shè)計(jì)周期長， 靈活性差。 根據(jù)雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺， 將雷達(dá)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)逐漸成為時(shí)代主流。

新一代航天測控雷達(dá)尤其是采用數(shù)字陣列體制的雷達(dá)， 信號處理系統(tǒng)正向著標(biāo)準(zhǔn)化 （模塊化）、 可擴(kuò)展、 可重構(gòu)、 可升級的方向發(fā)展。 目標(biāo)回波信號經(jīng)數(shù)字采樣后， 全部由雷達(dá)綜合信息處理平臺進(jìn)行軟件化處理。 但受芯片生產(chǎn)工藝制約， 處理器主頻的提升顯得略為滯后， 因此多核處理器以及多處理器并行處理成為進(jìn)一步提升系統(tǒng)處理能力的有效手段。 總的來說， 新一代航天測控雷達(dá)對后端硬件平臺的性能提出了以下需求： ①大帶寬、 大容量、 海量運(yùn)算的應(yīng)用需求；②具備分布式計(jì)算、 協(xié)同處理能力； ③能夠動態(tài)部署、 管理多個(gè)節(jié)點(diǎn)； ④具備模塊化、 組件化、開放架構(gòu)等特點(diǎn)。 為此需以統(tǒng)一的硬件平臺和統(tǒng)一的軟件架構(gòu)為基礎(chǔ)， 以標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層數(shù)據(jù)交換， 通過軟件實(shí)時(shí)加載實(shí)現(xiàn)體系先進(jìn)開放、 硬件規(guī)范統(tǒng)一、 功能柔性重構(gòu)的目標(biāo)。

本文結(jié)合航天測控雷達(dá)的任務(wù)特點(diǎn)和具體的應(yīng)用需求， 按照標(biāo)準(zhǔn)開放體系架構(gòu)的總體設(shè)計(jì)思想， 設(shè)計(jì)提出航天測控雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化綜合信息處理平臺的新型架構(gòu)， 并明確總線結(jié)構(gòu)、 數(shù)據(jù)交互模塊、 通用處理模塊等關(guān)鍵硬件實(shí)現(xiàn)方式， 為雷達(dá)信號處理、 數(shù)據(jù)處理、 管理控制、 應(yīng)用規(guī)劃等提供一體化的綜合性平臺， 實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)時(shí)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)傳輸， 滿足航天測控雷達(dá)高實(shí)時(shí)性和大容量數(shù)據(jù)處理需求。

2 總體考慮

隨著雷達(dá)數(shù)字化、 軟件化、 多功能一體化的發(fā)展， 出現(xiàn)了信號處理和數(shù)據(jù)處理融合、 監(jiān)控和資源管理融合的發(fā)展趨勢， 統(tǒng)一的高性能信息處理平臺將采用軟件模塊實(shí)現(xiàn)所有雷達(dá)信息處理任務(wù)。

針對這種趨勢， 雷達(dá)將可分為兩大核心組成部分： 射頻前端和后端通用信息處理平臺， 如圖1 所示， 系統(tǒng)架構(gòu)簡潔， 集成度高。 雷達(dá)系統(tǒng)性能的升級、 功能的重構(gòu)主要圍繞這兩大核心組成部分進(jìn)行。 前端形成了雷達(dá)系統(tǒng)的功率孔徑， 決定了雷達(dá)的探測能力； 后端實(shí)現(xiàn)了信號的產(chǎn)生、 處理等功能， 采用統(tǒng)一的通用處理模塊并結(jié)合相應(yīng)功能的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息處理。 模塊間通過通用的交換模塊完成數(shù)據(jù)交互， 實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)探測報(bào)告的生成。 前端和后端處理進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)模塊， 每個(gè)模塊分別履行獨(dú)立的功能， 模塊之間定義標(biāo)準(zhǔn)的接口。 平臺所有模塊均基于開放式、 標(biāo)準(zhǔn)化硬件處理平臺實(shí)現(xiàn)， 并具備較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力， 滿足處理需求， 同時(shí)具有統(tǒng)一的軟件化開發(fā)環(huán)境， 能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件解耦合， 支持面向應(yīng)用的開發(fā)方式， 提高開發(fā)效率以及軟件可重構(gòu)能力。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

因承擔(dān)的具體任務(wù)不同， 不同型號的航天測控雷達(dá)在功能要求、 探測目標(biāo)類型、 使用要求、接口設(shè)計(jì)等方面各不相同， 因此， 航天測控雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺應(yīng)將各種異構(gòu)處理器、 存儲、 網(wǎng)絡(luò)等資源以模塊的形式通過標(biāo)準(zhǔn)靈活的互聯(lián)方式組合成分布式計(jì)算集群。 充分利用DSP、FPGA、 CPU、 GPU 等異構(gòu)處理器的計(jì)算特征，為雷達(dá)應(yīng)用中具有不同計(jì)算類型的業(yè)務(wù)提供相匹配的計(jì)算能力， 并支持不同類型的靈活互聯(lián)模式， 以較高的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)各種測控任務(wù)所需的功能性能、 可重配置、 故障隔離等特點(diǎn)。

平臺主要由通用模塊和標(biāo)準(zhǔn)總線組成， 如圖2所示， 各模塊間采用廣泛使用的統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為各模塊間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)， 提高模塊互聯(lián)、 互通和互操作能力， 整個(gè)平臺具有架構(gòu)統(tǒng)一、 模塊接口標(biāo)準(zhǔn)、 擴(kuò)展靈活、 系統(tǒng)裁剪方便等特點(diǎn)。 根據(jù)此架構(gòu)， 標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺由一系列開放式、標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成， 主要包含通用處理模塊、 數(shù)據(jù)交互模塊、 接口模塊、 電源模塊。 其中通用處理模塊主要完成雷達(dá)一體化綜合信息處理， 包括DSP、 FPGA、 CPU、 GPU 等[1]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺架構(gòu)

3 總線結(jié)構(gòu)

總線是嵌入式平臺的重要組成部分， 決定了該類平臺的通用化、 系列化和模式化水平[2]。目前信號處理平臺多采用高速串行總線。

VPX 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)， 適合應(yīng)用于軍工、 航空航天和高端工業(yè)數(shù)據(jù)處理平臺等對計(jì)算性能、 數(shù)據(jù)傳輸速率、 系統(tǒng)功耗散熱及尺寸重量要求比較苛刻的場合。 2010年， VITA （VME International Trade Association， VME 國際貿(mào)易協(xié)會） 組織在VPX 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上制定了OpenVPX（VITA65） 標(biāo)準(zhǔn)， 重新定義了系統(tǒng)級的兼容框架， 在背板結(jié)構(gòu)、 系統(tǒng)管理、 交換互聯(lián)和互用性方面做了很多修改和補(bǔ)充， 使不同廠家產(chǎn)品之間的兼容性大大增加。

航天測控雷達(dá)信息處理的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大， 帶來高性能計(jì)算和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?適于采用多處理器并行技術(shù)和高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)搭建通用信息處理平臺， 因此， 航天測控雷達(dá)的信息處理平臺架構(gòu)宜采用OpenVPX 總線結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)據(jù)交互模塊

數(shù)據(jù)交互模塊主要完成多個(gè)通用處理模塊、接口等模塊之間的數(shù)據(jù)交互， 考慮資源管理和調(diào)度的需求， 所有模塊之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)任意互聯(lián)互通，并遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸、 交換協(xié)議。 根據(jù)功能用途的不同， 數(shù)據(jù)交互模塊可分為4 種協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)： 時(shí)序控制協(xié)議、 任務(wù)管理協(xié)議、 健康管理協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

a） 時(shí)序控制協(xié)議：主要用于強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求的時(shí)鐘、 雷達(dá)工作時(shí)序、 同步控制信號等數(shù)據(jù)的傳輸與分發(fā)， 傳輸延遲在ns 量級， 可采用TTL、LVDS、 MLVDS、 BLVDS 等電平信號傳輸。

b） 任務(wù)管理協(xié)議：主要用于系統(tǒng)任務(wù)下發(fā)、資源管理與調(diào)度、 動態(tài)重構(gòu)、 軟件重加載、 固件燒寫、 任務(wù)狀態(tài)等信息傳輸， 數(shù)據(jù)率在數(shù)十Mbps 量級， 傳輸延遲在ms 量級， 通常采用千兆/百兆以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

c） 健康管理協(xié)議：主要用于系統(tǒng)內(nèi)各硬件模塊的電壓、 溫度等BIT 信息收集， 以及系統(tǒng)復(fù)位、 重啟等指令的下發(fā)等， 數(shù)據(jù)率在Kbps 量級即可， 通常采用CAN 總線等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

d） 數(shù)據(jù)交換協(xié)議：主要用于寬帶、 較低延遲的高速數(shù)據(jù)交換， 數(shù)據(jù)率在Gbps 量級， 傳輸延遲在μs 量級， 目前常用的板間和設(shè)備間的高速互聯(lián)協(xié)議主要有 PCI Express （ PCIe） 、RapidIO、 以太網(wǎng)、 光纖通道 （Fiber Channel，F(xiàn)C）， 各協(xié)議有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

PCIe 是一種基于數(shù)據(jù)包的串行連接總線， 其結(jié)構(gòu)簡單、 成本較低， 但擴(kuò)展性較差， 當(dāng)連接多個(gè)設(shè)備時(shí)， 有效帶寬將大幅降低， 傳輸速率降低， 且存在線間干擾。 RapidIO 是由Rapid IO 行業(yè)協(xié)會支持開發(fā)的世界上第一個(gè)嵌入式互聯(lián)國際開放標(biāo)準(zhǔn)[3]。 具有高性能、 高可靠性、 低時(shí)延、低引腳數(shù)的特點(diǎn)， 串行Rapid IO （SRIO） 接口可實(shí)現(xiàn)高性能DSP、 FPGA、 微處理器或與背板之間的高速串行互連。 以太網(wǎng)是在以太網(wǎng)物理層上建立的軟件協(xié)議， 最適合對時(shí)延要求不高的設(shè)備間應(yīng)用， 或帶寬要求較低的板上/板間應(yīng)用，是使用最廣泛的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、 工作可靠、 易于擴(kuò)展、 傳輸距離遠(yuǎn)等。 FC是以光作為信息的載體， 以光纖作為傳輸媒質(zhì)的高速傳輸?shù)姆绞剑?其數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到10Gbps， 以銅纜或光纜為傳輸介質(zhì)， 最大傳輸距離可以達(dá)數(shù)十公里， 具有損耗低， 傳輸速率高，傳送距離遠(yuǎn)， 可自定義協(xié)議等特性。

因此， 為滿足新一代航天測控雷達(dá)對后端硬件平臺提出的高性能需求， 綜合考慮以上各種互聯(lián)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)， 數(shù)據(jù)交換協(xié)議可采用FC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)外層數(shù)據(jù)交換， 以SRIO 或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)層數(shù)據(jù)交換。

5 通用處理模塊

通用處理模塊根據(jù)處理器的不同可分為DSP處理模塊、 FPGA 處理模塊、 CPU 處理模塊、GPU 處理模塊等。 考慮應(yīng)用場景需要和芯片技術(shù)發(fā)展趨勢， 需選擇適合的處理器和處理器組合構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)的硬件平臺。

DSP 即數(shù)字信號處理器， 是一種適合于進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器， 其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法， 特點(diǎn)是多級流水， 可以加快數(shù)據(jù)處理的速度， 且功耗較小， 通常在0.5W～4W， 很適合嵌入式系統(tǒng)。

FPGA 即現(xiàn)場可編程門陣列， 屬于可編程邏輯器件的一種， 是邏輯門電路陣列[4]， 它既繼承了門陣列邏輯器件密度高和通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具備可編程邏輯器件的可編程特性。 FPGA 具備嵌入式系統(tǒng)所需要的幾乎所有高速通信接口能力， 并可以實(shí)現(xiàn)更高效率的數(shù)據(jù)運(yùn)算、 協(xié)議轉(zhuǎn)換和各種邏輯信號的產(chǎn)生等， 適合做邏輯控制， 但其編程實(shí)現(xiàn)較為麻煩。

CPU 即中央處理器， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括控制單元、 邏輯運(yùn)算單元和存儲單元三大部分。 其標(biāo)準(zhǔn)化和通用性較好， 支持操作系統(tǒng)， 所以以CPU為核心的系統(tǒng)方便人機(jī)交互以及和標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備通信， 非常方便而且不需要硬件開發(fā)， 但其實(shí)時(shí)性較差， 功耗大， 通常在20W 以上。

GPU 即圖形處理器， 是由許多小而專業(yè)的內(nèi)核組成的處理器， 通過多線并存工作特性， 可以在多個(gè)內(nèi)核之間劃分和處理任務(wù)， 常采用具有高性能顯卡的嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)， 其中三維顯示能力對計(jì)算機(jī)性能提出了較高要求， 目前國產(chǎn)化GPU 由于顯卡性能、 底層軟件支持、 處理能力的限制距離航天測控雷達(dá)的應(yīng)用需求仍有差距。

對于相控陣體制的航天測控雷達(dá)而言， 數(shù)字波束形成 （DBF） 通常需要完成多達(dá)數(shù)百上千個(gè)接收通道數(shù)據(jù)的接收和加權(quán)合成處理， 需要極高的數(shù)據(jù)通過率， 目前高性能CPU 是無法滿足要求的， 需采用大規(guī)模FPGA 實(shí)現(xiàn)IO 接收和并行邏輯運(yùn)算。

不同類型、 不同數(shù)量的通用處理模塊均作為運(yùn)算資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度， 信號處理、 數(shù)據(jù)處理、 測量控制、 成像處理、 目標(biāo)識別、 對抗處理、 數(shù)據(jù)采集記錄、 狀態(tài)監(jiān)控、 資源管理、 顯控處理、 數(shù)據(jù)交互等處理任務(wù)均以軟件模塊的方式存在， 映射到不同類型的通用處理模塊上， 完成相應(yīng)的雷達(dá)處理任務(wù)。 所有通用處理模塊采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式和互連標(biāo)準(zhǔn)， 從而真正實(shí)現(xiàn)不同廠家的各類模塊互連、 互通和互換， 同時(shí)可根據(jù)不同任務(wù)的需求對各類模塊進(jìn)行任意組合和規(guī)模擴(kuò)充。

根據(jù)系統(tǒng)對各階段數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)性的不同要求， 可將通用處理模塊分為3 類處理節(jié)點(diǎn)： 基于高速大容量FPGA 的DBF 處理節(jié)點(diǎn)完成多路數(shù)字波束形成； 基于高性能DSP 或FPGA的信號處理節(jié)點(diǎn)完成大量重復(fù)的規(guī)律性運(yùn)算； 基于通用高性能計(jì)算機(jī)的信息處理節(jié)點(diǎn)完成多任務(wù)處理、 管理和通信。 這樣的組合可以大大提高各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力， 減少系統(tǒng)體積， 計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以靈活有效的按需擴(kuò)展， 單個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)故障不會影響系統(tǒng)運(yùn)行。 除了3 類處理節(jié)點(diǎn)外， 還包含一個(gè)監(jiān)控與管理單元， 負(fù)責(zé)對系統(tǒng)相關(guān)命令的解析、平臺內(nèi)各個(gè)部分的監(jiān)控維護(hù)、 實(shí)現(xiàn)對計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源的任務(wù)調(diào)度和管理等， 確保系統(tǒng)可靠有效的工作， 確保計(jì)算任務(wù)有效的分配。 通用處理模塊架構(gòu)見圖3。

圖3 通用處理模塊架構(gòu)示意圖

6 結(jié)束語

本文研究建立的航天測控雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺架構(gòu)， 可對雷達(dá)的硬件資源進(jìn)行集中管理和按需分配， 為雷達(dá)信號處理、 數(shù)據(jù)處理、 任務(wù)管理、 應(yīng)用規(guī)劃提供一體化的綜合性平臺， 貫穿雷達(dá)信息獲取、 表示、 存儲、 分發(fā)以及綜合處理流程的全過程， 實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)時(shí)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)傳輸， 滿足航天測控雷達(dá)高實(shí)時(shí)性和大容量數(shù)據(jù)處理需求。 下一步將重點(diǎn)研究建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 以及基于標(biāo)準(zhǔn)化信息處理平臺的軟件標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范， 規(guī)范雷達(dá)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和需求分析， 支持航天測控雷達(dá)根據(jù)不同任務(wù)需求進(jìn)行形態(tài)靈活重構(gòu)和功能便利升級。