機(jī)載火控軟件化雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究

姜 明,湯 俊,譚湘林,楊雁麟

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

0 引 言

軟件化雷達(dá)是具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和數(shù)字化技術(shù)特點(diǎn)的新型雷達(dá)系統(tǒng),具有開(kāi)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(kāi)發(fā)理念,以“軟件化”開(kāi)發(fā)模式靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、更新和升級(jí)[1]。自20世紀(jì)90年代起,受到軟件無(wú)線電啟發(fā),在歷經(jīng)模塊開(kāi)放式架構(gòu)(MOSA)及雷達(dá)開(kāi)放式架構(gòu)(ROSA)[2-3]兩個(gè)發(fā)展階段之后,軟件化雷達(dá)迅速發(fā)展并得到應(yīng)用。比較典型的有美軍三坐標(biāo)遠(yuǎn)程雷達(dá)、Ka波段機(jī)動(dòng)式氣象雷達(dá)系統(tǒng)改造等。

目前,軟件化雷達(dá)研究方興未艾,相關(guān)的成果最先應(yīng)用于地面雷達(dá)的軟件化改造。在機(jī)載火控雷達(dá)領(lǐng)域,嚴(yán)苛的裝機(jī)條件決定其只能使用嵌入式處理平臺(tái),“微秒級(jí)”的實(shí)時(shí)性要求對(duì)中間件設(shè)計(jì)、組件建模及劃分顆粒度、組件運(yùn)行效率都提出了新挑戰(zhàn)。

本文將以機(jī)載火控雷達(dá)為例,研究強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達(dá)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)和驗(yàn)證思路。

1 背景及需求分析

本節(jié)從機(jī)載火控雷達(dá)固有特點(diǎn)以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)兩個(gè)層面分析其從“數(shù)字化”走向“軟件化”的迫切需求。

1.1 機(jī)載火控雷達(dá)固有特點(diǎn)

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

(1) 裝機(jī)條件苛刻,對(duì)體積、重量、功耗要求非常嚴(yán)苛。機(jī)載火控雷達(dá)通常采用嵌入式異構(gòu)處理平臺(tái)(運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)),計(jì)算密集度高。

(2) 波形復(fù)雜且切換靈活,機(jī)載火控雷達(dá)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(duì)中斷響應(yīng)、組件運(yùn)行效率、通信及任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性要求非常高。

(3) 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、瞬變,由于本機(jī)高速運(yùn)動(dòng),機(jī)載火控雷達(dá)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(cè)和跟蹤任務(wù),處理實(shí)時(shí)性要求高。

1.2 機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

除上述固有特點(diǎn)以外,機(jī)載火控雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)包含了諸多軟件化因素,主要有以下四個(gè)方面。

(1) 微型化、高集成度趨勢(shì)：隨著射頻與數(shù)字器件制造工藝的進(jìn)步,機(jī)載火控雷達(dá)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(jí)分布式處理環(huán)境。為應(yīng)對(duì)這種變化,必須采用開(kāi)放式架構(gòu)并通過(guò)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(duì)及體系化作戰(zhàn)趨勢(shì)：隨著多機(jī)型聯(lián)合作戰(zhàn)、有人加無(wú)人飛機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)、空/天/地/海體系作戰(zhàn)常態(tài)化。對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)任務(wù)配置能力的要求越來(lái)越高,雷達(dá)系統(tǒng)具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)配置、功能擴(kuò)展與重構(gòu)及快速重建觀察、調(diào)整、決策、行動(dòng)(OODA環(huán))的能力。

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

(4) 智能化、認(rèn)知化趨勢(shì)：首先,隨著本機(jī)的高速運(yùn)動(dòng),雜波也在更廣區(qū)域快速變化,呈現(xiàn)出雜波譜更寬,時(shí)間上非平穩(wěn)性,空間上非均勻性的特點(diǎn)。需要雷達(dá)從傳統(tǒng)的“時(shí)/頻/空域”雜波抑制轉(zhuǎn)向基于知識(shí)輔助和自主學(xué)習(xí)的智能化雜波抑制[5]。其次,未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別要求更高。需要雷達(dá)從傳統(tǒng)雷達(dá)散射截面、高分距離像、微動(dòng)特征識(shí)別轉(zhuǎn)向基于深度學(xué)習(xí)的智能目標(biāo)識(shí)別[6-7]。最后,無(wú)人/有人及體系作戰(zhàn)帶來(lái)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(dá)從“時(shí)/頻/空/波形”抗干擾轉(zhuǎn)向基于雷達(dá)/電子戰(zhàn)融合的智能抗干擾[8]。智能處理計(jì)算量大,只有最大限度地進(jìn)行并行處理,才能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(dá)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)。

綜上所述,無(wú)論從自身特點(diǎn)還是發(fā)展趨勢(shì),機(jī)載火控雷達(dá)的軟件化進(jìn)程既迫切,又面臨著諸多挑戰(zhàn)?！皬?qiáng)實(shí)時(shí)、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(dá)技術(shù)體系,然后針對(duì)強(qiáng)實(shí)時(shí)、嵌入式特性,研究本領(lǐng)域軟件化雷達(dá)迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

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

圖1 軟件化雷達(dá)技術(shù)體系

本文重點(diǎn)研究上述技術(shù)體系中與強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的開(kāi)放式體架系統(tǒng)、高性能中間件、組件建模與劃分、組件開(kāi)發(fā)機(jī)制與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、集成與驗(yàn)證等技術(shù)。

2.1 開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)載火控雷達(dá)是典型的強(qiáng)實(shí)時(shí)復(fù)雜系統(tǒng),開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)是其具備優(yōu)異擴(kuò)展性的基礎(chǔ),有效支撐雷達(dá)能夠快速響應(yīng)因復(fù)雜作戰(zhàn)場(chǎng)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(jī)載軟件化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)除需滿足ROSA九大設(shè)計(jì)原則之外,還需關(guān)注以下四點(diǎn)：

(1) 支持智能認(rèn)知處理的潛在需求;

(2) 具備通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等多種中間件;

(3) 可適應(yīng)不同嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)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(kāi)放式架構(gòu)層次劃分標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達(dá)開(kāi)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(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達(dá)分層體系

(1) 應(yīng)用層：主要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的各種功能,內(nèi)部又分為雷達(dá)任務(wù)、應(yīng)用(APP)、組件三個(gè)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(yùn)行時(shí)服務(wù)為組件運(yùn)行提供必要的服務(wù)支撐,包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、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(jì)算、存儲(chǔ)讀寫服務(wù)。

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

2.2 輕量化/低時(shí)延中間件

中間件是實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦的重要技術(shù)手段,機(jī)載火控軟件化雷達(dá)處理平臺(tái)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(duì)嵌入式處理器(尤其是DSP)內(nèi)部存儲(chǔ)有限且APP運(yùn)行效率對(duì)存儲(chǔ)尤為依賴的特點(diǎn),本領(lǐng)域的中間件應(yīng)具備輕量化、低時(shí)延特征,編譯后的庫(kù)文件應(yīng)能夠滿足內(nèi)存的限制和要求;

(2) 針對(duì)大帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的需求,單處理器內(nèi)部通信需采用共享內(nèi)存機(jī)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(duì)嵌入式異構(gòu)處理環(huán)境的特點(diǎn),中間件應(yīng)具備相應(yīng)的配置工具,通過(guò)界面端圖形化操作,自動(dòng)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(dá)。

綜上所述,本領(lǐng)域軟件化雷達(dá)中間件具有基于資源配置與映射、低時(shí)延、輕量化等典型特征。以通信中間件為例：首先,雷達(dá)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(hào)級(jí)”通信時(shí),對(duì)時(shí)延要求苛刻?！皵?shù)據(jù)級(jí)”通信時(shí),對(duì)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(hào)處理通信)、消息模式(用于片內(nèi)信號(hào)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(shí)時(shí)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(qiáng)實(shí)時(shí)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(duì)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(dòng)形式調(diào)度的對(duì)象[12]。從物理上講,組件包含頭/源/靜態(tài)庫(kù)/動(dòng)態(tài)庫(kù)/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(dá)組件開(kāi)發(fā)機(jī)制

功能與接口獨(dú)立、可即插即用、可圖形化設(shè)計(jì)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(duì)其外觀、依賴庫(kù)、屬性進(jìn)行配置,確保不同工具設(shè)計(jì)的組件可互解釋、互連接。

組件作為具有類似功能集合的對(duì)象,是雷達(dá)功能復(fù)用的基本單位,雷達(dá)的各種工作模式由若干組件互聯(lián)實(shí)現(xiàn)。在強(qiáng)實(shí)時(shí)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(kuò)展性與運(yùn)行效率,同時(shí)還需考慮實(shí)時(shí)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?；谏鲜龇治?組件劃分時(shí)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(dú)封裝在一個(gè)組件內(nèi)。

2.4 高效組件開(kāi)發(fā)機(jī)制

基于組件技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā),其本質(zhì)就是模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)在軟件化雷達(dá)上的應(yīng)用,其開(kāi)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(jì)以及組件部署與重構(gòu)四個(gè)部分構(gòu)成,如圖 5所示。軟件化雷達(dá)組件開(kāi)發(fā)包括以下八個(gè)方面。

(1) 對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)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(jìn)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(gè)過(guò)程要明確采用何種方式(復(fù)用/新研/繼承)設(shè)計(jì)組件;

(3) 定義組件的輸入、輸出、參數(shù)等;

(4) 使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)組件的建模與開(kāi)發(fā)。其中開(kāi)發(fā)人員主要實(shí)現(xiàn)組件的功能,組件作為一個(gè)對(duì)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(dòng)生成;

(5) 使用IDE開(kāi)發(fā)新組件并結(jié)合庫(kù)中的已有組件,搭建雷達(dá)每個(gè)工作模式的功能流圖;

(6) 確定功能流圖中每個(gè)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(tái)集成、系統(tǒng)集成、入庫(kù)等工作。

2.5 基于模型驅(qū)動(dòng)的組件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于模型的組件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)友好的圖形化操作界面,對(duì)開(kāi)發(fā)者屏蔽組件設(shè)計(jì)規(guī)范的細(xì)節(jié)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)基于模型的雷達(dá)處理組件開(kāi)發(fā)、任務(wù)流程搭建、組件庫(kù)管理。集成開(kāi)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(shí)現(xiàn)硬件資源的虛擬化,完成工程代碼生成、編譯、加載和運(yùn)行,支撐組件間和組件內(nèi)部的代碼調(diào)試和組件庫(kù)管理。綜上所述,集成開(kāi)發(fā)環(huán)境極大簡(jiǎn)化了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度、提升了應(yīng)用程序開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境功能框圖

圖7 強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式領(lǐng)域軟件化雷達(dá)驗(yàn)證思路

組件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境具備“六個(gè)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(duì)用戶屏蔽規(guī)范細(xì)節(jié)。

(2) 開(kāi)發(fā)高效：具有類似VSCODE的代碼編輯能力。

(3) 解耦高效：通過(guò)圖形化互聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)不同通信,自動(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)組件及應(yīng)用庫(kù)的管理、檢索、復(fù)用。

3 軟件化雷達(dá)驗(yàn)證思路

軟件化雷達(dá)研制過(guò)程中,需關(guān)注以下幾個(gè) “軟件化”指標(biāo)的驗(yàn)證。

1) 實(shí)時(shí)性(效率)驗(yàn)證：對(duì)一個(gè)分布式強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言,即便每個(gè)組件功能正確無(wú)誤,若組件化后運(yùn)行效率低,系統(tǒng)延時(shí)大,將無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。可從組件調(diào)度、功能切換、通信時(shí)延等方面進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

2) 重構(gòu)性驗(yàn)證：重構(gòu)是開(kāi)放式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)[13],也是軟件化雷達(dá)必備特征之一。軟件化雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)“組件級(jí)”“任務(wù)/流程級(jí)”“系統(tǒng)級(jí)”重構(gòu),難度依次增加?！敖M件級(jí)”重構(gòu)主要通過(guò)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?！叭蝿?wù)/流程級(jí)”重構(gòu)一般與某個(gè)雷達(dá)工作模式有關(guān),通過(guò)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(jí)重構(gòu)通常有兩層含義：① 擴(kuò)展陣面、處理的硬件規(guī)模,增加通道數(shù)目,更換性能更強(qiáng)的處理器或操作系統(tǒng),在前兩級(jí)重構(gòu)及軟硬件解耦的支撐下,通過(guò)軟件化手段重新生成工程、完成組件部署,迅速新增雷達(dá)功能、提升系統(tǒng)級(jí)能力;② 當(dāng)某個(gè)子陣、處理器故障時(shí),通過(guò)軟件的控制及組件的重新部署,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重構(gòu)或柔性降級(jí)。

3) 軟硬件解耦性驗(yàn)證：首先驗(yàn)證中間件是否與硬件及具體的通信形式無(wú)關(guān)。其次通過(guò)更換處理芯片級(jí)操作系統(tǒng),驗(yàn)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(dá)驗(yàn)證思路如圖 7所示,可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行裁剪。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了軟件化雷達(dá)國(guó)內(nèi)外研究情況,通過(guò)分析機(jī)載火控雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn),指出強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式領(lǐng)域雷達(dá)在軟件化過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及驗(yàn)證思路。

目前,我國(guó)尚未裝備完全符合開(kāi)放式架構(gòu)規(guī)定的機(jī)載火控軟件化雷達(dá),重點(diǎn)需要關(guān)注并解決以下問(wèn)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(jí)傳輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但與 “微秒級(jí)”的時(shí)延、能夠以輕量化形式穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)一步提升實(shí)時(shí)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(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的組件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和技術(shù),并加強(qiáng)對(duì)多工作模式強(qiáng)實(shí)時(shí)切換、組件調(diào)度時(shí)延、數(shù)據(jù)級(jí)處理建模能力的支撐;

(3)智能認(rèn)知支撐不夠完善,軟件化雷達(dá)是邁向智能化雷達(dá)的必由之路[14],二者最終將融為一體。實(shí)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(yùn)行的計(jì)算中間件等都值得進(jìn)一步深入研究。