「深度」一種新型航太綜合化載荷架構研究
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今日薦文
今日薦文的作者為中國電子科學研究院專家張曉波, 王贊, 史劼, 周彬。本篇節選自論文《一種新型航太綜合化載荷架構研究》，發表於《中國電子科學研究院學報》第12卷第5期。
摘 要：相比于傳統航太有效載荷採用“一箭定終身”的模式，
引 言
傳統航太有效載荷研製經過多年的實踐，其研製管理方面具有成熟的經驗，其採用“一箭定終身”的模式，任務功能與物理設備綁定，不具有重構能力[1-4]。
航太電子系統儘管劃分為探測、偵察、成像等不同專業，
綜合一體化載荷是一種新興的技術體制，採用任務功能與物理設備解耦合設計，具有一星多用的優勢，降低了體積重量和功耗，
1 技術架構
航太綜合化有效載荷以“軟體定義功能”為設計理念，以陣列技術、高速傳輸與交換技術、高性能計算技術等為基礎，採用開放式硬體架構和“軟體無線電”的開放式軟體架構，通過基於外掛程式的軟體載入方式實現多種功能的重構和性能升級，形成開放通用、可持續反覆運算升級的天基資訊裝備。下面從能力視圖、系統視圖、技術視圖三個方面來介紹該新型載荷系統的架構。
1.1 能力視圖
目前各類作戰平臺電子裝備正向綜合一體化的方向發展[6]，逐步模糊雷達、電子偵察、通信等裝備之間的差異，如航空電子系統的綜合感測器系統、航空或艦用電子系統的綜合射頻孔徑，其典型系統有美軍F-22的電子系統、F-35的電子系統、新一代艦載DDG-1000綜合電子資訊系統等。此類綜合電子資訊系統在設計上採用了模組化、綜合化和智慧化的開放式結構，將雷達、電子戰、通信、導航和識別等多種系統功能集於一體，可以通過軟體載入完成功能重構，從而實現具有資源冗餘共用、動態重構、高利用率和便捷維修等眾多全新概念的綜合電子系統，代表了當今作戰平臺裝備的發展方向。
以“軟體定義功能”為設計理念的綜合一體化技術可以逐步實現天基資訊裝備多感測器融合和多功能綜合，不僅可有效提高天基資訊裝備裝備的投入費效比，也必將帶來航太裝備技術、應用模式和管理方式的革命性變化。
1.2 系統視圖
傳統的多功能“煙囪式”系統通過每個功能獨立設備來實現的方式構建系統，這種系統不具備擴展、升級、成長能力。而綜合化系統通過研究各個功能的設備共性和個性，構建一套設備相容各個功能的資源需求，通過軟體或擴展硬體模組的方式實現系統的升級、擴展、重構能力。
圖1 綜合化載荷硬體架構
圖1是綜合化載荷硬體架構，將硬體進行了五個方面的綜合。
1）綜合孔徑
陣面統籌規劃工作頻率，實現光學和微波的寬頻段覆蓋，每個頻段統籌考慮實現多個功能。根據具體情況可選用數位陣列、類比陣列、單元天線等體制。其中數位陣列[7]體制對天線陣信號高速AD採樣後，通過計算合成天線方向圖，可以實現同時多波束覆蓋和任意形狀波束生成，極大地增強了系統靈活性，實現系統多功能和同時多模式工作。
2）綜合傳輸
完成綜合孔徑至綜合處理的數位信號/類比信號彙集分發、類比信號模數轉換，完成綜合處理至綜合孔徑的數位信號傳輸，並為綜合孔徑提供輔助控制信號。
3）綜合信號處理
通過動態部署任務功能軟體構件，完成各種任務功能的數位信號處理，包括數位變頻、信號波形產生、數位波束形成、脈衝壓縮、目標檢測、參數測量、信號分選、信號波形解調、編/解碼、協定處理等處理。
4）綜合資料處理
完成各種任務功能的資料處理，包括航跡跟蹤、信號分析與識別、圖像特徵提取、多源資訊融合處理等。
5）綜合監控與調度
用於完成系統的狀態監視以及調度和管理各感測器資源，控制系統完成功能重構。
圖2 綜合化載荷軟體架構
圖2是綜合化載荷的分層軟體架構，從基礎層到應用層共分成4層，可實現功能的動態載入和重構。
1）功能應用層
功能應用層實現系統設計功能項的演算法軟體、信號處理軟體、資料處理軟體、功能控制軟體以及相應功能執行緒的控制介面，功能軟體主要駐留在各處理模組的DSP、FPGA、CPU等處理器中實現功能。
2）共用服務層
完成任務啟動、執行、結束等任務調度管理。完成系統軟硬體資源的管理和調度，監測系統硬體、物理平臺各層軟體的運行狀態，故障定位，故障處理，完成功能外掛程式的安裝、卸載、配置和管理，提供時空基準資訊服務等共用的基礎服務。
3）中介軟體層
通信中介軟體層位於作業系統之上，應用軟體之下。向上為應用軟體提供通信服務，平臺資源管理服務。向下通過硬體抽象適配層，實現平臺硬體的操縱與控制的驅動層軟體介面。
4）驅動基礎層
驅動基礎層為系統的基礎操作環境，包括作業系統、板級支援包以及驅動程式。
1.3 技術視圖
綜合化載荷架構的核心技術是架構總體技術和軟體無線電的動態部署技術。
1）綜合化架構總體技術
研究模組化、開放式、可重構體系架構，充分發揮微電子技術、寬頻無線電技術、寬頻高速信號傳輸技術、信號處理技術，構建開放式軟硬體架構，通過在統一硬體平臺上載入不同的功能軟體，實現不同的應用任務，使系統具備功能升級、擴展、重構的能力。
綜合孔徑技術是研究對天線及射頻前端的綜合實現多種應用功能，提高綜合配置管理和電磁相容性，消除天線數量過多導致的尺寸、重量、供電等資源的極度增加。處理技術的綜合是研究通用化處理資源池技術，包括通用信號處理池、通用資料處理池、存儲資源池及高速切換式網路，支援多個功能的資訊處理。
2）軟體無線電的動態部署技術
“藍圖”是用於描述任務功能運行時所需的軟硬體資源，以及資源映射關係的一種資料結構，藍圖包括硬體藍圖、應用藍圖、功能部署藍圖、資源映射規則和運行藍圖，以及故障重構藍圖。研究如何根據藍圖將軟體構件部署到預定的硬體平臺上，實現軟體構件與硬體資源的動態繫結，通過軟體構件的運行組合形成功能應用所需的多個功能執行緒，完成功能應用的集成。
2 管理架構
2.1 系統劃分與工作關係
圖3 是綜合化載荷的系統劃分，從功能與物理兩個維度進行了矩陣式劃分，工作關係具有嵌套的特點，需要在系統總體的組織下明確分工責任介面，經過多輪反覆運算推進方案設計。
圖3功能與物理的矩陣式系統劃分
1）系統總體方案的確定過程
功能分系統按照五綜合的基本架構，依據功能的戰術指標設計功能的初步硬體部署方案，給出對物理系統的計算、傳輸、存儲、散熱的初步資源需求。系統總體組織對功能資源需求的評審確認。物理系統按照確認後的功能資源需求，統籌多個功能的需求，在五綜合的基本架構下細化硬體方案，給出大致滿足各功能需求的初步硬體方案。系統總體組織功能與物理系統對硬體方案的專題協調，經過平衡折中最終確定硬體方案。
2）分工責任介面
功能分系統負責對戰術指標的實現論證、工作模式、工作流程設計、軟體配置項（功能應用層）研製、軟體執行過程設計、功能測試設計，提出對物理分系統的資源需求，配合系統總體進行資源需求的協調確認。物理分系統負責綜合一體化設備的電路設計、結構熱控設計、內外介面設計、軟體配置項（共用服務層、中介軟體層、驅動基礎層）研製、元器件選用、六性設計等，制定軟硬體介面規範，滿足體積、重量、功耗、熱耗的指標要求，配合系統總體進行功能的調試測試。
2.2 設計師任命與職責
航太綜合化載荷是一種新型的技術架構，為了使設計師隊伍更好的與這一技術架構相適應，設計師崗位設置與分工考慮在工程總體中設置1名總師，7名副總師，分系統裡面按照系統劃分設置綜合孔徑、綜合傳輸等物理設備負責人，設置各個功能的負責人。
工程總體中人員設置：總師（主持全面工作，分管產品保證）、微波類物理設備副總師、資訊處理類物理設備副總師、任務功能副總師、航天器適裝副總師（機、電、熱、資訊等介面設計）、結構熱控副總師、系統軟體副總師、系統六性副總師。
分系統中人員設置：綜合孔徑負責人、綜合傳輸負責人、綜合信號處理負責人、綜合資料處理負責人、綜合監控與調度負責人、功能1負責人、功能2負責人……等。由於在綜合化的物理設備上，功能是可以在軌擴展的，故子功能負責人的數量也是隨著任務在增加的，但都要納入該工作關係之中，在任務功能副總師的統籌指導下開展工作。
總師與副總師以及各物理設備負責人、功能負責人的工作關係如圖4所示。
圖4 設計師任命與職責的矩陣式關係圖
2.3 研製過程的關鍵點
工程總體從研製需求出發，制定了工程各研製階段的技術要求和基本方案，明確了技術流程，制定了完成任務的標誌，使整個工程在各研製階段起始前有明確要求，過程中有可遵循的技術流程，研製結束後以完成標誌作為檢查評價的標準。轉初樣是系統研製的里程碑節點，主要完成標誌為4條：完成關鍵技術攻關、明確內部和外部介面，明確系統方案、完成軟體頂層設計[8]與部署。
圖5 矩陣式研製過程
研製過程如圖5所示，其中灰色的方框是系統總體要牽頭負責的工作項。綜合化載荷相比傳統載荷的研製流程的特點是功能研製與物理設備研製的適時分解與匯合，要把握住五個關鍵的點：
一是自頂向下明確系統功能需求，綜合化仍然是手段，不是目的，目的仍然是實現任務功能，為此要梳理出系統的功能需求，劃分為工作模式、工作時長、任務剖面等，作為功能分系統與物理分系統設計的輸入。
二是物理分系統與功能分系統的介面控制檔，需要明確功能軟體在物理設備的部署位置及之間的介面關係，包括對匯流排網路類的介面鏈路描述和對資料類鏈路、日誌類鏈路、與硬體控制鏈路、功能構件的控制鏈路的資訊類鏈路描述。
三是功能與物理分階段的聯調聯試。首先，功能軟體的開發需要用到最小規模的物理設備構建開發環境。在物理分系統初樣件設備完成聯調後，功能軟體載入到物理設備上開展功能與物理設備的聯調。完成功能軟體聯調後，系統的部分戰術指標在功能與物理的組合體上進行地面測試。
四是系統軟體設計。為保證軟體定義功能的實現，軟體設計要滿足：
1) 功能軟體化
軟體定義功能的最大特點就是其功能不是通過硬體來定制，而是通過軟體來實現，功能軟體與硬體平臺是一種“動態繫結”的關係，而非傳統的“硬綁定”關係。
2) 軟體構件化
各功能劃分為功能軟體配置項，並明確了功能軟體構件與其駐留晶片的映射關係，通過替換或擴展原功能軟體構件，實現系統能力升級和動態重構。
3) 動態可重構
動態可重構要求硬體資源根據功能需求靈活進行分配調度，使硬體資源的規模可以按照功能的強弱進行擴展或裁剪。
五是多感測器的牽引協同設計。利用綜合化衛星具有的多感測器資源，通過在統一時空基準的協同、調度、快速處理，將詳查與普查相結合、有源探測與無源探測相結合來提高對目標的探測精度、發現概率、識別概率。
結 語
本文針對航空與艦載電子裝備正向綜合一體化方向發展的趨勢設計了一種航太綜合一體化載荷的總體架構，從能力視圖、系統視圖、技術視圖三個方面描述了這一架構的技術特點。密切結合其技術特點，按照系統工程的基本方法，從系統的矩陣式劃分及責任介面、設計師任命與職責的矩陣式關係、研製過程中功能與物理設備的分解匯合的關鍵點等方面提煉出一套適用于綜合化載荷研製的矩陣式技術管理方法，以期達到指導工程實踐的目的。
【參考文獻】
[1] 錢學森．論系統工程[M]．長沙: 湖南科學技術出版社, 1988.
[2] 郭寶柱.“系統工程”辨析[J]. 航天器工程, 2013, 22(4): 1-6.
[3] 胡世祥, 張慶偉. 中國載人航太工程—成功實踐系統工程的典範[J]. 中國航太, 2004(4): 3-6.
[4] 徐福祥．衛星工程[M]．北京: 中國宇航出版社, 2002: 55-77.
[5] 楊小牛. 基於“軟體星”的綜合一體化空間資訊系統[J]. 電子科學技術評論, 2004 (4) : 15-22.
[6] 蔡愛華, 范強. 下一代機載任務電子系統總體設計思考[J]. 中國電子科學研究院學報, 2016, 11(2): 111-114.
[7] 吳曼青, 葛家龍. 數位陣列合成孔徑雷達[J]. 雷達科學與技術, 2009,7(1): 1-9.
[8] 宋征宇. 載人運載火箭軟體工程化二十年實踐[J]. 載人航太, 2013, 19(3): 1-7.
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以陣列技術、高速傳輸與交換技術、高性能計算技術等為基礎，採用開放式硬體架構和“軟體無線電”的開放式軟體架構，通過基於外掛程式的軟體載入方式實現多種功能的重構和性能升級，形成開放通用、可持續反覆運算升級的天基資訊裝備。下面從能力視圖、系統視圖、技術視圖三個方面來介紹該新型載荷系統的架構。1.1 能力視圖
目前各類作戰平臺電子裝備正向綜合一體化的方向發展[6]，逐步模糊雷達、電子偵察、通信等裝備之間的差異，如航空電子系統的綜合感測器系統、航空或艦用電子系統的綜合射頻孔徑，其典型系統有美軍F-22的電子系統、F-35的電子系統、新一代艦載DDG-1000綜合電子資訊系統等。此類綜合電子資訊系統在設計上採用了模組化、綜合化和智慧化的開放式結構，將雷達、電子戰、通信、導航和識別等多種系統功能集於一體，可以通過軟體載入完成功能重構，從而實現具有資源冗餘共用、動態重構、高利用率和便捷維修等眾多全新概念的綜合電子系統，代表了當今作戰平臺裝備的發展方向。
以“軟體定義功能”為設計理念的綜合一體化技術可以逐步實現天基資訊裝備多感測器融合和多功能綜合，不僅可有效提高天基資訊裝備裝備的投入費效比，也必將帶來航太裝備技術、應用模式和管理方式的革命性變化。
1.2 系統視圖
傳統的多功能“煙囪式”系統通過每個功能獨立設備來實現的方式構建系統，這種系統不具備擴展、升級、成長能力。而綜合化系統通過研究各個功能的設備共性和個性，構建一套設備相容各個功能的資源需求，通過軟體或擴展硬體模組的方式實現系統的升級、擴展、重構能力。
圖1 綜合化載荷硬體架構
圖1是綜合化載荷硬體架構，將硬體進行了五個方面的綜合。
1）綜合孔徑
陣面統籌規劃工作頻率，實現光學和微波的寬頻段覆蓋，每個頻段統籌考慮實現多個功能。根據具體情況可選用數位陣列、類比陣列、單元天線等體制。其中數位陣列[7]體制對天線陣信號高速AD採樣後，通過計算合成天線方向圖，可以實現同時多波束覆蓋和任意形狀波束生成，極大地增強了系統靈活性，實現系統多功能和同時多模式工作。
2）綜合傳輸
完成綜合孔徑至綜合處理的數位信號/類比信號彙集分發、類比信號模數轉換，完成綜合處理至綜合孔徑的數位信號傳輸，並為綜合孔徑提供輔助控制信號。
3）綜合信號處理
通過動態部署任務功能軟體構件，完成各種任務功能的數位信號處理，包括數位變頻、信號波形產生、數位波束形成、脈衝壓縮、目標檢測、參數測量、信號分選、信號波形解調、編/解碼、協定處理等處理。
4）綜合資料處理
完成各種任務功能的資料處理，包括航跡跟蹤、信號分析與識別、圖像特徵提取、多源資訊融合處理等。
5）綜合監控與調度
用於完成系統的狀態監視以及調度和管理各感測器資源，控制系統完成功能重構。
圖2 綜合化載荷軟體架構
圖2是綜合化載荷的分層軟體架構，從基礎層到應用層共分成4層，可實現功能的動態載入和重構。
1）功能應用層
功能應用層實現系統設計功能項的演算法軟體、信號處理軟體、資料處理軟體、功能控制軟體以及相應功能執行緒的控制介面，功能軟體主要駐留在各處理模組的DSP、FPGA、CPU等處理器中實現功能。
2）共用服務層
完成任務啟動、執行、結束等任務調度管理。完成系統軟硬體資源的管理和調度，監測系統硬體、物理平臺各層軟體的運行狀態，故障定位，故障處理，完成功能外掛程式的安裝、卸載、配置和管理，提供時空基準資訊服務等共用的基礎服務。
3）中介軟體層
通信中介軟體層位於作業系統之上，應用軟體之下。向上為應用軟體提供通信服務，平臺資源管理服務。向下通過硬體抽象適配層，實現平臺硬體的操縱與控制的驅動層軟體介面。
4）驅動基礎層
驅動基礎層為系統的基礎操作環境，包括作業系統、板級支援包以及驅動程式。
1.3 技術視圖
綜合化載荷架構的核心技術是架構總體技術和軟體無線電的動態部署技術。
1）綜合化架構總體技術
研究模組化、開放式、可重構體系架構，充分發揮微電子技術、寬頻無線電技術、寬頻高速信號傳輸技術、信號處理技術，構建開放式軟硬體架構，通過在統一硬體平臺上載入不同的功能軟體，實現不同的應用任務，使系統具備功能升級、擴展、重構的能力。
綜合孔徑技術是研究對天線及射頻前端的綜合實現多種應用功能，提高綜合配置管理和電磁相容性，消除天線數量過多導致的尺寸、重量、供電等資源的極度增加。處理技術的綜合是研究通用化處理資源池技術，包括通用信號處理池、通用資料處理池、存儲資源池及高速切換式網路，支援多個功能的資訊處理。
2）軟體無線電的動態部署技術
“藍圖”是用於描述任務功能運行時所需的軟硬體資源，以及資源映射關係的一種資料結構，藍圖包括硬體藍圖、應用藍圖、功能部署藍圖、資源映射規則和運行藍圖，以及故障重構藍圖。研究如何根據藍圖將軟體構件部署到預定的硬體平臺上，實現軟體構件與硬體資源的動態繫結，通過軟體構件的運行組合形成功能應用所需的多個功能執行緒，完成功能應用的集成。
2 管理架構
2.1 系統劃分與工作關係
圖3 是綜合化載荷的系統劃分，從功能與物理兩個維度進行了矩陣式劃分，工作關係具有嵌套的特點，需要在系統總體的組織下明確分工責任介面，經過多輪反覆運算推進方案設計。
圖3功能與物理的矩陣式系統劃分
1）系統總體方案的確定過程
功能分系統按照五綜合的基本架構，依據功能的戰術指標設計功能的初步硬體部署方案，給出對物理系統的計算、傳輸、存儲、散熱的初步資源需求。系統總體組織對功能資源需求的評審確認。物理系統按照確認後的功能資源需求，統籌多個功能的需求，在五綜合的基本架構下細化硬體方案，給出大致滿足各功能需求的初步硬體方案。系統總體組織功能與物理系統對硬體方案的專題協調，經過平衡折中最終確定硬體方案。
2）分工責任介面
功能分系統負責對戰術指標的實現論證、工作模式、工作流程設計、軟體配置項（功能應用層）研製、軟體執行過程設計、功能測試設計，提出對物理分系統的資源需求，配合系統總體進行資源需求的協調確認。物理分系統負責綜合一體化設備的電路設計、結構熱控設計、內外介面設計、軟體配置項（共用服務層、中介軟體層、驅動基礎層）研製、元器件選用、六性設計等，制定軟硬體介面規範，滿足體積、重量、功耗、熱耗的指標要求，配合系統總體進行功能的調試測試。
2.2 設計師任命與職責
航太綜合化載荷是一種新型的技術架構，為了使設計師隊伍更好的與這一技術架構相適應，設計師崗位設置與分工考慮在工程總體中設置1名總師，7名副總師，分系統裡面按照系統劃分設置綜合孔徑、綜合傳輸等物理設備負責人，設置各個功能的負責人。
工程總體中人員設置：總師（主持全面工作，分管產品保證）、微波類物理設備副總師、資訊處理類物理設備副總師、任務功能副總師、航天器適裝副總師（機、電、熱、資訊等介面設計）、結構熱控副總師、系統軟體副總師、系統六性副總師。
分系統中人員設置：綜合孔徑負責人、綜合傳輸負責人、綜合信號處理負責人、綜合資料處理負責人、綜合監控與調度負責人、功能1負責人、功能2負責人……等。由於在綜合化的物理設備上，功能是可以在軌擴展的，故子功能負責人的數量也是隨著任務在增加的，但都要納入該工作關係之中，在任務功能副總師的統籌指導下開展工作。
總師與副總師以及各物理設備負責人、功能負責人的工作關係如圖4所示。
圖4 設計師任命與職責的矩陣式關係圖
2.3 研製過程的關鍵點
工程總體從研製需求出發，制定了工程各研製階段的技術要求和基本方案，明確了技術流程，制定了完成任務的標誌，使整個工程在各研製階段起始前有明確要求，過程中有可遵循的技術流程，研製結束後以完成標誌作為檢查評價的標準。轉初樣是系統研製的里程碑節點，主要完成標誌為4條：完成關鍵技術攻關、明確內部和外部介面，明確系統方案、完成軟體頂層設計[8]與部署。
圖5 矩陣式研製過程
研製過程如圖5所示，其中灰色的方框是系統總體要牽頭負責的工作項。綜合化載荷相比傳統載荷的研製流程的特點是功能研製與物理設備研製的適時分解與匯合，要把握住五個關鍵的點：
一是自頂向下明確系統功能需求，綜合化仍然是手段，不是目的，目的仍然是實現任務功能，為此要梳理出系統的功能需求，劃分為工作模式、工作時長、任務剖面等，作為功能分系統與物理分系統設計的輸入。
二是物理分系統與功能分系統的介面控制檔，需要明確功能軟體在物理設備的部署位置及之間的介面關係，包括對匯流排網路類的介面鏈路描述和對資料類鏈路、日誌類鏈路、與硬體控制鏈路、功能構件的控制鏈路的資訊類鏈路描述。
三是功能與物理分階段的聯調聯試。首先，功能軟體的開發需要用到最小規模的物理設備構建開發環境。在物理分系統初樣件設備完成聯調後，功能軟體載入到物理設備上開展功能與物理設備的聯調。完成功能軟體聯調後，系統的部分戰術指標在功能與物理的組合體上進行地面測試。
四是系統軟體設計。為保證軟體定義功能的實現，軟體設計要滿足：
1) 功能軟體化
軟體定義功能的最大特點就是其功能不是通過硬體來定制，而是通過軟體來實現，功能軟體與硬體平臺是一種“動態繫結”的關係，而非傳統的“硬綁定”關係。
2) 軟體構件化
各功能劃分為功能軟體配置項，並明確了功能軟體構件與其駐留晶片的映射關係，通過替換或擴展原功能軟體構件，實現系統能力升級和動態重構。
3) 動態可重構
動態可重構要求硬體資源根據功能需求靈活進行分配調度，使硬體資源的規模可以按照功能的強弱進行擴展或裁剪。
五是多感測器的牽引協同設計。利用綜合化衛星具有的多感測器資源，通過在統一時空基準的協同、調度、快速處理，將詳查與普查相結合、有源探測與無源探測相結合來提高對目標的探測精度、發現概率、識別概率。
結 語
本文針對航空與艦載電子裝備正向綜合一體化方向發展的趨勢設計了一種航太綜合一體化載荷的總體架構，從能力視圖、系統視圖、技術視圖三個方面描述了這一架構的技術特點。密切結合其技術特點，按照系統工程的基本方法，從系統的矩陣式劃分及責任介面、設計師任命與職責的矩陣式關係、研製過程中功能與物理設備的分解匯合的關鍵點等方面提煉出一套適用于綜合化載荷研製的矩陣式技術管理方法，以期達到指導工程實踐的目的。
【參考文獻】
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[5] 楊小牛. 基於“軟體星”的綜合一體化空間資訊系統[J]. 電子科學技術評論, 2004 (4) : 15-22.
[6] 蔡愛華, 范強. 下一代機載任務電子系統總體設計思考[J]. 中國電子科學研究院學報, 2016, 11(2): 111-114.
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[8] 宋征宇. 載人運載火箭軟體工程化二十年實踐[J]. 載人航太, 2013, 19(3): 1-7.
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