黃璐 孫斌 華煜明 金勝

（北京跟蹤與通信技術研究所， 北京， 100094）

1 引言

航天測控雷達主要用于對運載火箭、 航天器的飛行軌跡 （或軌道） 和目標特性參數(shù)進行跟蹤測量， 為評定飛行器的技術性能和精度、 改進設計和定型提供數(shù)據(jù)， 為安全控制系統(tǒng)實時提供安全信息， 為應用系統(tǒng)提供有關數(shù)據(jù)等[1]。 為了更有效地提高雷達的可靠型、 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)揮雷達設備的使用效能， 并能及時運用當今科技創(chuàng)新的最新研究成果不斷提升其性能， 雷達系統(tǒng)有必要采用標準化的、 開放式的系統(tǒng)架構。 從國內(nèi)外電子設備開放系統(tǒng)實現(xiàn)的技術途徑來看， 支撐開放式體系架構的標準化通用信息處理平臺是其中的核心部分， 也是支撐雷達業(yè)務功能滿足不同應用需求的基礎。

為滿足航天測控任務的多樣化高標準需求，航天測控雷達逐漸表現(xiàn)為系統(tǒng)復雜、 造價昂貴、使用率高等特點， 傳統(tǒng)的根據(jù)應用需求和使用場合專門定制的雷達信號處理系統(tǒng)設計方法顯得越來越繁瑣和不實用。 這種雷達信號處理系統(tǒng)的設計方法雖然針對性強、 性能較好， 但設計周期長， 靈活性差。 根據(jù)雷達信號處理系統(tǒng)的特點，利用標準化的硬件平臺， 將雷達信號處理系統(tǒng)進行模塊化的設計逐漸成為時代主流。

新一代航天測控雷達尤其是采用數(shù)字陣列體制的雷達， 信號處理系統(tǒng)正向著標準化 （模塊化）、 可擴展、 可重構、 可升級的方向發(fā)展。 目標回波信號經(jīng)數(shù)字采樣后， 全部由雷達綜合信息處理平臺進行軟件化處理。 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、 海量運算的應用需求；②具備分布式計算、 協(xié)同處理能力； ③能夠動態(tài)部署、 管理多個節(jié)點； ④具備模塊化、 組件化、開放架構等特點。 為此需以統(tǒng)一的硬件平臺和統(tǒng)一的軟件架構為基礎， 以標準化總線結構和傳輸協(xié)議實現(xiàn)內(nèi)外層數(shù)據(jù)交換， 通過軟件實時加載實現(xiàn)體系先進開放、 硬件規(guī)范統(tǒng)一、 功能柔性重構的目標。

本文結合航天測控雷達的任務特點和具體的應用需求， 按照標準開放體系架構的總體設計思想， 設計提出航天測控雷達標準化綜合信息處理平臺的新型架構， 并明確總線結構、 數(shù)據(jù)交互模塊、 通用處理模塊等關鍵硬件實現(xiàn)方式， 為雷達信號處理、 數(shù)據(jù)處理、 管理控制、 應用規(guī)劃等提供一體化的綜合性平臺， 實現(xiàn)高性能實時計算和高速數(shù)據(jù)傳輸， 滿足航天測控雷達高實時性和大容量數(shù)據(jù)處理需求。

2 總體考慮

隨著雷達數(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現(xiàn)所有雷達信息處理任務。

針對這種趨勢， 雷達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)架構簡潔， 集成度高。 雷達系統(tǒng)性能的升級、 功能的重構主要圍繞這兩大核心組成部分進行。 前端形成了雷達系統(tǒng)的功率孔徑， 決定了雷達的探測能力； 后端實現(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合相應功能的軟件模塊來實現(xiàn)雷達信息處理。 模塊間通過通用的交換模塊完成數(shù)據(jù)交互， 實現(xiàn)雷達系統(tǒng)探測報告的生成。 前端和后端處理進一步細分為多個模塊， 每個模塊分別履行獨立的功能， 模塊之間定義標準的接口。 平臺所有模塊均基于開放式、 標準化硬件處理平臺實現(xiàn)， 并具備較強的運算處理能力， 滿足處理需求， 同時具有統(tǒng)一的軟件化開發(fā)環(huán)境， 能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件解耦合， 支持面向應用的開發(fā)方式， 提高開發(fā)效率以及軟件可重構能力。

圖1 雷達系統(tǒng)總體架構示意圖

因承擔的具體任務不同， 不同型號的航天測控雷達在功能要求、 探測目標類型、 使用要求、接口設計等方面各不相同， 因此， 航天測控雷達標準化信息處理平臺應將各種異構處理器、 存儲、 網(wǎng)絡等資源以模塊的形式通過標準靈活的互聯(lián)方式組合成分布式計算集群。 充分利用DSP、FPGA、 CPU、 GPU 等異構處理器的計算特征，為雷達應用中具有不同計算類型的業(yè)務提供相匹配的計算能力， 并支持不同類型的靈活互聯(lián)模式， 以較高的性價比實現(xiàn)各種測控任務所需的功能性能、 可重配置、 故障隔離等特點。

平臺主要由通用模塊和標準總線組成， 如圖2所示， 各模塊間采用廣泛使用的統(tǒng)一的工業(yè)標準作為各模塊間的互聯(lián)標準， 提高模塊互聯(lián)、 互通和互操作能力， 整個平臺具有架構統(tǒng)一、 模塊接口標準、 擴展靈活、 系統(tǒng)裁剪方便等特點。 根據(jù)此架構， 標準化信息處理平臺由一系列開放式、標準化模塊組成， 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一體化綜合信息處理， 包括DSP、 FPGA、 CPU、 GPU 等[1]。

圖2 標準化信息處理平臺架構

3 總線結構

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 標準是一個系統(tǒng)級標準， 適合應用于軍工、 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 標準基礎上制定了OpenVPX（VITA65） 標準， 重新定義了系統(tǒng)級的兼容框架， 在背板結構、 系統(tǒng)管理、 交換互聯(lián)和互用性方面做了很多修改和補充， 使不同廠家產(chǎn)品之間的兼容性大大增加。

航天測控雷達信息處理的特點是實時性強、數(shù)據(jù)量大， 帶來高性能計算和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?適于采用多處理器并行技術和高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術搭建通用信息處理平臺， 因此， 航天測控雷達的信息處理平臺架構宜采用OpenVPX 總線結構。

4 數(shù)據(jù)交互模塊

數(shù)據(jù)交互模塊主要完成多個通用處理模塊、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， 所有模塊之間應實現(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)議或標準： 時序控制協(xié)議、 任務管理協(xié)議、 健康管理協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

a） 時序控制協(xié)議：主要用于強實時性要求的時鐘、 雷達工作時序、 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） 任務管理協(xié)議：主要用于系統(tǒng)任務下發(fā)、資源管理與調(diào)度、 動態(tài)重構、 軟件重加載、 固件燒寫、 任務狀態(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)議標準。

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)議標準。

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。

PCIe 是一種基于數(shù)據(jù)包的串行連接總線， 其結構簡單、 成本較低， 但擴展性較差， 當連接多個設備時， 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)的世界上第一個嵌入式互聯(lián)國際開放標準[3]。 具有高性能、 高可靠性、 低時延、低引腳數(shù)的特點， 串行Rapid IO （SRIO） 接口可實現(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， 最適合對時延要求不高的設備間應用， 或帶寬要求較低的板上/板間應用，是使用最廣泛的通信協(xié)議標準， 其優(yōu)點是結構簡單、 工作可靠、 易于擴展、 傳輸距離遠等。 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)傳輸率可以達到10Gbps， 以銅纜或光纜為傳輸介質(zhì)， 最大傳輸距離可以達數(shù)十公里， 具有損耗低， 傳輸速率高，傳送距離遠， 可自定義協(xié)議等特性。

因此， 為滿足新一代航天測控雷達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， 數(shù)據(jù)交換協(xié)議可采用FC 協(xié)議實現(xiàn)外層數(shù)據(jù)交換， 以SRIO 或以太網(wǎng)實現(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。 考慮應用場景需要和芯片技術發(fā)展趨勢， 需選擇適合的處理器和處理器組合構建雷達系統(tǒng)的硬件平臺。

DSP 即數(shù)字信號處理器， 是一種適合于進行實時數(shù)字信號處理運算的微處理器， 其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法， 特點是多級流水， 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的優(yōu)點，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， 并可以實現(xiàn)更高效率的數(shù)據(jù)運算、 協(xié)議轉換和各種邏輯信號的產(chǎn)生等， 適合做邏輯控制， 但其編程實現(xiàn)較為麻煩。

CPU 即中央處理器， 內(nèi)部結構包括控制單元、 邏輯運算單元和存儲單元三大部分。 其標準化和通用性較好， 支持操作系統(tǒng)， 所以以CPU為核心的系統(tǒng)方便人機交互以及和標準接口設備通信， 非常方便而且不需要硬件開發(fā)， 但其實時性較差， 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， 可以在多個內(nèi)核之間劃分和處理任務， 常采用具有高性能顯卡的嵌入式計算機實現(xiàn)， 其中三維顯示能力對計算機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的應用需求仍有差距。

對于相控陣體制的航天測控雷達而言， 數(shù)字波束形成 （DBF） 通常需要完成多達數(shù)百上千個接收通道數(shù)據(jù)的接收和加權合成處理， 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 實現(xiàn)IO 接收和并行邏輯運算。

不同類型、 不同數(shù)量的通用處理模塊均作為運算資源進行統(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， 完成相應的雷達處理任務。 所有通用處理模塊采用統(tǒng)一的結構形式和互連標準， 從而真正實現(xiàn)不同廠家的各類模塊互連、 互通和互換， 同時可根據(jù)不同任務的需求對各類模塊進行任意組合和規(guī)模擴充。

根據(jù)系統(tǒng)對各階段數(shù)據(jù)處理能力和實時性的不同要求， 可將通用處理模塊分為3 類處理節(jié)點： 基于高速大容量FPGA 的DBF 處理節(jié)點完成多路數(shù)字波束形成； 基于高性能DSP 或FPGA的信號處理節(jié)點完成大量重復的規(guī)律性運算； 基于通用高性能計算機的信息處理節(jié)點完成多任務處理、 管理和通信。 這樣的組合可以大大提高各節(jié)點的運算能力， 減少系統(tǒng)體積， 計算節(jié)點可以靈活有效的按需擴展， 單個計算節(jié)點故障不會影響系統(tǒng)運行。 除了3 類處理節(jié)點外， 還包含一個監(jiān)控與管理單元， 負責對系統(tǒng)相關命令的解析、平臺內(nèi)各個部分的監(jiān)控維護、 實現(xiàn)對計算節(jié)點資源的任務調(diào)度和管理等， 確保系統(tǒng)可靠有效的工作， 確保計算任務有效的分配。 通用處理模塊架構見圖3。

圖3 通用處理模塊架構示意圖

6 結束語

本文研究建立的航天測控雷達標準化信息處理平臺架構， 可對雷達的硬件資源進行集中管理和按需分配， 為雷達信號處理、 數(shù)據(jù)處理、 任務管理、 應用規(guī)劃提供一體化的綜合性平臺， 貫穿雷達信息獲取、 表示、 存儲、 分發(fā)以及綜合處理流程的全過程， 實現(xiàn)高性能實時計算和高速數(shù)據(jù)傳輸， 滿足航天測控雷達高實時性和大容量數(shù)據(jù)處理需求。 下一步將重點研究建立相關的標準規(guī)范， 以及基于標準化信息處理平臺的軟件標準與技術規(guī)范， 規(guī)范雷達軟件的系統(tǒng)設計和需求分析， 支持航天測控雷達根據(jù)不同任務需求進行形態(tài)靈活重構和功能便利升級。