一种新型航天综合化载荷架构研究

张晓波,王 赞,史 劼,周 彬

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

传统航天有效载荷研制经过多年的实践，其研制管理方面具有成熟的经验，其采用“一箭定终身”的模式，任务功能与物理设备绑定，不具有重构能力[1-4]。

航天电子系统尽管划分为探测、侦察、成像等不同专业，但其共性组成为天线收发、信道传输、信号处理、数据处理等。随着电子技术向数字化的飞速发展，射频收发实现了通道化，信号处理、数据处理实现了数字化，这给任务功能与物理设备解耦合的综合一体化设计奠定了实现的基础。

综合一体化载荷是一种新兴的技术体制，采用任务功能与物理设备解耦合设计，具有一星多用的优势，降低了体积重量和功耗，提升了系统能力。在设计上采用模块化、综合化和智能化的开放式结构，将多种系统功能如通信中继、电子侦察、电子干扰、对地/对海有源探测、全球导航定位、信息分发广播、空间网络交换、多源信息融合等集于一体，可以通过软件加载完成功能重构，从而实现具有资源共享、动态重构等能力的新概念的综合电子系统，代表了当今电子信息装备的发展方向[5]。但是由于综合化载荷研制需要将任务功能与物理设备解耦合，会出现专业跨度大、技术协调频繁、技术责任把关复杂等问题，研制管理尚处于摸索磨合阶段，亟需深入领会系统工程的基本方法，密切结合综合化载荷的技术特点提炼出一套适用于综合化载荷研制的管理架构，解决多个专业单位联合研制中的技术管理问题。

1 技术架构

航天综合化有效载荷以“软件定义功能”为设计理念，以阵列技术、高速传输与交换技术、高性能计算技术等为基础，采用开放式硬件架构和“软件无线电”的开放式软件架构，通过基于插件的软件加载方式实现多种功能的重构和性能升级，形成开放通用、可持续迭代升级的天基信息装备。下面从能力视图、系统视图、技术视图三个方面来介绍该新型载荷系统的架构。

1.1 能力视图

目前各类作战平台电子装备正向综合一体化的方向发展[6]，逐步模糊雷达、电子侦察、通信等装备之间的差异，如航空电子系统的综合传感器系统、航空或舰用电子系统的综合射频孔径，其典型系统有美军F-22的电子系统、F-35的电子系统、新一代舰载DDG-1000综合电子信息系统等。此类综合电子信息系统在设计上采用了模块化、综合化和智能化的开放式结构，将雷达、电子战、通信、导航和识别等多种系统功能集于一体，可以通过软件加载完成功能重构，从而实现具有资源冗余共享、动态重构、高利用率和便捷维修等众多全新概念的综合电子系统，代表了当今作战平台装备的发展方向。

以“软件定义功能”为设计理念的综合一体化技术可以逐步实现天基信息装备多传感器融合和多功能综合，不仅可有效提高天基信息装备装备的投入费效比，也必将带来航天装备技术、应用模式和管理方式的革命性变化。

1.2 系统视图

传统的多功能“烟囱式”系统通过每个功能独立设备来实现的方式构建系统，这种系统不具备扩展、升级、成长能力。而综合化系统通过研究各个功能的设备共性和个性，构建一套设备兼容各个功能的资源需求，通过软件或扩展硬件模块的方式实现系统的升级、扩展、重构能力。

图1 综合化载荷硬件架构

图1是综合化载荷硬件架构，将硬件进行了五个方面的综合。

(1)综合孔径

阵面统筹规划工作频率，实现光学和微波的宽频段覆盖，每个频段统筹考虑实现多个功能。根据具体情况可选用数字阵列、模拟阵列、单元天线等体制。其中数字阵列[7]体制对天线阵信号高速AD采样后，通过计算合成天线方向图，可以实现同时多波束覆盖和任意形状波束生成，极大地增强了系统灵活性，实现系统多功能和同时多模式工作。

(2)综合传输

完成综合孔径至综合处理的数字信号/模拟信号汇集分发、模拟信号模数转换，完成综合处理至综合孔径的数字信号传输，并为综合孔径提供辅助控制信号。

(3)综合信号处理

通过动态部署任务功能软件构件，完成各种任务功能的数字信号处理，包括数字变频、信号波形产生、数字波束形成、脉冲压缩、目标检测、参数测量、信号分选、信号波形解调、编/译码、协议处理等处理。

(4)综合数据处理

完成各种任务功能的数据处理，包括航迹跟踪、信号分析与识别、图像特征提取、多源信息融合处理等

(5)综合监控与调度

用于完成系统的状态监视以及调度和管理各传感器资源，控制系统完成功能重构。

图2 综合化载荷软件架构

图2是综合化载荷的分层软件架构，从基础层到应用层共分成4层，可实现功能的动态加载和重构。

(1)功能应用层

功能应用层实现系统设计功能项的算法软件、信号处理软件、数据处理软件、功能控制软件以及相应功能线程的控制接口，功能软件主要驻留在各处理模块的DSP、FPGA、CPU等处理器中实现功能。

(2)共用服务层

完成任务启动、执行、结束等任务调度管理。完成系统软硬件资源的管理和调度，监测系统硬件、物理平台各层软件的运行状态，故障定位，故障处理，完成功能插件的安装、卸载、配置和管理，提供时空基准信息服务等共用的基础服务。

(3)中间件层

通信中间件层位于操作系统之上，应用软件之下。向上为应用软件提供通信服务，平台资源管理服务。向下通过硬件抽象适配层，实现平台硬件的操纵与控制的驱动层软件接口。

(4)驱动基础层

驱动基础层为系统的基础操作环境，包括操作系统、板级支持包以及驱动程序。

1.3 技术视图

综合化载荷架构的核心技术是架构总体技术和软件无线电的动态部署技术。

(1)综合化架构总体技术

研究模块化、开放式、可重构体系架构，充分发挥微电子技术、宽带无线电技术、宽带高速信号传输技术、信号处理技术，构建开放式软硬件架构，通过在统一硬件平台上加载不同的功能软件，实现不同的应用任务，使系统具备功能升级、扩展、重构的能力。

综合孔径技术是研究对天线及射频前端的综合实现多种应用功能，提高综合配置管理和电磁兼容性，消除天线数量过多导致的尺寸、重量、供电等资源的极度增加。处理技术的综合是研究通用化处理资源池技术，包括通用信号处理池、通用数据处理池、存储资源池及高速交换网络，支持多个功能的信息处理。

(2)软件无线电的动态部署技术

“蓝图”是用于描述任务功能运行时所需的软硬件资源，以及资源映射关系的一种数据结构，蓝图包括硬件蓝图、应用蓝图、功能部署蓝图、资源映射规则和运行蓝图，以及故障重构蓝图。研究如何根据蓝图将软件构件部署到预定的硬件平台上，实现软件构件与硬件资源的动态绑定，通过软件构件的运行组合形成功能应用所需的多个功能线程，完成功能应用的集成。

2 管理架构

2.1 系统划分与工作关系

图3是综合化载荷的系统划分，从功能与物理两个维度进行了矩阵式划分，工作关系具有嵌套的特点，需要在系统总体的组织下明确分工责任界面，经过多轮迭代推进方案设计。

图3 功能与物理的矩阵式系统划分

(1)系统总体方案的确定过程

功能分系统按照五综合的基本架构，依据功能的战术指标设计功能的初步硬件部署方案，给出对物理系统的计算、传输、存储、散热的初步资源需求。系统总体组织对功能资源需求的评审确认。物理系统按照确认后的功能资源需求，统筹多个功能的需求，在五综合的基本架构下细化硬件方案，给出大致满足各功能需求的初步硬件方案。系统总体组织功能与物理系统对硬件方案的专题协调，经过平衡折中最终确定硬件方案。

(2)分工责任界面

功能分系统负责对战术指标的实现论证、工作模式、工作流程设计、软件配置项(功能应用层)研制、软件执行过程设计、功能测试设计，提出对物理分系统的资源需求，配合系统总体进行资源需求的协调确认。物理分系统负责综合一体化设备的电路设计、结构热控设计、内外接口设计、软件配置项(共用服务层、中间件层、驱动基础层)研制、元器件选用、六性设计等，制定软硬件接口规范，满足体积、重量、功耗、热耗的指标要求，配合系统总体进行功能的调试测试。

2.2 设计师任命与职责

航天综合化载荷是一种新型的技术架构，为了使设计师队伍更好的与这一技术架构相适应，设计师岗位设置与分工考虑在工程总体中设置1名总师，7名副总师，分系统里面按照系统划分设置综合孔径、综合传输等物理设备负责人，设置各个功能的负责人。

工程总体中人员设置：总师(主持全面工作，分管产品保证)、微波类物理设备副总师、信息处理类物理设备副总师、任务功能副总师、航天器适装副总师(机、电、热、信息等接口设计)、结构热控副总师、系统软件副总师、系统六性副总师。

分系统中人员设置：综合孔径负责人、综合传输负责人、综合信号处理负责人、综合数据处理负责人、综合监控与调度负责人、功能1负责人、功能2负责人……等。由于在综合化的物理设备上，功能是可以在轨扩展的，故子功能负责人的数量也是随着任务在增加的，但都要纳入该工作关系之中，在任务功能副总师的统筹指导下开展工作。

总师与副总师以及各物理设备负责人、功能负责人的工作关系如图4所示。

图4 设计师任命与职责的矩阵式关系图

2.3 研制过程的关键点

工程总体从研制需求出发，制定了工程各研制阶段的技术要求和基本方案，明确了技术流程，制定了完成任务的标志，使整个工程在各研制阶段起始前有明确要求，过程中有可遵循的技术流程，研制结束后以完成标志作为检查评价的标准。转初样是系统研制的里程碑节点，主要完成标志为4条：完成关键技术攻关、明确内部和外部接口，明确系统方案、完成软件顶层设计[8]与部署。

图5 矩阵式研制过程

研制过程如图5所示，其中灰色的方框是系统总体要牵头负责的工作项。综合化载荷相比传统载荷的研制流程的特点是功能研制与物理设备研制的适时分解与汇合，要把握住五个关键的点：

一是自顶向下明确系统功能需求，综合化仍然是手段，不是目的，目的仍然是实现任务功能，为此要梳理出系统的功能需求，划分为工作模式、工作时长、任务剖面等，作为功能分系统与物理分系统设计的输入。

二是物理分系统与功能分系统的接口控制文件，需要明确功能软件在物理设备的部署位置及之间的接口关系，包括对总线网络类的接口链路描述和对数据类链路、日志类链路、与硬件控制链路、功能构件的控制链路的信息类链路描述。

三是功能与物理分阶段的联调联试。首先，功能软件的开发需要用到最小规模的物理设备构建开发环境。在物理分系统初样件设备完成联调后，功能软件加载到物理设备上开展功能与物理设备的联调。完成功能软件联调后，系统的部分战术指标在功能与物理的组合体上进行地面测试。

四是系统软件设计。为保证软件定义功能的实现，软件设计要满足：

(1)功能软件化

软件定义功能的最大特点就是其功能不是通过硬件来定制，而是通过软件来实现，功能软件与硬件平台是一种“动态绑定”的关系，而非传统的“硬绑定”关系。

(2)软件构件化

各功能划分为功能软件配置项，并明确了功能软件构件与其驻留芯片的映射关系，通过替换或扩展原功能软件构件，实现系统能力升级和动态重构。

(3)动态可重构

动态可重构要求硬件资源根据功能需求灵活进行分配调度，使硬件资源的规模可以按照功能的强弱进行扩展或裁剪。

五是多传感器的牵引协同设计。利用综合化卫星具有的多传感器资源，通过在统一时空基准的协同、调度、快速处理，将详查与普查相结合、有源探测与无源探测相结合来提高对目标的探测精度、发现概率、识别概率。

3 结 语

本文针对航空与舰载电子装备正向综合一体化方向发展的趋势设计了一种航天综合一体化载荷的总体架构，从能力视图、系统视图、技术视图三个方面描述了这一架构的技术特点。密切结合其技术特点，按照系统工程的基本方法，从系统的矩阵式划分及责任界面、设计师任命与职责的矩阵式关系、研制过程中功能与物理设备的分解汇合的关键点等方面提炼出一套适用于综合化载荷研制的矩阵式技术管理方法，以期达到指导工程实践的目的。

[1] 钱学森．论系统工程[M]．长沙: 湖南科学技术出版社, 1988.

[2] 郭宝柱.“系统工程”辨析[J]. 航天器工程, 2013, 22(4): 1-6.

[3] 胡世祥, 张庆伟. 中国载人航天工程—成功实践系统工程的典范[J]. 中国航天, 2004(4): 3-6.

[4] 徐福祥．卫星工程[M]．北京: 中国宇航出版社, 2002: 55-77.

[5] 杨小牛. 基于“软件星”的综合一体化空间信息系统[J]. 电子科学技术评论, 2004 (4) : 15-22.

[6] 蔡爱华, 范强. 下一代机载任务电子系统总体设计思考[J]. 中国电子科学研究院学报, 2016, 11(2): 111-114.

[7] 吴曼青, 葛家龙. 数字阵列合成孔径雷达[J]. 雷达科学与技术, 2009,7(1): 1-9.

[8] 宋征宇. 载人运载火箭软件工程化二十年实践[J]. 载人航天, 2013, 19(3): 1-7.