雷达系统功能分解和组件复用技术研究

段 平

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

“软件化雷达”是具有标准化、模块化、数字化技术特点的新型雷达系统，具有开放式体系架构，可以适应“面向实际需求，以软件技术为核心”的开发理念，以软件化开发模式灵活地实现系统扩展、更新和升级。

通过对软件化雷达技术的深入研究应用，有助于缩短雷达装备研制周期、降低装备研发和全寿命维护费用，实现方便新技术植入、快速响应不断变化的任务需求目标。

系统架构是指系统的功能、软件和硬件组成及组成之间的关系(百度百科)。开放式架构最重要的特点是“开放”，什么是“开放”？“开放”什么？怎么“开放”？是一个非常值得研究的问题。本文从雷达系统功能分解和功能模块界定以及关键接口制定的角度，阐释开放式架构的内涵。

1 功能分解和模块界定的意义

软件化雷达技术采用开放式架构，打破封闭、垄断的研发模式，推崇多方合众方式完成雷达系统研发。开放的系统架构可以直接带来多个团队共同参与，公共组件多次复用，利用COTS技术和产品提升能力，新技术快捷植入等好处。

系统架构是指系统的组成与组成要素之间的关系，所谓开放式系统架构，就是将系统分解成行业内具有广泛共识的功能模块，明确界定模块的内涵，定义模块的接口，并在行业内广泛发布，得到功能模块可多方获得、多项目复用的得益。系统功能分解和模块界定决定了系统开放的程度，决定了参与行业与专业范围，决定了系统组成要素直接复用和借用的广度。

合理的功能分解及明确的模块功能界定，有利于实现系统功能的解耦，有利于实现对各个功能模块的接口定义，以及接口规范制定。将系统抽象成多个“功能独立、关系松耦合”的功能模块，有利于实现开放。

这里“开放”的是功能分解的原则，是模块的功能内涵，是模块的接口标准。通过制定涵盖上述内容的相关标准规范，全行业发布、执行，才能够实现开放式系统的建立。

2 功能分解和模块界定的原则

2.1 松耦合原则

开放式系统在构建时应当遵循功能“高内聚”、关系“松耦合”原则进行系统功能分解，核心是将处理与控制进行“松耦合”分解。所谓“高内聚”是指系统组成要素内部功能内聚，每个功能模块只完成某项单一、特定的功能；“松耦合”是指各个功能模块之间交互关系少，最好只存在数据的输入输出级联关系，尽量减少相互之间的交叉、反馈依赖，即上一级模块的输出作为下一级模块的输入，上一级模块的输出不依赖下一级模块的输出，避免形成两级模块之间产生交叉反馈。

2.2 层次化原则

层次化分解设计原则是指在系统分解时应当遵循自顶而下分层分解。依据系统任务功能需求，首先将系统分解成分系统级别的组成，然后对各个分系统再进行模块级别的分解(称为分子组件)，最后对模块进行组件级别的分解(称为原子组件)。在一个系统中各个分系统级组件相互独立，基本不具备可复用性；分子组件由原子组件组合而成，每个分子组件均符合功能“高内聚”原则，可复用性较强；原子组件是最基本的、粒度最小的组件，是各类分子组件的实现基础，可复用性最强，可组合成为各种完成独立功能的分子组件。

2.3 粒度适中原则

功能分解和模块界定的目的是为了最终的系统集成，是为了提高功能模块的复用度，降低系统集成的难度，进而提高系统的成熟度和稳定性。软件化雷达系统集成是基于雷达任务实现的功能模块集成，追求系统综合能力的提升，以功能模块集成最优化性能系统。只有功能模块分解的“粒度”规模合适，才可以保证集成的效果最佳。

功能分解粒度太粗，造成模块功能内聚不足；完成功能较多，意味着使用限制条件具体而且多，所以条件稍有改变便不能直接复用；难以形成大量可复用单元，导致参与门槛较高，系统集成简单高效，但不利于模块复用。粒度过细，导致组成系统的内部接口众多、逻辑关系复杂，造成系统集成难度增大。

合适粒度的功能分解，同时兼顾可复用性和低耦合度，结合层次化的设计实现，收到既便于组件研制可多方获得、多项目复用的得益，又可降低系统集成的复杂度，提高系统集成效率。

原子模块粒度小型化：小“粒度”架构设计一种高端体现，可以将功能相近或相同的小“粒度”个体在大的层面进行资源整合；开放的小“粒度”设计可以支撑任意层次的灵活组合。

分子模块“高内聚、低耦合”：尽可能将功能联系紧密、专业相同、相近原子模块构成分子模块，可以简化更高层面的设计。

2.4 可复用原则

采用开放式系统架构希望获得的一个重要得益就是模块的可复用性，利用可复用的软硬件模块可快速集成新系统，避免“重复造轮子”。模块的可复用性是开放式系统构建中的一个重要原则。在模块或子系统研制、开发的初始，就需要遵循开放式系统构建原则，考虑模块的可重用性，只有这样这些模块或子系统才能在未来的产品中重用。可以这样说，灵活性和开放性甚至比暂时的性能优异更为重要，在设计之初就必须先考虑清楚系统的硬件、软件、人-机接口和机-机接口的开放性。

3 功能分解和模块界定方法

3.1 功能-专业-实现“体”式功能分解法

系统结构是组成及组成之间关系的描述，组成的划分与系统结构有密切的关系。长久以来，雷达装备是按功能“线”划分系统组成的，即：信号产生-放大发射-辐射-接收-变换-信号处理-数据处理-显示控制等，每一部分都是一个软硬件紧耦合的实体，这种划分从满足应用角度来看是合理的。但这种方式未能考虑专业和实现方式，各个环节看似独立，其实各部分之间还存在很多公共的元素未能提取出来，对于开放性实现也难有帮助。比如信号产生和接收机内都会有变频环节，信号产生一般为上变频，接收机为下变频，其实电路的实现基本相同；在信息处理环境问题更加突出，各个环节都需要处理硬件，造成了大量重复。

可考虑采用功能-专业-实现“体”式划分组成，这样可以有效兼顾组成模块功能内聚性、专业内聚性和物理实现的内聚性，从而保证模块具有良好的可扩充性和重组特性，适应专业细分的“扩容”和一体化的功能“融合”，有利于研发、设计资源的优化配置。

这种划分最典型的例子就是国际标准化组织的开放式系统互连模型(ISO/OSI)，通过功能分解、分层专业化和实现上的分解与合并，确保最优的开放性。

3.2 功能分解与组件实现分离

功能分解与组件实现分离方法是指功能分解时尽量细分，组件实现时可以依据设计、工艺、制造、使用条件适当组合实现。将组件的实现和组件的集成分离，“制造”组件时从功能、专业和实现多维度综合考虑细粒度划分，使可复用组件兼顾功能内聚、专业内聚和技术实现内聚，改善组件研制的开放性，提升组件的复用程度。系统集成使用组件时，根据具体情况将细粒度组件分级组装成合适粒度应用组件。例如，由于技术和工艺的进步，瓦片式数字子阵将天馈线、收发和波束波形控制功能集成在一起，各部分功能不同，但专业和实现方式相近，集成后个模块功能依然存在且相互独立，可以复用许多功能电路。对于雷达信息处理环节，各环节功能是相互独立的，专业有所不同，但载体和技术实现方式相近。在功能分解时可以将模块划分到基本运算函数级别，在装配使用时再由不同专业人员分级组合成各种分系统应用直至雷达任务应用组件。

3.3 功能模块接口的确定方法

如何对功能模块接口进行标准化规范，以确保得到多数人认可的开放性，是一个重要的问题。可以从共识度、发展趋势是否明确，相应成熟COTS产品与技术的数量等方面研究确定接口。接口的标准规范化同样影响开放的程度，可从物理连接电气标准、网络传输控制协议、信息表示与会话等多个层次进行规范。若某个层次得不到统一，则兼容并存几种，但需统一其API，确保其上层应用的统一和可移植。

同时还需要对软件层次之间，同层模块之间，上下层次模块之间接口的实现进行约束，形成上可调下、下不可调上，同层模块可互调，同层调用接口界面统一等利于扩展升级和新技术成果能及时植入等形态。

对于雷达天线阵面内的纯硬件和软硬件复合类功能模块接口，可规范其接口传输信息内容，对接口物理标准不宜做硬性规范。

对于纯软件模块的接口，由于模块采用了多级分层分解，接口按照组合层次逐级继承。分系统应用继承相关分子组件接口；分子组件继承相关原子组件接口；原子组件接口采用国际通用的VSIPL标准规范，由此可实现所有层级应用组件的高效跨平台移植，实现纯软模块的软硬件解耦。

4 软件化雷达海基验证平台功能分解实践

按照上述原则和方法，对软件化雷达海基验证平台进行了功能分解实践。首先将验证平台分解为天馈线、收/发、微波源、波束波形控制、传动伺服、信号处理、数据处理、资源管理控制、显控终端等分系统。图1为分系统间的信息流和控制流关系。

图1 分系统间的信息流和控制流关系

继续将各分系统进一步分解成如表1所示的功能模块类。

表1 分系统功能模块表

最后将部分功能模块继续分解成为分子级的可复用模块，纯软的分子级模块最终由原子级的标准算术和信号处理函数库支撑。整个海基验证平台分层分解如图2所示。

图2 海基验证平台分层分解

在实现时各模块会进行不同程度的集成，但各自功能仍然存在且相互独立，只是在物理上形式上将多个功能模块集成在了一起。由于信号处理、数据处理、资源管理调度控制、显控终端等均采用数字化处理，目前已具备构建统一的信息处理平台，采用集中或分布处理的方式，将这些功能模块进行集成的条件。集成后各个功能模块间将只存在软件模块的信息交互，仅需确定各软件模块间的信息传递内容，不用关心具体物理接口形式，采用数据流驱动的方式实现软件模块的集成和处理，具体信息交互的物理接口形式由信息处理平台提供。

上述分子级组件在实现层面应当遵循可复用设计方法，将数据输入、输出接口和参数配置接口独立出来，采用通讯中间件(如DDS)将接口进行标准化封装，规范组件间传递内容和数据表达格式，封装测试后的组件进行出入库管理，实现组件在不同雷达系统中的共享和重用，进而实现知识和专有技术的有效传承。

5 结束语

系统功能分解和模块功能界定是构建开放式系统的基础。本文针对软件化雷达技术提倡的开放式系统架构和组件复用相关技术进行了研究，提出了符合开放式架构思想的雷达系统功能分解的原则和方法，最后提供软件化雷达验证平台实例给出了系统功能分解的实施步骤和最终成果。希望可为我国软件化雷达技术的深入研究和技术实践提供一定参考。