軟件定義導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展研究

摘要：隨著軟件在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用越來越大，軟件定義正在成為一種新的發(fā)展趨勢。針對軟件定義技術(shù)在導(dǎo)彈武器領(lǐng)域應(yīng)用面臨的系統(tǒng)架構(gòu)約束、硬件通用性差及多種架構(gòu)計算平臺共融等問題，遵循硬件模塊化、軟件平臺化、業(yè)務(wù)構(gòu)件化的原則，開展軟件定義導(dǎo)彈開放性體系架構(gòu)、高效能通用計算平臺和彈載可裁剪嵌入式軟件運行環(huán)境的研究和設(shè)計，提升導(dǎo)彈全系統(tǒng)資源利用率、任務(wù)性能和系統(tǒng)可靠性，為以軟件定義為代表的先進技術(shù)在導(dǎo)彈領(lǐng)域得以應(yīng)用提供支撐。

隨著通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機等技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用越來越大，軟件定義正在成為一種必然發(fā)展趨勢。但是與其他成功應(yīng)用軟件定義技術(shù)的領(lǐng)域相比，導(dǎo)彈領(lǐng)域相對封閉。傳統(tǒng)導(dǎo)彈武器裝備的研發(fā)模式通常是，為實現(xiàn)特定打擊任務(wù)研發(fā)某種型號的導(dǎo)彈，配備專屬的團隊從基礎(chǔ)開展研發(fā)，以硬件為主開展定制化設(shè)計，軟件附屬于硬件實現(xiàn)特定功能。這種模式研發(fā)周期長、成本高，并且不同型號的導(dǎo)彈之間，硬件不能通用、軟硬件難以兼容、部組件難以互換、平滑升級困難，嚴重制約了智能化發(fā)展趨勢下導(dǎo)彈整體性能的提升。因此，發(fā)展支持任務(wù)載荷傳感器、執(zhí)行器即插即用、應(yīng)用軟件動態(tài)加載、系統(tǒng)功能實時重構(gòu)的全新導(dǎo)彈系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。

1 軟件定義導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

軟件定義導(dǎo)彈技術(shù)旨在通過彈上硬件模塊化、軟件平臺化和業(yè)務(wù)組件化實現(xiàn)資源的高度整合，提高全系統(tǒng)資源利用率、任務(wù)性能和系統(tǒng)可靠性，降低全生命周期成本。在歐美傳統(tǒng)軍事強國中，基于深度模塊化的導(dǎo)彈系統(tǒng)功能現(xiàn)場定義技術(shù)已經(jīng)受到高度的重視，被視為提升未來作戰(zhàn)能力的重要技術(shù)。新一代導(dǎo)彈武器的概念設(shè)計中已采用上述思想，并實施了部分技術(shù)演示驗證。

歐洲導(dǎo)彈公司為應(yīng)對2030年后的戰(zhàn)爭對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在經(jīng)濟性、作戰(zhàn)靈活性等方面的要求，提出了F1exiS導(dǎo)彈。這種導(dǎo)彈采用完全模塊化設(shè)計，可根據(jù)不同的打擊目標和作戰(zhàn)效能需求，在現(xiàn)場選擇相應(yīng)模塊，自動組裝，完成掛載。導(dǎo)彈通過直接配置選用平臺中提供的模塊硬件，按照標準規(guī)范組建基礎(chǔ)硬件平臺，通過加載不同的功能軟件為導(dǎo)彈武器賦予定制化功能，并在導(dǎo)彈維護過程中提供硬件快速換裝、軟件動態(tài)升級的支撐能力，覆蓋了導(dǎo)彈全生命周期過程。

美國海軍為應(yīng)對新一代飛機和反艦導(dǎo)彈的威脅開始研制生產(chǎn)標準系列導(dǎo)彈，該系列導(dǎo)彈在發(fā)展過程中導(dǎo)彈主體尺寸幾乎沒有變化，而通過更新內(nèi)部設(shè)備實現(xiàn)導(dǎo)彈性能的提升。該系列中標準一導(dǎo)彈制導(dǎo)艙采用模塊化的電子集成設(shè)計，極大提高了武器系統(tǒng)性能，后期可以不斷的根據(jù)軍事需求增加軟件功能，同時在不影響整體的情況下通過局部升級提升性能，使其具備強大的生命力。在標準-6導(dǎo)彈研發(fā)初期，導(dǎo)彈項目辦公室決定使其具備再編程能力。利用“通用彈藥內(nèi)置測試再編程設(shè)備”為已經(jīng)部署的導(dǎo)彈現(xiàn)場安裝軟件，從而大大縮短系統(tǒng)升級時間。在2016年，該型導(dǎo)彈通過軟件升級實現(xiàn)了反艦作戰(zhàn)能力。

美軍最新研制的LRASM遠程反艦導(dǎo)彈(如圖1所示)，通過采用硬件模塊+總線、軟件模塊+軟件中間件的方式，能夠部署更加先進的任務(wù)系統(tǒng);基于模塊化軟硬件分離的集成設(shè)計，為大規(guī)模軟件系統(tǒng)的設(shè)計、部署、驗證提供了全生命周期的支撐環(huán)境，進而為LRASM導(dǎo)彈縮短軟件研發(fā)維護周期，降低成本，提升系統(tǒng)可靠性提供了堅實基礎(chǔ)。該導(dǎo)彈采用綜合化、分布式傳感、集中信息處理模式，支撐態(tài)勢感知、信息融合、任務(wù)規(guī)劃、自主避障、實時組網(wǎng)、智能決策等智能化作戰(zhàn)能力。

圖1 LRASM遠程反艦導(dǎo)彈

目前，國內(nèi)導(dǎo)彈武器研發(fā)企業(yè)也在軟件定義導(dǎo)彈技術(shù)體系和關(guān)鍵支撐技術(shù)等方面開展探索實踐。

雖然軟件定義技術(shù)在國內(nèi)外許多領(lǐng)域都取得了成功應(yīng)用，但是將軟件定義技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)彈武器裝備上，一方面要結(jié)合國內(nèi)外其他領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，另一方面需要結(jié)合導(dǎo)彈武器裝備強實時、高可靠、資源種類多、結(jié)構(gòu)電磁熱空間約束嚴苛以及任務(wù)確定性強等特點。在具體應(yīng)用的過程中，還有一些問題亟待解決。

(1)傳統(tǒng)導(dǎo)彈武器裝備以分立式系統(tǒng)為基本單位，如控制計算機、慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭等，其特征是軟硬件高度耦合，而軟件定義導(dǎo)彈旨在構(gòu)建“通用硬件平臺+軟件定義系統(tǒng)功能”的模式，實現(xiàn)基礎(chǔ)軟硬件平臺與導(dǎo)彈業(yè)務(wù)軟件分離解耦。因此，傳統(tǒng)導(dǎo)彈武器的體系架構(gòu)無法滿足軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)需求。

(2)軟件定義導(dǎo)彈支撐多類型、多功能導(dǎo)彈，具有業(yè)務(wù)功能多樣、彈上硬件資源有限的特點。這就要求系統(tǒng)內(nèi)資源高度復(fù)用、軟件資源動態(tài)分布式部署，為軟件規(guī)?；?、耦合化帶來一系列挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)彈內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)速率低、互連拓展性差，無法滿足軟件定義導(dǎo)彈高性能數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)通路柔性可調(diào)的需求。

(3)傳統(tǒng)導(dǎo)彈武器未對硬件資源進行綜合化設(shè)計，沒有遵循統(tǒng)一的架構(gòu)和標準，接口并不統(tǒng)一，因此硬件平臺很難實現(xiàn)通用化，無法適應(yīng)軟件定義導(dǎo)彈的快速開發(fā)、硬件平臺模塊化、共用化等需求。

(4)軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)中存在多種異構(gòu)處理平臺，而且系統(tǒng)資源種類多樣。軟件定義導(dǎo)彈軟件系統(tǒng)的開發(fā)需要解決不同種類架構(gòu)共存、面向多軟件功能的資源復(fù)用以及面向多業(yè)務(wù)功能的系統(tǒng)計算處理問題。

針對上述問題，本文提出了軟件定義導(dǎo)彈開放性體系架構(gòu)、高效能通用計算平臺和彈載可裁剪軟件運行環(huán)境三項關(guān)鍵技術(shù)。

2 軟件定義導(dǎo)彈關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1開放性系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)在滿足任務(wù)處理強實時性、高可靠、嚴苛空間約束、靈活高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫘枨蟮幕A(chǔ)上，為面向多類型多功能導(dǎo)彈提供全面支撐，還需要滿足以下三方面的擴展需求。

(1)開放性設(shè)計

軟件定義導(dǎo)彈的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)具有廣泛的開放性、良好的層次劃分、擴展性和可重用性，按一定的規(guī)則對系統(tǒng)框架和功能模塊進行調(diào)配和柔性組合，就可組合出特定功能的導(dǎo)彈系統(tǒng)。采用合理開放結(jié)構(gòu)形式，最大化滿足不同型號需求;采用標準結(jié)構(gòu)、電氣和軟件接口，能夠靈活地實現(xiàn)技術(shù)升級;采用層次化設(shè)計實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)資源在處理器上的動態(tài)調(diào)配，使資源綜合利用率達到最佳。

(2)軟硬件無關(guān)

軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需要滿足軟硬件隔離需求。通過合理分層和層次間標準接口規(guī)范的制訂，實現(xiàn)在不修改平臺運行軟件和應(yīng)用軟件前提下，對底層硬件進行維修/升級，避免硬件升級帶來的軟件重新編寫和測試。當導(dǎo)彈各項系統(tǒng)功能都基于同一標準硬件平臺，軟件可以按照相對獨立、接口一致的軟件模塊進行開發(fā)時，利用可重構(gòu)配置技術(shù)，可在任意處理器上加載任意軟件模塊進而實現(xiàn)多類型系統(tǒng)功能，支撐業(yè)務(wù)運行過程中的動態(tài)調(diào)配，實現(xiàn)深度軟件定義。

(3)可靠高效的彈間通信

軟件定義導(dǎo)彈的電子系統(tǒng)非常復(fù)雜，包括共同實現(xiàn)任務(wù)協(xié)同處理的多個邏輯功能子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)之間需要可靠和高效的數(shù)據(jù)傳遞或轉(zhuǎn)換通路，保障導(dǎo)彈系統(tǒng)整體運行的實時性。

為滿足軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)的基本需求和擴展需求，提出了開放性系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2軟件定義導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)

圖2中的系統(tǒng)架構(gòu)將軟件定義導(dǎo)彈分為硬件平臺和軟件平臺兩部分。導(dǎo)彈的硬件平臺按照不同的應(yīng)用需求選用相應(yīng)的功能模塊，基于開放式、模塊化集成接口實現(xiàn)硬件的即插即用。平臺中光電和射頻等信息通過統(tǒng)一的開放式信息接口接入核心處理標準模塊單元。通過軟硬件部署和動態(tài)重構(gòu)等軟件定義技術(shù)，在模塊單元中配置圖像處理、基帶處理等功能軟件，實現(xiàn)射頻和光電信息的統(tǒng)一化平臺處理。

針對導(dǎo)彈系統(tǒng)的強實時、高可靠、強任務(wù)確定性等任務(wù)特點，軟件平臺采用自主可控的嵌入式實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，同時加入模塊支持層，為上層軟件提供內(nèi)存、時間和中斷等資源。通過在操作系統(tǒng)功能擴展區(qū)配置動態(tài)加卸載等功能構(gòu)件，建立軟件定義導(dǎo)彈軟件運行環(huán)境，實現(xiàn)對應(yīng)用軟件層多種功能軟件的調(diào)度和管理，從而支持軟件定義功能在導(dǎo)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用。為屏蔽不同處理器差異，在軟件架構(gòu)的各層之間設(shè)計統(tǒng)一的編程接口。通過明確的軟件層次和接口定義，實現(xiàn)應(yīng)用程序與底層硬件的隔離，支撐軟件在非特定空間運行，解決傳統(tǒng)分立式導(dǎo)彈軟硬件高度耦合、擴展性差和不利于升級等問題，使導(dǎo)彈能夠利用在標準的硬件模塊上部署相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)飛控解算、導(dǎo)航解算等基礎(chǔ)功能，以及匹配、識別、射頻基帶處理等多種按需定義的擴展功能。

2.2高效能通用嵌入式計算平臺

為滿足不同導(dǎo)彈對硬件平臺的差異化需求，采用交換式互聯(lián)搭建如圖3所示的可柔性擴展的計算平臺。針對軟件定義導(dǎo)彈計算平臺總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)同時具備高帶寬、高實時性、高確定性和高安全性等特點，平臺采用SRIO總線和以太網(wǎng)搭配使用的方案。平臺中各硬件通過交換機模塊相連，通過標準和定制化接口連接至傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、射頻天線等外部設(shè)備。

圖3嵌入式高效能計算平臺模型

彈上嵌入式計算處理資源覆蓋CPU, DSP, FPGA等，為實現(xiàn)對多種類型硬件資源的統(tǒng)一管理和配置，提出以不同處理資源為核心，設(shè)計不同種類功能的標準化硬件模塊，模塊通用架構(gòu)如圖4所示。

圖4模塊通用架構(gòu)圖

為提升硬件模塊通用性，架構(gòu)定義了統(tǒng)一的通用功能區(qū)和差異化的專用功能區(qū)。不同的模塊

具有相同的標準模塊通用功能區(qū)和根據(jù)需求配置的專用功能區(qū)。模塊通用功能區(qū)定義了適用于一整套模塊的通用功能，包括模塊支持組件、模塊電源組件、通訊組件等，為軟件定義功能提供了標準的控制和信息接口。模塊專用功能區(qū)根據(jù)功能需求可配置CPU, DSP等多種異構(gòu)處理資源，以作為實現(xiàn)射頻基帶、光電處理、綜合控制、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、光纖交換等功能的硬件載體;并通過共性需求聚類和共性資源映射，以實現(xiàn)最小化類別、最大化通用。模塊通過標準化物理接口進行互操作和互換。

統(tǒng)一模塊構(gòu)型設(shè)計使硬件模塊具有標準管理接口和功能擴展能力。按照不同的系統(tǒng)應(yīng)用需求，對應(yīng)的功能單元集成到模塊的專用功能區(qū)中，即可定義模塊的功能屬性和性能屬性。模塊的標準化統(tǒng)一接口，有助于通過軟件對硬件模塊進行加載與管理，為實現(xiàn)彈上軟件定義功能提供支撐。

2.3 彈載可裁剪嵌入式軟件運行環(huán)境

為實現(xiàn)多種類硬件資源上嵌入式軟件運行環(huán)境的快速適配、屏蔽底層硬件差異化，提高嵌入式軟件運行環(huán)境對不同模塊處理器、外設(shè)的適應(yīng)性及可移植性，提出如圖5所示的面向軟件定義的彈載可裁剪嵌入式軟件運行環(huán)境。

圖5可裁剪嵌入式軟件運行環(huán)境架構(gòu)

可裁剪軟件運行環(huán)境采用模塊化設(shè)計方式，通過采用組件拆分及封裝，實現(xiàn)了不同功能模塊的解耦，并使其作為組件存在系統(tǒng)中，方便剪裁，提高系統(tǒng)可移植性;為滿足系統(tǒng)后續(xù)進行功能擴展的需求，設(shè)計功能擴展區(qū)，通過添加功能構(gòu)件，實現(xiàn)對軟件定義導(dǎo)彈軟件運行環(huán)境的功能擴展，例如通過添加AMP支持、SMP支持構(gòu)件，在不同硬件平臺上實現(xiàn)模塊化統(tǒng)一架構(gòu)的嵌入式運行環(huán)境。功能構(gòu)件中，軟件功能動態(tài)加卸載構(gòu)件是支持導(dǎo)彈可配置能力的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)軟件定義的關(guān)鍵。導(dǎo)彈系統(tǒng)運行過程中根據(jù)任務(wù)需求，預(yù)先指定或動態(tài)需要某個功能軟件提供服務(wù)時，動態(tài)加卸載功能構(gòu)件能夠?qū)⒅付ǖ墓δ苘浖虞d到系統(tǒng)中，使得調(diào)用該模塊的應(yīng)用具有資源的使用權(quán)利，并實現(xiàn)相應(yīng)的功能。其工作模式如圖6所示。

圖6動態(tài)加卸載組件工作模式

3 結(jié)束語

針對軟件定義導(dǎo)彈架構(gòu)共融、資源共用等需求，設(shè)計開放性的導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)導(dǎo)彈系統(tǒng)內(nèi)軟硬件的解耦，使得彈上軟件能夠進行獨立演化、按需加載、動態(tài)重構(gòu)。為滿足不同導(dǎo)彈對硬件平臺的差異化需求，提出以標準通用硬件模塊為核心的高效能嵌入式計算平臺，通過硬件的模塊化封裝和統(tǒng)一化設(shè)計，提升導(dǎo)彈硬件平臺的通用性。為將導(dǎo)彈的功能軟件與基礎(chǔ)軟硬件平臺分離，支撐導(dǎo)彈系統(tǒng)通過軟件進行升級和擴展的需求，設(shè)計彈載可裁剪嵌入式軟件運行環(huán)境。通過對整體架構(gòu)和軟硬件平臺關(guān)鍵技術(shù)的突破，解決了現(xiàn)階段軟件定義技術(shù)在導(dǎo)彈上應(yīng)用面臨的主要問題。開放式體系架構(gòu)、通用化計算硬件平臺和靈活高效、安全可靠的軟件運行環(huán)境作為軟件定義導(dǎo)彈的關(guān)鍵支撐，后續(xù)還會隨著芯片化微系統(tǒng)集成和硬實時操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展不斷升級換代，使得軟件定義導(dǎo)彈在未來作戰(zhàn)體系中發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯 ：李倩