软件定义导弹技术发展研究

摘要：随着软件在各行各业中发挥的作用越来越大，软件定义正在成为一种新的发展趋势。针对软件定义技术在导弹武器领域应用面临的系统架构约束、硬件通用性差及多种架构计算平台共融等问题，遵循硬件模块化、软件平台化、业务构件化的原则，开展软件定义导弹开放性体系架构、高效能通用计算平台和弹载可裁剪嵌入式软件运行环境的研究和设计，提升导弹全系统资源利用率、任务性能和系统可靠性，为以软件定义为代表的先进技术在导弹领域得以应用提供支撑。

随着通信、网络、计算机等技术的飞速发展，软件在各行各业中发挥的作用越来越大，软件定义正在成为一种必然发展趋势。但是与其他成功应用软件定义技术的领域相比，导弹领域相对封闭。传统导弹武器装备的研发模式通常是，为实现特定打击任务研发某种型号的导弹，配备专属的团队从基础开展研发，以硬件为主开展定制化设计，软件附属于硬件实现特定功能。这种模式研发周期长、成本高，并且不同型号的导弹之间，硬件不能通用、软硬件难以兼容、部组件难以互换、平滑升级困难，严重制约了智能化发展趋势下导弹整体性能的提升。因此，发展支持任务载荷传感器、执行器即插即用、应用软件动态加载、系统功能实时重构的全新导弹系统已经刻不容缓。

1 软件定义导弹技术发展现状  

软件定义导弹技术旨在通过弹上硬件模块化、软件平台化和业务组件化实现资源的高度整合，提高全系统资源利用率、任务性能和系统可靠性，降低全生命周期成本。在欧美传统军事强国中，基于深度模块化的导弹系统功能现场定义技术已经受到高度的重视，被视为提升未来作战能力的重要技术。新一代导弹武器的概念设计中已采用上述思想，并实施了部分技术演示验证。

欧洲导弹公司为应对2030年后的战争对战术导弹在经济性、作战灵活性等方面的要求，提出了F1exiS导弹。这种导弹采用完全模块化设计，可根据不同的打击目标和作战效能需求，在现场选择相应模块，自动组装，完成挂载。导弹通过直接配置选用平台中提供的模块硬件，按照标准规范组建基础硬件平台，通过加载不同的功能软件为导弹武器赋予定制化功能，并在导弹维护过程中提供硬件快速换装、软件动态升级的支撑能力，覆盖了导弹全生命周期过程。

美国海军为应对新一代飞机和反舰导弹的威胁开始研制生产标准系列导弹，该系列导弹在发展过程中导弹主体尺寸几乎没有变化，而通过更新内部设备实现导弹性能的提升。该系列中标准一导弹制导舱采用模块化的电子集成设计，极大提高了武器系统性能，后期可以不断的根据军事需求增加软件功能，同时在不影响整体的情况下通过局部升级提升性能，使其具备强大的生命力。在标准-6导弹研发初期，导弹项目办公室决定使其具备再编程能力。利用“通用弹药内置测试再编程设备”为已经部署的导弹现场安装软件，从而大大缩短系统升级时间。在2016年，该型导弹通过软件升级实现了反舰作战能力。

美军最新研制的LRASM远程反舰导弹(如图1所示)，通过采用硬件模块+总线、软件模块+软件中间件的方式，能够部署更加先进的任务系统;基于模块化软硬件分离的集成设计，为大规模软件系统的设计、部署、验证提供了全生命周期的支撑环境，进而为LRASM导弹缩短软件研发维护周期，降低成本，提升系统可靠性提供了坚实基础。该导弹采用综合化、分布式传感、集中信息处理模式，支撑态势感知、信息融合、任务规划、自主避障、实时组网、智能决策等智能化作战能力。

图1 LRASM远程反舰导弹

目前，国内导弹武器研发企业也在软件定义导弹技术体系和关键支撑技术等方面开展探索实践。

虽然软件定义技术在国内外许多领域都取得了成功应用，但是将软件定义技术应用到导弹武器装备上，一方面要结合国内外其他领域的成功经验，另一方面需要结合导弹武器装备强实时、高可靠、资源种类多、结构电磁热空间约束严苛以及任务确定性强等特点。在具体应用的过程中，还有一些问题亟待解决。

(1)传统导弹武器装备以分立式系统为基本单位，如控制计算机、惯导和导引头等，其特征是软硬件高度耦合，而软件定义导弹旨在构建“通用硬件平台+软件定义系统功能”的模式，实现基础软硬件平台与导弹业务软件分离解耦。因此，传统导弹武器的体系架构无法满足软件定义导弹系统需求。

(2)软件定义导弹支撑多类型、多功能导弹，具有业务功能多样、弹上硬件资源有限的特点。这就要求系统内资源高度复用、软件资源动态分布式部署，为软件规模化、耦合化带来一系列挑战。此外，传统弹内总线网络架构速率低、互连拓展性差，无法满足软件定义导弹高性能数据传输、数据通路柔性可调的需求。

(3)传统导弹武器未对硬件资源进行综合化设计，没有遵循统一的架构和标准，接口并不统一，因此硬件平台很难实现通用化，无法适应软件定义导弹的快速开发、硬件平台模块化、共用化等需求。

(4)软件定义导弹系统中存在多种异构处理平台，而且系统资源种类多样。软件定义导弹软件系统的开发需要解决不同种类架构共存、面向多软件功能的资源复用以及面向多业务功能的系统计算处理问题。

针对上述问题，本文提出了软件定义导弹开放性体系架构、高效能通用计算平台和弹载可裁剪软件运行环境三项关键技术。

2 软件定义导弹关键技术研究  

2.1 开放性系统架构设计

软件定义导弹系统架构在满足任务处理强实时性、高可靠、严苛空间约束、灵活高速数据传输等方面需求的基础上，为面向多类型多功能导弹提供全面支撑，还需要满足以下三方面的扩展需求。

(1)开放性设计

软件定义导弹的系统架构应具有广泛的开放性、良好的层次划分、扩展性和可重用性，按一定的规则对系统框架和功能模块进行调配和柔性组合，就可组合出特定功能的导弹系统。采用合理开放结构形式，最大化满足不同型号需求;采用标准结构、电气和软件接口，能够灵活地实现技术升级;采用层次化设计实现不同业务资源在处理器上的动态调配，使资源综合利用率达到最佳。

(2)软硬件无关

软件定义导弹系统架构设计需要满足软硬件隔离需求。通过合理分层和层次间标准接口规范的制订，实现在不修改平台运行软件和应用软件前提下，对底层硬件进行维修/升级，避免硬件升级带来的软件重新编写和测试。当导弹各项系统功能都基于同一标准硬件平台，软件可以按照相对独立、接口一致的软件模块进行开发时，利用可重构配置技术，可在任意处理器上加载任意软件模块进而实现多类型系统功能，支撑业务运行过程中的动态调配，实现深度软件定义。

(3)可靠高效的弹间通信

软件定义导弹的电子系统非常复杂，包括共同实现任务协同处理的多个逻辑功能子系统，这些子系统之间需要可靠和高效的数据传递或转换通路，保障导弹系统整体运行的实时性。

为满足软件定义导弹系统架构的基本需求和扩展需求，提出了开放性系统架构，如图2所示。

图2 软件定义导弹系统架构

图2中的系统架构将软件定义导弹分为硬件平台和软件平台两部分。导弹的硬件平台按照不同的应用需求选用相应的功能模块，基于开放式、模块化集成接口实现硬件的即插即用。平台中光电和射频等信息通过统一的开放式信息接口接入核心处理标准模块单元。通过软硬件部署和动态重构等软件定义技术，在模块单元中配置图像处理、基带处理等功能软件，实现射频和光电信息的统一化平台处理。

针对导弹系统的强实时、高可靠、强任务确定性等任务特点，软件平台采用自主可控的嵌入式实时操作系统为基础平台，同时加入模块支持层，为上层软件提供内存、时间和中断等资源。通过在操作系统功能扩展区配置动态加卸载等功能构件，建立软件定义导弹软件运行环境，实现对应用软件层多种功能软件的调度和管理，从而支持软件定义功能在导弹系统中的应用。为屏蔽不同处理器差异，在软件架构的各层之间设计统一的编程接口。通过明确的软件层次和接口定义，实现应用程序与底层硬件的隔离，支撑软件在非特定空间运行，解决传统分立式导弹软硬件高度耦合、扩展性差和不利于升级等问题，使导弹能够利用在标准的硬件模块上部署相应的软件，实现飞控解算、导航解算等基础功能，以及匹配、识别、射频基带处理等多种按需定义的扩展功能。

2.2 高效能通用嵌入式计算平台

为满足不同导弹对硬件平台的差异化需求，采用交换式互联搭建如图3所示的可柔性扩展的计算平台。针对软件定义导弹计算平台总线网络应同时具备高带宽、高实时性、高确定性和高安全性等特点，平台采用SRIO总线和以太网搭配使用的方案。平台中各硬件通过交换机模块相连，通过标准和定制化接口连接至传感器、执行机构、射频天线等外部设备。

图3 嵌入式高效能计算平台模型

弹上嵌入式计算处理资源覆盖CPU, DSP, FPGA等，为实现对多种类型硬件资源的统一管理和配置，提出以不同处理资源为核心，设计不同种类功能的标准化硬件模块，模块通用架构如图4所示。

图4 模块通用架构图

为提升硬件模块通用性，架构定义了统一的通用功能区和差异化的专用功能区。不同的模块

具有相同的标准模块通用功能区和根据需求配置的专用功能区。模块通用功能区定义了适用于一整套模块的通用功能，包括模块支持组件、模块电源组件、通讯组件等，为软件定义功能提供了标准的控制和信息接口。模块专用功能区根据功能需求可配置CPU, DSP等多种异构处理资源，以作为实现射频基带、光电处理、综合控制、信号处理、数据存储、数据处理、光纤交换等功能的硬件载体;并通过共性需求聚类和共性资源映射，以实现最小化类别、最大化通用。模块通过标准化物理接口进行互操作和互换。

统一模块构型设计使硬件模块具有标准管理接口和功能扩展能力。按照不同的系统应用需求，对应的功能单元集成到模块的专用功能区中，即可定义模块的功能属性和性能属性。模块的标准化统一接口，有助于通过软件对硬件模块进行加载与管理，为实现弹上软件定义功能提供支撑。

2.3 弹载可裁剪嵌入式软件运行环境

为实现多种类硬件资源上嵌入式软件运行环境的快速适配、屏蔽底层硬件差异化，提高嵌入式软件运行环境对不同模块处理器、外设的适应性及可移植性，提出如图5所示的面向软件定义的弹载可裁剪嵌入式软件运行环境。

图5 可裁剪嵌入式软件运行环境架构

可裁剪软件运行环境采用模块化设计方式，通过采用组件拆分及封装，实现了不同功能模块的解耦，并使其作为组件存在系统中，方便剪裁，提高系统可移植性;为满足系统后续进行功能扩展的需求，设计功能扩展区，通过添加功能构件，实现对软件定义导弹软件运行环境的功能扩展，例如通过添加AMP支持、SMP支持构件，在不同硬件平台上实现模块化统一架构的嵌入式运行环境。功能构件中，软件功能动态加卸载构件是支持导弹可配置能力的基础，也是实现软件定义的关键。导弹系统运行过程中根据任务需求，预先指定或动态需要某个功能软件提供服务时，动态加卸载功能构件能够将指定的功能软件加载到系统中，使得调用该模块的应用具有资源的使用权利，并实现相应的功能。其工作模式如图6所示。

图6 动态加卸载组件工作模式

3 结束语  

针对软件定义导弹架构共融、资源共用等需求，设计开放性的导弹系统架构，实现导弹系统内软硬件的解耦，使得弹上软件能够进行独立演化、按需加载、动态重构。为满足不同导弹对硬件平台的差异化需求，提出以标准通用硬件模块为核心的高效能嵌入式计算平台，通过硬件的模块化封装和统一化设计，提升导弹硬件平台的通用性。为将导弹的功能软件与基础软硬件平台分离，支撑导弹系统通过软件进行升级和扩展的需求，设计弹载可裁剪嵌入式软件运行环境。通过对整体架构和软硬件平台关键技术的突破，解决了现阶段软件定义技术在导弹上应用面临的主要问题。开放式体系架构、通用化计算硬件平台和灵活高效、安全可靠的软件运行环境作为软件定义导弹的关键支撑，后续还会随着芯片化微系统集成和硬实时操作系统等基础技术的发展不断升级换代，使得软件定义导弹在未来作战体系中发挥越来越重要的作用。

审核编辑 ：李倩