美军探索开放式雷达体系结构
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于2011-09-16 11:50:07编译| 已有286人浏览| 有0人评论
“开放式雷达体系结构”有别于传统雷达体系结构，它以网络为中心、模块化为基础，采用通用、开放的分层雷达基础设施，通过组合式服务，为美军提供优异的“全局感知”能力。
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美国国防部早在1994年的《国防部指示5000.02》中就提出，项目管理应当采用模块化开放系统的方式。此后，美军在武器装备的研制生产中开始大量采用开放式体系结构的设计理念，并带来了提高装备性能、缩短研制周期、降低研发成本、便于升级维护、利于军民融合等诸多益处。
随着军事转型的深入，美军已开始进入一个快速演进的、以网络为中心的分层传感器与指挥/控制/通信全局服务阶段。为此，美国空军战略司令部于2009年提出“全局感知”（E nterprise Sensing）的概念，即利用远程传感器服务组合来实现全局范围的态势感知。在“全局感知”体系结构中，天基/高高空雷达提供全球范围的概况感知，机载雷达/陆基雷达提供区域范围的持久监视与火控，低高空无人机载传感器和小型分布式地面无人值守传感器则提供战术感知（见图1）。
“全局感知”服务的主要目的，是支持网络中心行动、信息集成、互操作以及快速简易升级。对“全局感知”服务的需求主要体现在以下8个方面：对遗留雷达系统进行集成；对政府/商用雷达系统（如气象雷达）及技术的即插即用能力；快速引入新型的高费效比雷达系统；灵活的、可升级且可支付的技术更新与维护；雷达组件供应商的多样化；利用多现象、多方位感知以及多来源数据的融合，提供目标分类与识别；增强全局范围的感知能力，包括消除多余的、模糊的信息；雷达系统提高“鲁棒性”。
开放式雷达体系结构的概念
美国国防部认识到，雷达已不再只是为预先确定的用户提供原始雷达数据的单一电子装备，它还可以通过互联网向不曾预料的用户按需提供感知服务。开放式雷达体系结构对于实现“全局感知”的重要性主要体现在：开放式体系结构可以为雷达系统提供可重用技术；能够促进商用现货（COTS）部件的使用；有助于灵活与快速的技术更新；可以为推广创新技术和技能提供有效手段；以及降低新型雷达系统的开发和维护费用。
开放式雷达体系结构将以部件为基础，采用通用、开放的分层雷达基础设施，实现最可行、最实用的模块化子功能以及开放式接口。体系结构中的组件将独立于运行环境，可以在
雷达系统之间交换和重用。基于组件的开放式雷达体系结构由以下5个部分构成：基于通用开放组件的、分解的开放式雷达系统功能；共享的开放式雷达组件数据库；通用、开放的雷达组件接口标准集；通用、开放的分层雷达基础设施；通用、开放的雷达组件实现模板（见图2）。
开放式雷达体系结构严格按照指定雷达系统的功能来分解设计（见图3），也就是，将雷达系统分解为多个子系统，再将子系统分解为多个组件，每个组件分别履行独立的功能。在创建雷达子系统时，必须考虑可重用性。在设计新型雷达的初始就着手创建开放式子系统，这样，这些子系统才能在未来的雷达产品中重用。在重新设计和技术更新时也可以创建子系统，从而最大程度地利用现有的开放式、商业化产品。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雷达系统的硬件、软件、人-机接口和机-机接口的开放性。
例如，美国海军研究办公室的“数字阵列雷达”（Digital Array Radar，DAR）计划就是利用功能子系统来搭建先进雷达。其7个功能子系统包括：雷达孔径、波束形成器、接收器/激励器、信号处理器、控制处理器、人/机接口以及外部通信。这些子系统都是单独采购的，然后通过系统接口成功地集成到一起。
除了商用现货硬件和软件，开放式雷达组件的共享数据库还包括普遍使用的硬件、中间件、软件和数据开放标准。标准将在多个级别开放，而且可以支持供应模块化开放组件集合的商务基础设施。共享的数据库还将建立符合标准的开放设计，为全局范围内的雷达组件集成提供基础。每个组件都通过应用程序隔离层实现与基础设施之间的通用接口，这样就可以避免直接的组件-组件通信链路；所有的组件-组件通信都将以基础设施作为媒介，允许和支持组件模块化。对于需要实时C4I操作的雷达装备，应当对其组件-组件链路进行评估，以满足整个系统级性能的时间要求。
开放式雷达体系结构将采用能最大限度实现现有标准重用的一系列开放式标准，以及开放、分层的雷达系统数据模型及结构配置。雷达系统的每一层都将提供一系列可接入功能，这些功能由它的上一层来控制和使用。这样，就可以在分级结构的某个（或某些）指定层进行雷达系统的描述、设计、开发、安装、使用、改进和维护，而且不会影响到其他层。此外，这样还可以在不改变其他层的现有设备、程序和协议的前提下，通过对某个（或某些）层的修改来改变雷达系统的性能。
在体系结构中，通用组件的实现模板将提供标准组件“功能箱”，从而允许每个模块以标准方式履行典型的内部管理功能，或者迅速启动组件应用程序。典型的内部管理功能包括初始化、备份、系统运行、本地运行、故障处理与诊断、故障转移以及暂停，等等。
开放式雷达体系结构的进展
为了推动雷达系统转向以网络为中心的开放式雷达设计，负责采办、技术与后勤的美国国防部副部长指示：对采办、技术与后勤中使用开放式雷达系统进行评估，并于2009年10
月成立了开放式雷达体系结构国防支援团队（OA DST）。该支援团队由国防研究与工程局局长领导，其任务是竭尽全力推动向通用、开放、以网络为中心的雷达系统体系结构实施转移，以实现降低雷达寿命周期成本、提高雷达性能和技术更新能力的目标。
该支援团队成立伊始，主要的工作是搜集可用于构建和改进雷达的开放式雷达数据标准。除了典型的全局服务，批量传感器服务的主要特征是，多部雷达可以迅速生成高达数千吉字节的原始数据。众所周知，目前雷达采用紧耦合数据处理方法，即从输入的原始传感器数据中抽取预定的信息，并加以格式化，然后发送给预订用户。业界认为，这种紧耦合处理方法将失去大量潜在的重要信息。因此，有关部门出台了对上游雷达数据（原始数据和初步处理的数据）进行抽取、存档和播发的标准。例如，2010年2月，美国国家地理空间情报局推出传感器独立复杂数据格式。此外，雷达的通用代理、控制和可组合能力，对于在雷达系统内研制和提供多任务能力是至关重要的。
目前，美军正在设计可用于有源/无源雷达系统的开放、分层的雷达数据和控制接口标准，其中的许多标准还可以用于科学系统。预计“开源”的开发模型将用于推广有关技术，并鼓励业界参与。用户可以通过提供标准服务——已实现格式化的上游雷达数据和已处理的下游雷达数据的可视化，以及标准方法——使用户可以通过代理来使用和控制雷达行为，创建传感器设计人员最初未曾预期的新功能和新产品。
为了促使美国雷达行业对雷达开放体系结构方法达成共识，美国国防部于2010年4月8～9日举行了相关主题的工业日活动。活动期间，关于雷达开放体系结构设立了6个议题。其中，业务领域的2个议题是：建立支持环境、演示寿命周期经济可承受性、鼓励竞争与合作；以及设计关键接口。技术领域的4个议题是：使用选定的开放标准提供安全的信息交换，实现联军作战应用的互操作；建立模块化设计结构，生成设计解密文件，使用模块化设计；使用可重用的应用程序；以及一致性认证。开放式雷达体系结构的国防支援团队希望通过这次活动，进一步搞清开放式雷达体系结构的有关问题。