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

隨著通信、網絡、計算機等技術的飛速發展，軟件在各行各業中發揮的作用越來越大，軟件定義正在成為一種必然發展趨勢。但是與其他成功應用軟件定義技術的領域相比，導彈領域相對封閉。傳統導彈武器裝備的研發模式通常是，為實現特定打擊任務研發某種型號的導彈，配備專屬的團隊從基礎開展研發，以硬件為主開展定制化設計，軟件附屬于硬件實現特定功能。這種模式研發周期長、成本高，并且不同型號的導彈之間，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展趨勢下導彈整體性能的提升。因此，發展支持任務載荷傳感器、執行器即插即用、應用軟件動態加載、系統功能實時重構的全新導彈系統已經刻不容緩。

1 軟件定義導彈技術發展現狀

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

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

美國海軍為應對新一代飛機和反艦導彈的威脅開始研制生產標準系列導彈，該系列導彈在發展過程中導彈主體尺寸幾乎沒有變化，而通過更新內部設備實現導彈性能的提升。該系列中標準一導彈制導艙采用模塊化的電子集成設計，極大提高了武器系統性能，后期可以不斷的根據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導彈研發初期，導彈項目辦公室決定使其具備再編程能力。利用“通用彈藥內置測試再編程設備”為已經部署的導彈現場安裝軟件，從而大大縮短系統升級時間。在2016年，該型導彈通過軟件升級實現了反艦作戰能力。

美軍最新研制的LRASM遠程反艦導彈(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系統;基于模塊化軟硬件分離的集成設計，為大規模軟件系統的設計、部署、驗證提供了全生命周期的支撐環境，進而為LRASM導彈縮短軟件研發維護周期，降低成本，提升系統可靠性提供了堅實基礎。該導彈采用綜合化、分布式傳感、集中信息處理模式，支撐態勢感知、信息融合、任務規劃、自主避障、實時組網、智能決策等智能化作戰能力。

圖1 LRASM遠程反艦導彈

目前，國內導彈武器研發企業也在軟件定義導彈技術體系和關鍵支撐技術等方面開展探索實踐。

雖然軟件定義技術在國內外許多領域都取得了成功應用，但是將軟件定義技術應用到導彈武器裝備上，一方面要結合國內外其他領域的成功經驗，另一方面需要結合導彈武器裝備強實時、高可靠、資源種類多、結構電磁熱空間約束嚴苛以及任務確定性強等特點。在具體應用的過程中，還有一些問題亟待解決。

(1)傳統導彈武器裝備以分立式系統為基本單位，如控制計算機、慣導和導引頭等，其特征是軟硬件高度耦合，而軟件定義導彈旨在構建“通用硬件平臺+軟件定義系統功能”的模式，實現基礎軟硬件平臺與導彈業務軟件分離解耦。因此，傳統導彈武器的體系架構無法滿足軟件定義導彈系統需求。

(2)軟件定義導彈支撐多類型、多功能導彈，具有業務功能多樣、彈上硬件資源有限的特點。這就要求系統內資源高度復用、軟件資源動態分布式部署，為軟件規模化、耦合化帶來一系列挑戰。此外，傳統彈內總線網絡架構速率低、互連拓展性差，無法滿足軟件定義導彈高性能數據傳輸、數據通路柔性可調的需求。

(3)傳統導彈武器未對硬件資源進行綜合化設計，沒有遵循統一的架構和標準，接口并不統一，因此硬件平臺很難實現通用化，無法適應軟件定義導彈的快速開發、硬件平臺模塊化、共用化等需求。

(4)軟件定義導彈系統中存在多種異構處理平臺，而且系統資源種類多樣。軟件定義導彈軟件系統的開發需要解決不同種類架構共存、面向多軟件功能的資源復用以及面向多業務功能的系統計算處理問題。

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

2 軟件定義導彈關鍵技術研究

2.1開放性系統架構設計

軟件定義導彈系統架構在滿足任務處理強實時性、高可靠、嚴苛空間約束、靈活高速數據傳輸等方面需求的基礎上，為面向多類型多功能導彈提供全面支撐，還需要滿足以下三方面的擴展需求。

(1)開放性設計

軟件定義導彈的系統架構應具有廣泛的開放性、良好的層次劃分、擴展性和可重用性，按一定的規則對系統框架和功能模塊進行調配和柔性組合，就可組合出特定功能的導彈系統。采用合理開放結構形式，最大化滿足不同型號需求;采用標準結構、電氣和軟件接口，能夠靈活地實現技術升級;采用層次化設計實現不同業務資源在處理器上的動態調配，使資源綜合利用率達到最佳。

(2)軟硬件無關

軟件定義導彈系統架構設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范的制訂，實現在不修改平臺運行軟件和應用軟件前提下，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。當導彈各項系統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時，利用可重構配置技術，可在任意處理器上加載任意軟件模塊進而實現多類型系統功能，支撐業務運行過程中的動態調配，實現深度軟件定義。

(3)可靠高效的彈間通信

軟件定義導彈的電子系統非常復雜，包括共同實現任務協同處理的多個邏輯功能子系統，這些子系統之間需要可靠和高效的數據傳遞或轉換通路，保障導彈系統整體運行的實時性。

為滿足軟件定義導彈系統架構的基本需求和擴展需求，提出了開放性系統架構，如圖2所示。

圖2軟件定義導彈系統架構

圖2中的系統架構將軟件定義導彈分為硬件平臺和軟件平臺兩部分。導彈的硬件平臺按照不同的應用需求選用相應的功能模塊，基于開放式、模塊化集成接口實現硬件的即插即用。平臺中光電和射頻等信息通過統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重構等軟件定義技術，在模塊單元中配置圖像處理、基帶處理等功能軟件，實現射頻和光電信息的統一化平臺處理。

針對導彈系統的強實時、高可靠、強任務確定性等任務特點，軟件平臺采用自主可控的嵌入式實時操作系統為基礎平臺，同時加入模塊支持層，為上層軟件提供內存、時間和中斷等資源。通過在操作系統功能擴展區配置動態加卸載等功能構件，建立軟件定義導彈軟件運行環境，實現對應用軟件層多種功能軟件的調度和管理，從而支持軟件定義功能在導彈系統中的應用。為屏蔽不同處理器差異，在軟件架構的各層之間設計統一的編程接口。通過明確的軟件層次和接口定義，實現應用程序與底層硬件的隔離，支撐軟件在非特定空間運行，解決傳統分立式導彈軟硬件高度耦合、擴展性差和不利于升級等問題，使導彈能夠利用在標準的硬件模塊上部署相應的軟件，實現飛控解算、導航解算等基礎功能，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

為滿足不同導彈對硬件平臺的差異化需求，采用交換式互聯搭建如圖3所示的可柔性擴展的計算平臺。針對軟件定義導彈計算平臺總線網絡應同時具備高帶寬、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、執行機構、射頻天線等外部設備。

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，為實現對多種類型硬件資源的統一管理和配置，提出以不同處理資源為核心，設計不同種類功能的標準化硬件模塊，模塊通用架構如圖4所示。

圖4模塊通用架構圖

為提升硬件模塊通用性，架構定義了統一的通用功能區和差異化的專用功能區。不同的模塊

具有相同的標準模塊通用功能區和根據需求配置的專用功能區。模塊通用功能區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。模塊專用功能區根據功能需求可配置CPU, DSP等多種異構處理資源，以作為實現射頻基帶、光電處理、綜合控制、信號處理、數據存儲、數據處理、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。

統一模塊構型設計使硬件模塊具有標準管理接口和功能擴展能力。按照不同的系統應用需求，對應的功能單元集成到模塊的專用功能區中，即可定義模塊的功能屬性和性能屬性。模塊的標準化統一接口，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境

為實現多種類硬件資源上嵌入式軟件運行環境的快速適配、屏蔽底層硬件差異化，提高嵌入式軟件運行環境對不同模塊處理器、外設的適應性及可移植性，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境。

圖5可裁剪嵌入式軟件運行環境架構

可裁剪軟件運行環境采用模塊化設計方式，通過采用組件拆分及封裝，實現了不同功能模塊的解耦，并使其作為組件存在系統中，方便剪裁，提高系統可移植性;為滿足系統后續進行功能擴展的需求，設計功能擴展區，通過添加功能構件，實現對軟件定義導彈軟件運行環境的功能擴展，例如通過添加AMP支持、SMP支持構件，在不同硬件平臺上實現模塊化統一架構的嵌入式運行環境。功能構件中，軟件功能動態加卸載構件是支持導彈可配置能力的基礎，也是實現軟件定義的關鍵。導彈系統運行過程中根據任務需求，預先指定或動態需要某個功能軟件提供服務時，動態加卸載功能構件能夠將指定的功能軟件加載到系統中，使得調用該模塊的應用具有資源的使用權利，并實現相應的功能。其工作模式如圖6所示。

圖6動態加卸載組件工作模式

3 結束語

針對軟件定義導彈架構共融、資源共用等需求，設計開放性的導彈系統架構，實現導彈系統內軟硬件的解耦，使得彈上軟件能夠進行獨立演化、按需加載、動態重構。為滿足不同導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一化設計，提升導彈硬件平臺的通用性。為將導彈的功能軟件與基礎軟硬件平臺分離，支撐導彈系統通過軟件進行升級和擴展的需求，設計彈載可裁剪嵌入式軟件運行環境。通過對整體架構和軟硬件平臺關鍵技術的突破，解決了現階段軟件定義技術在導彈上應用面臨的主要問題。開放式體系架構、通用化計算硬件平臺和靈活高效、安全可靠的軟件運行環境作為軟件定義導彈的關鍵支撐，后續還會隨著芯片化微系統集成和硬實時操作系統等基礎技術的發展不斷升級換代，使得軟件定義導彈在未來作戰體系中發揮越來越重要的作用。

審核編輯 ：李倩