軟件化雷達系統的軟件質量評估指標體系

曾樂天 趙龍飛 楊春暉

摘 ?要： 為有效評估軟件化雷達（software defined radar， SDR）系統的軟件質量，建立了軟件質量評估指標體系總體架構，給出了各評價指標的概念定義和評測方法。首先介紹了SDR的概念內涵、體系架構和典型特征。然后，在對系統軟件進行分類的基礎上，結合現有的軟件質量評估指標，增加反映SDR系統典型特征的指標，并從功能性、可靠性、易重構性、合規性等8個方面，對系統軟件的各項指標進行探討，為業內同行進一步開展相關研究工作提供有益的參考。

關鍵詞： 軟件化雷達;軟件質量;軟件分類;評估指標體系;易重構性

中圖分類號： TP311.5 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.001

本文著錄格式：曾樂天，趙龍飛，楊春暉，等. 軟件化雷達系統的軟件質量評估指標體系[J]. 軟件，2019，40（4）：0106

【Abstract】： To effectively evaluate the software quality of the software defined radar （SDR） system， the evaluation index system of SDR is constructed. Meanwhile， the concepts along with evaluation methods for each index are given. Firstly， the conceptual connotation， features and architecture of SDR are described. Based on the classification of software in the SDR system and available evaluation indexes of software quality， the indexes that reflect the features of SDR are added and the evaluation index system is constructed from eight aspects， such as functionality， reliability， reconfigurability as well as compliance. Moreover， each of the evaluation indexes is discussed in order， providing helpful suggestions for industry peers in further associated research work.

【Key words】： Software defined radar （SDR）; Software quality; Classification of software; Evaluation index system; Reconfigurability

0 ?引言

“軟件化雷達”[1-6]概念最早由美軍在2010年提出，即雷達系統功能可軟件定義。軟件定義技術[7]的本質是硬件資源虛擬化，管理功能可編程，即硬件資源抽象為虛擬資源，然后用系統軟件對虛擬資源管理和調度。SDR是采用“平臺+”戰略思想，盡可能使用軟件，最大化發揮軟件效能，通過軟件靈活實現系統功能定義、資源配置、模式擴展和性能提升，以滿足多種實際需求，更好地服務于應用。相對于模擬雷達和數字化雷達，其優勢主要體現在雷達設計和功能升級擴展時更新軟件的便捷性和低成本。保障系統軟件的質量[8-10]，是保障SDR系統的功能、性能等正常發揮的關鍵。因此，對SDR系統的軟件質量做出科學、準確評估，是值得深入研究的課題。

文獻[11-13]詳細介紹了基于系統與軟件質量要求和評價的軟件質量評價框架[11-13]，然而，針對SDR系統軟件的質量評估指標體系，卻鮮見研究。

本文首先介紹SDR技術的體系架構，在此基礎上，對SDR技術進行深入分析，并對SDR的系統軟件進行分類。然后，從功能性、可靠性、易用性、效率、維護性、可移植性、易重構性、合規性8個方面，進行綜合評估，給出了系統軟件質量評估指標體系總體架構，并對SDR系統軟件質量的評估進行探討，并為業內同行進一步開展相關研究工作提供有益的參考。

1 ?SDR

本部分主要介紹SDR的內涵、體系架構與實現方法，以及典型特征。

1.1 ?概念內涵

SDR是以開放式體系架構為基礎，采用面向應用的開發模式，通過軟件定義技術實現系統功能擴展的新一代雷達。需要說明的是，在SDR中，由軟件實現的功能點較多，這就要求雷達軟件化水平必須與軟件技術水平相適應。SDR的本質是通過軟件實現對硬件和操作流程的精準控制，從而達到系統功能的軟件定義這一目標。而SDR技術是一種設計理念，一種平臺基礎技術而非應用技術，無法直接提高雷達裝備作戰性能，但可以通過硬件重組和軟件重構，快速應用新技術，省時省力地研制出高易用性、易于升級擴展的雷達。SDR技術面向的是雷達裝備研制問題，落實到某一款具有不同使命任務的雷達，其目標就有所不同。

國外SDR經歷從概念架構、演示驗證到應用推廣的發展階段，已成功應用于合成孔徑雷達。目前，國內軟件化的雷達還處于起步階段，雷達的信號產生和處理幾乎都靠軟件來實現，雷達的功能擴展性得到較大提高，但硬件平臺的通用化、軟件的通用性及可移植性仍然處于初級階段，尚未形成統一的標準。SDR的硬件呈現出標準化、模塊化、系列化的趨勢，盡可能使用商用貨架產品代替定制的構件產品，以便第三方技術能夠廣泛應用。

SDR主要包括天線、數字波束形成、信號處理、數據處理、顯示終端5個部分，如圖1所示。其中，可以軟件化實現的有數字波束形成、信號處理、數據處理，而天線、終端等硬件設備則不能通過軟件化實現。

SDR的真正難點在于前端，具體來說，在于難以構建適用于多種體制的通用天線。例如，預警雷達與合成孔徑雷達工作機理不同，天線形狀、尺寸差別較大，難以實現同時適用于上述兩種體制的通用天線。當前的解決辦法是天線的模塊化，將不同體制的天線做成不同的天線模塊，當需要使用某種體制的天線模塊時，選擇相應的天線模塊即可。

在信號處理部分，通常將特定的算法程序燒寫到相應的處理板卡內，整個過程與硬件耦合緊密，且需要定制板卡，通過采用嚴格界定功能和接口形式，逐步推進標準化和模塊化;對于軟件組件，在實施過程中逐步確定各個組件間數據傳遞信息內容和信息表達格式規范，修正組件封裝模板，實現應用層面的軟硬件解耦和復用。

在數據處理部分，亦可通過操作系統等中間件實現軟硬件解耦。現有的SDR，重點提升SDR的數字后端能力，其軟件化水平主要體現在后端的軟件重構上，即不同功能軟件構件的即插即用。

此外，SDR隱含了一個假設，即硬件有足夠的能力100%執行軟件發出的指令。這對硬件性能提出了很高的要求，在雷達軟件開發時不需過多的關注硬件性能對軟件和系統的影響。在實際中，SDR的瓶頸恰恰在于硬件。

1.2 ?體系架構

SDR體系架構包括3個組成部分：硬件平臺、雷達操作環境和應用層組件，SDR系統采用分層解耦的思想，分為硬件層、系統層、抽象層、架構層和應用層5個層次，如圖2所示。

硬件平臺主要由數字信號處理資源和雷達天線陣面組成。數字信號處理資源，如數字信號處理器、可編程邏輯門陣列、微處理器等，可重構計算資源，并可擴展處理能力。采用模塊化設計構建雷達天線陣面，可重構陣面孔徑[5]。

雷達操作環境主要由硬件抽象、平臺抽象、核心架構3部分組成，涉及系統層、抽象層和架構層。其中，硬件抽象屬于系統層，包括操作系統、驅動程序、內部處理器通信模塊等，用于實現SDR系統資源的調度與管理，為不同應用提供相應的雷達天線陣面和計算資源;平臺抽象屬于抽象層，采用統一軟硬件描述語言、通訊協議等對接口進行定義和描述，并確定統一的接口規范;核心架構屬于架構層，包括實時處理框架、并行計算框架、數據分發與通訊架構等，負責通訊，并為上層應用提供統一的、開放的應用程序接口。系統層、抽象層和架構層之間的獨立性很高，抽象層和架構層統稱為中間件，雷達操作環境通過管理、通信等中間件來解耦軟硬件，并為上層應用組件提供統一的接口和操作環境，是SDR技術的核心部分。

應用組件包括波束形成、信號處理、數據處理、綜合顯示和配置管理等模塊，根據雷達系統的不同需求，選用不同的模塊，以實現探測、干擾、偵察、通信等多功能、多任務為目的。應用層組件采用模塊化設計，通過建立統一的標準接口、調用方式等規范，與架構層進行通訊，其自身具有可獨立升級和修改、即插即用的特點，確保“功能重組”能力。在應用組件的開發過程中，可以吸引大量的高水平企業參與應用層組件的研發，吸收優秀的商用成果，同時，博采眾長，促進高新技術企業之間的強強聯合，形成應用層組件的第三方技術集成、多樣化供應商供貨及可替換單元量產的模式。

1.3 ?典型特征

SDR可看作在開放式體系架構[1]基礎上通過軟件實現系統功能擴展、重構的，其中，開放式體系架構是實現SDR的基礎。SDR的技術特征主要包括如下3個方面：（1）開放式體系架構;（2）軟硬件解耦;（3）功能性能軟件化。

1）開放式體系架構

開放式體系架構具有如下特點：（1）基于雷達系統功能分解和雷達工作機理、軟硬件資源開放的層次化模塊化結構;（2）組成雷達系統的各分系統遵循標準的接口規范，以一種可預測的方式進行交互，單個子系統或組件即使被替換也不會影響到系統其它部分;（3）硬件模塊化、標準化、系列化，并充分利用商用貨架產品;（4）軟件的通用化，采用獨立于硬件設備的應用軟件，提高了軟件的通用性和可維護性;（5）引入了智能機制，分系統可以產生自身的控制信息并自行驅動，各個模塊的測試和控制就能在整個系統集成之前進行。

2）軟硬件解耦

軟硬件解耦的含義是包括兩個方面：（1）同一套組件可在不同平臺下正常工作，不依賴于具體平臺，即代碼具有可移植性，可在不同操作環境之間進行轉換;（2）以功能為導向，在架構層上可插入實現不同功能的應用組件，即可實現功能擴展。對于應用組件來說，只需定義好標準的接口規范，而無需關注接口以下由不同層構成的雷達操作環境。SDR通過操作環境、通用軟件設計規則和邏輯設備來解耦軟硬件。統一開放的操作環境為上層應用的開發提供統一的、開放的應用程序接口;基于面向對象技術和中間件技術，使用接口定義語言對接口進行定義，使用統一建模語言對接口進行描述;基于商用標準和貨架產品，確定統一的通用硬件規范。

3）功能、性能軟件化

功能、性能軟件化是指雷達可通過該軟件定義來擴展功能，提升性能。通常，SDR從應用角度考慮，更關注應用功能、系統功能本身，強調能做出更好的應用，而不關心采用何種算法實現。軟件模塊可由第三方開發，促進了第三方應用程序的廣泛應用。此外，通過引入市場競爭機制，擇優選取高性能、易于集成的產品，使得高品質軟件能夠強強聯合使用，發揮出最大的效益，以便快速適應需求，有效擴展能力。

2 ?SDR系統軟件的分類

SDR實現的前提是硬件完全能夠滿足軟件的需求。此時，系統功能基本上取決于運行其上的系統軟件，加載雷達軟件即為雷達設備。在前端，軟件主要起邏輯控制的作用。信號處理和數據處理是SDR系統的核心組成部分，軟件主要集中在信號處理、數據處理、顯示控制等后端處理模塊。因此，可將SDR系統軟件主要分為四類：

1）前端控制類軟件，包括波束/時序控制軟件、系統校準軟件以及系統自檢軟件等;

2）信號處理類軟件，對目標回波數據進行檢測、預處理等操作，如點跡提取、線內相關;

3）數據處理類軟件，實時接收信號處理類軟件的結果，并進行航跡維護、融合等工作并將航跡發送至下一處理程序中;

4）后端顯控類軟件，如人機交互軟件，將接收的信息在界面顯示出來，并對雷達系統下發控制指令。

3 ?軟件質量評估指標體系

本部分以軟件為核心，以軟件產品質量指標為基礎，增加反映SDR系統典型特征的指標，提出SDR系統軟件評價指標的概念定義、評測方法和標準，構建SDR評估指標體系的總體框架，如圖3所示。

3.1 ?功能性

當系統軟件在特定的使用條件下，提供滿足明確需求和隱含需求功能的能力。

1）適合性

系統軟件為特定的任務和用戶目標提供一系列合適功能的能力。

2）準確性

系統軟件提供滿足精度要求的、正確的或者相符的結果/效果的能力。

3）互操作性

系統軟件與一個或多個規定系統進行交互的能力。

4）安全保密性

系統軟件保護信息和數據的能力，使得未授權的人員或系統不能閱讀或修改這些信息和數據，并接收授權人員或系統對它們的訪問。此外，當SDR在執行任務時，如遇特殊情況，如戰機在敵占區迫降，為了保證高新技術不致被敵方獲取，可以啟動安全自毀程序，使SDR中的高精尖系統得以迅速自毀，達到先進技術不外泄的目標。

5）功能性的依從性

系統軟件遵循與功能性相關的標準、約定或法規以及類似規定的能力。

3.2 ?可靠性

在特定條件下使用時，系統軟件維持規定性能級別的能力。

1）成熟性

系統軟件為避免由軟件中的故障而導致失效的能力。

2）容錯性

在軟件出現故障或者違反其特定接口的情況下，系統軟件維持規定性能級別的能力。

3）易恢復性

當失效發生的情況時，系統軟件重建規定的性能級別并恢復受直接影響的數據的能力。可用軟件產品失效時間的長短來評估SDR系統的易恢復性。

4）可靠性的依從性

系統軟件遵循與可靠性相關的標準、約定或法規的能力。

3.3 ?易用性

在特定條件下使用時，系統軟件被理解、學習、使用和吸引用戶的能力。

1）易理解性

系統軟件使用戶能理解其是否合適以及如何能將其用于特定的任務和使用條件的能力

2）易學性

系統軟件使用戶能學習其應用的能力。

3）易操作性

系統軟件使用戶能操作和控制它的能力。

4）易用性的依從性

系統軟件遵循與易用性相關的標準、約定或法規的能力。

此外，SDR系統軟件對用戶愉悅、美感的需求不如移動APP強烈。

3.4 ?效率

在規定條件下，相對于所用資源的數量，系統軟件可提供適當性能的能力。

1）時間特性

在特定條件下，系統軟件執行其功能時，提供適當的響應、處理時間以及吞吐率的能力，如處理單個任務所消耗的時間、處理并行任務的能力。此外，由于許多SDR系統軟件為實時控制軟件要求較強的實時性，且其執行結果的正確性與程序邏輯計算的輸出、程序執行的先后次序等時間因素密切相關。例如，雷達系統信號處理軟件必須對回波數據實時解算，以檢測出目標，即運算必須在一個有效周期內完成。

2）資源利用性

在規定條件下，系統軟件執行其功能時，使用合適數量和類別的資源的能力。

3）效率依從性

系統軟件遵循與效率相關的標準或約定的能力。

3.5 ?維護性

系統軟件可被修改的能力，其中，修改的內容包括改進軟件，軟件對環境、需求和功能規格說明變化的適應。

1）易分析性

系統軟件診斷其缺陷、失效原因或者識別待修改部分的能力。

2）易改變性

系統軟件使指定的修改可以被實現的能力。

3）穩定性

系統軟件避免因修改而造成意外結果的能力。

4）易測試性

系統軟件使已修改軟件能被確認的能力。在SDR中，測試模塊將成為SDR系統本身的一部分，能夠支持測試用例的自動批量執行，并對SDR統應用軟件進行功能、性能、實時性、可靠性等測試，覆蓋雷達典型故障場景。

5）易升級性

系統軟件為滿足用戶需要而發生變化、但保持繼續工作的能力。通常，系統軟件不僅可在升級后的條件下正常工作，還具有實際的優勢，如性能的改善。SDR系統的升級，在很大程度上是軟件的升級。由于軟件的比重很高，其易升級性將變得極為重要。

6）維護性的依從性

系統軟件遵循與維護性相關的標準或約定的能力。

3.6 ?可移植性

系統軟件從一種環境遷移到另外一種環境的能力。SDR系統通過中間件技術，完成底層硬件和應用層軟件的解耦，支持應用層軟件直接遷移到不同的硬件平臺和操作系統。

1）適應性

系統軟件毋需采用額外的活動或手段即可適應不同指定環境的能力，如應用軟件的跨平臺可移植性。

2）易安裝性

系統軟件在指定環境中被安裝的能力。

3）共存性

在公共環境中，系統軟件同其他與其分享公共資源的獨立軟件之間共存的能力。

4）易替換性

系統軟件在同樣環境下，替代另一個相同用途的特定軟件產品的能力，即能夠支持第三方商業軟件的快速應用。

5）可剪裁性

各種應用系統在具有開放結構特性的各種系統間進行移植，且在高性能機上運行的應用系統經過裁剪后可在低性能機上運行。

6）可移植性的依從性

系統軟件遵循與可移植性相關的標準或約定的能力。

3.7 ?易重構性

在統一的運行環境下，SDR系統軟件可以根據任務需求動態配置和執行不同的雷達應用軟件，實現不同的功能，完成不同的任務。

1）可擴展性

軟件支持第三方按照設計標準進行二次開發和改造升級，且允許處于相同層次或者不同層次的所有軟件模塊代碼修改能夠平穩地發生，而不會影響或者波及到其它軟件模塊。

2）易集成性

SDR系統軟件的易集成性包括探干偵通一體化的多功能、多任務集成，基于組件庫的增量式集成，實現不同供應商軟件產品優勢的強強聯合。

SDR裝備在研制過程中應允許更多的技術單位參與，使得優化集成后的系統總體性能和功能將有可能得到進一步提升。此外，可以通過強強聯合，集中優勢力量，生產出優質產品。因此，以集成為核心，吸引大量高水平企業參與的模式，可最大程度優化系統的功能和性能。SDR集成能力可從集成開發環境技術、各分系統軟件的橫向集成能力，各分系統軟件的縱向集成能力，性能性價比的高低、集成總體單位在管理和配置資源方面的能力、供應商的數量及技術水平等6個方面來綜合考量。

3）可復用性

可復用性是指系統軟件具有可以多次使用的特性，以便獲得較高的生產效率和軟件質量，同時降低軟件成本降低，改善系統的可維護性。

4）兼容性

在開放式體系架構下，SDR的系統軟件能穩定地工作在若干個操作系統之中，而不會出現意外的退出等問題。

3.8 ?合規性

SDR的系統軟件具有滿足國際標準要求的特性，如雷達應用軟件、軟件環境等設計標準與規范，要求接口標準開放，支持第三方按照設計標準進行二次開發和改造升級等，以達到在雷達整體功能重構、組件化開發與集成、接口標準開放、統一通信體制、技術成果復用等方面的目標。

4 ?結束語

本文在介紹SDR的概念內涵、體系架構和典型特征的基礎上，從功能性、可靠性、易用性、效率、維護性、可移植性、易重構性、合規性8個方面，構建SDR系統軟件的質量評估指標體系，并對SDR的各項評估指標進行了詳細探討，為業內同行進一步開展相關研究工作提供有益的參考。鑒于軟件在系統中的比重較高且SDR系統的功能由軟件來實現，如何對SDR系統的軟件進行高效、充分的測試與驗證，將是下一步研究工作的重點。

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