被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭產(chǎn)品化工作研究與實(shí)踐

張靚、鄧?yán)凇②w勇武、張曉麗、吳曄、李國(guó)聞 /上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所

面對(duì)產(chǎn)品研制數(shù)量日益增多、任務(wù)批次越來(lái)越密集的狀況，以往的技術(shù)方案產(chǎn)品化、通用化差，產(chǎn)品零件種類(lèi)繁多，低水平重復(fù)工作量大，導(dǎo)致技術(shù)狀態(tài)控制、可靠性、質(zhì)量、進(jìn)度及人員等方面的壓力日益增大。為了減少重復(fù)開(kāi)發(fā)，有效縮短產(chǎn)品研制周期，降低質(zhì)量成本，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，在“十三五”期間航天裝備產(chǎn)品參照宇航產(chǎn)品成熟度定級(jí)規(guī)定，統(tǒng)一按研制階段劃分了成熟度等級(jí)。依照頂層策劃的方式開(kāi)展航天裝備產(chǎn)品型譜規(guī)劃，克服系統(tǒng)組成復(fù)雜、功能要求多樣、體制種類(lèi)繁多、頻段覆蓋較寬、結(jié)構(gòu)形式不統(tǒng)一等產(chǎn)品統(tǒng)型難點(diǎn)，上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所建立起“單機(jī)架構(gòu)通用化、部組件模塊化、軟件開(kāi)發(fā)構(gòu)件化、元器件統(tǒng)型化”的產(chǎn)品化建設(shè)思路。筆者選取被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭作為典型示范案例，對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的硬件模塊化、軟件模塊化和元器件通用化工作實(shí)踐進(jìn)行闡述。

一、目標(biāo)與思路

研究所以“構(gòu)建產(chǎn)品化構(gòu)架，覆蓋航天裝備主要產(chǎn)品，形成可供選用的產(chǎn)品系列，形成可持續(xù)開(kāi)展產(chǎn)品化工作的產(chǎn)品化架構(gòu)”作為產(chǎn)品化工作的目標(biāo)，形成以下工作思路：

（1）自上而下規(guī)劃，從單機(jī)層層分解到硬件模塊、軟件模塊，理清產(chǎn)品分布；

（2）自下而上實(shí)踐，從產(chǎn)品選用、組批生產(chǎn)等方面驗(yàn)證產(chǎn)品化架構(gòu)穩(wěn)定性；

（3）開(kāi)展導(dǎo)引頭需求對(duì)接和型譜研究，優(yōu)化統(tǒng)型各級(jí)產(chǎn)品，以產(chǎn)品選用需求為首要目標(biāo)，固化導(dǎo)引頭產(chǎn)品化標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

二、具體實(shí)踐

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭作為反輻射航天裝備最前端且最關(guān)鍵的組成部分，其主要功能是從空間傳播的密集電磁波中識(shí)別截取有威脅的目標(biāo)輻射源，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在設(shè)計(jì)初期便大力推進(jìn)產(chǎn)品化體系建設(shè)，根據(jù)技術(shù)體制的不同可分為兩大類(lèi)，以工作頻段的不同可分為四大類(lèi)，以平臺(tái)穩(wěn)定方式的不同可分為三大類(lèi)。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭型譜特征樹(shù)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭型譜特征樹(shù)

在被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭型譜建設(shè)及與總體需求對(duì)接中，導(dǎo)引頭單機(jī)是任務(wù)化、型號(hào)化的產(chǎn)品，無(wú)法整體形成型譜產(chǎn)品供新研型號(hào)直接選用，但其組成可以模塊化、產(chǎn)品化。為此，通過(guò)自上而下的規(guī)劃和分解，對(duì)下級(jí)組成從硬件和軟件2 個(gè)方面開(kāi)展模塊化設(shè)計(jì)，將工作重點(diǎn)放在硬件和軟件模塊的產(chǎn)品化上。

1.硬件模塊化

將被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭自上而下劃分,建立標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，主要組成一般可分成天線(xiàn)陣列模塊、寬帶微波接收模塊、信息處理模塊等幾個(gè)主要功能模塊，根據(jù)總體需求可增加其他可配置模塊，如圖2 所示。針對(duì)獨(dú)立的功能模塊，從分布形式、工作頻段、通道數(shù)等方面進(jìn)行統(tǒng)型，形成貨架產(chǎn)品與貨架設(shè)計(jì)，貨架產(chǎn)品作為基本模塊，可供用戶(hù)直接選用；如果用戶(hù)有特殊需求，再以貨架產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行滿(mǎn)足需求的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

圖2 被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭組成

天線(xiàn)陣列模塊根據(jù)分布形式統(tǒng)型為共形、共口徑2 種規(guī)格，通過(guò)頻段選擇與擴(kuò)展?jié)M足不同需求（見(jiàn)表1）。

表1 天線(xiàn)陣列模塊統(tǒng)型

寬帶微波接收模塊根據(jù)接收通道數(shù)統(tǒng)型為2 通道以上和2 通道以下2 種規(guī)格，頻段可根據(jù)需求進(jìn)行選擇與擴(kuò)展（見(jiàn)表2）。

表2 寬帶微波接收模塊統(tǒng)型

信息處理模塊是電子設(shè)備和信息處理的核心，采用通用化方案，具備多通道信號(hào)高速采樣、實(shí)時(shí)信號(hào)預(yù)處理、高速數(shù)據(jù)交換、信息提取識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及接口通信與控制等功能（見(jiàn)圖3）。以多塊功能子板和背板相結(jié)合的方式，以SRIO 高速串行總線(xiàn)為通用通信總線(xiàn)，以VNX 標(biāo)準(zhǔn)為架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，具備通用化、模塊化和可擴(kuò)展的特點(diǎn)。

圖3 被動(dòng)信息處理模塊功能劃分

多通道信號(hào)高速采樣功能主要利用多通道高速A/D 完成寬帶中頻信號(hào)的采集，然后經(jīng)實(shí)時(shí)信號(hào)預(yù)處理得到脈內(nèi)信息和脈沖描述字，經(jīng)過(guò)高速數(shù)據(jù)交換進(jìn)入下一級(jí)的目標(biāo)特征信息提取與分選識(shí)別等處理。

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在設(shè)計(jì)初期，首先由單機(jī)設(shè)計(jì)師與總體明確設(shè)計(jì)需求，對(duì)照型譜確定導(dǎo)引頭各硬件模塊的具體指標(biāo)，以任務(wù)書(shū)形式分配給各組合。組合設(shè)計(jì)師在自下而上開(kāi)展硬件設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)功能性能指標(biāo)要求進(jìn)行相應(yīng)的貨架產(chǎn)品選取或進(jìn)行功能擴(kuò)展的貨架設(shè)計(jì)。在選用每個(gè)功能模塊的元器件和原材料時(shí)，通過(guò)研究所建立的A5 平臺(tái)在物資庫(kù)內(nèi)直接選取。該平臺(tái)將元器件庫(kù)、材料庫(kù)與物資優(yōu)選目錄相結(jié)合，嚴(yán)格限制超目錄物資選用，將物資選用管理控制在設(shè)計(jì)初期，物資更新信息推送到設(shè)計(jì)師桌面，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)選用物資信息的高效準(zhǔn)確傳遞。

2.軟件模塊化

根據(jù)通用化軟件架構(gòu)建設(shè)需求，完成軟件算法需求分析、通用化軟件層次架構(gòu)設(shè)計(jì)等研究，突破導(dǎo)引頭板級(jí)支持庫(kù)層、交互層、處理層通用算法顆粒度劃分，通用軟件模塊接口參數(shù)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，形成應(yīng)用交互、層次清晰的通用軟件架構(gòu)，如圖4、圖5 所示。

圖4 交互層軟件層次框架

圖5 板級(jí)支持庫(kù)層軟件層次框架

針對(duì)不同體制的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭通用化軟件需求，開(kāi)展被動(dòng)數(shù)字信道化檢測(cè)、信號(hào)分選識(shí)別、高精度測(cè)向關(guān)鍵技術(shù)研究，以成熟軟件模塊為基礎(chǔ)建立被動(dòng)軟件復(fù)用庫(kù)，完成處理層劃分（見(jiàn)表3）。處理對(duì)象分成對(duì)信號(hào)的處理和對(duì)數(shù)據(jù)的處理兩大類(lèi)，每類(lèi)再根據(jù)功能和不同算法劃分二級(jí)模塊和三級(jí)模塊。進(jìn)行導(dǎo)引頭軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可從軟件復(fù)用庫(kù)中選取模塊，通過(guò)修改參數(shù)完成不同信號(hào)或數(shù)據(jù)的處理，減少軟件單元測(cè)試重復(fù)開(kāi)展的工作量，同時(shí)也提高了軟件開(kāi)發(fā)的可靠性。

表3 被動(dòng)通用軟件模塊表

3.元器件和接口統(tǒng)型化

在已有元器件優(yōu)選目錄的基礎(chǔ)上，對(duì)不同部組件需要選用的元器件進(jìn)一步統(tǒng)型，制定了《元器件選用管理規(guī)定》。對(duì)用CPU（中央處理器）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA（可編程邏輯門(mén)陣列）等關(guān)鍵核心元器件的院、所兩級(jí)統(tǒng)籌選型，并制定了關(guān)鍵核心元器件所級(jí)優(yōu)選目錄和選用規(guī)范，提供自主可控選型技術(shù)指導(dǎo)和國(guó)產(chǎn)化推薦。比如，在信息處理模塊中，模數(shù)轉(zhuǎn)換元器件優(yōu)選多通道高速采樣芯片，DSP 芯片優(yōu)選64XX 系列，F(xiàn)PGA 芯片優(yōu)選K7 或Z7 系列。關(guān)鍵核心元器件統(tǒng)型后，其相關(guān)的供電芯片、電平轉(zhuǎn)換芯片、存儲(chǔ)芯片等元器件選型也就相對(duì)固定，進(jìn)一步縮小了被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭元器件選型的范圍，更好地實(shí)現(xiàn)了元器件的統(tǒng)型。

對(duì)總線(xiàn)接口進(jìn)行統(tǒng)型，確定部組件及模塊內(nèi)部通信接口統(tǒng)型為RS422。在5 型通用測(cè)試設(shè)備成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推進(jìn)總線(xiàn)和接口標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，建立電氣接口、結(jié)構(gòu)接口、通信接口的設(shè)計(jì)規(guī)范——《被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭電氣接口規(guī)范》，加快單板、組合測(cè)試接口的統(tǒng)型。以連接器為例，整理、分類(lèi)、歸納、總結(jié)了航天裝備各部件間傳輸?shù)男盘?hào)流，明確天線(xiàn)、微波組件、信息處理電路、對(duì)外接口間傳輸?shù)男盘?hào)頻率、信號(hào)數(shù)量、電壓、電流、通信協(xié)議等，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)型，最終在設(shè)計(jì)選型中以應(yīng)用于不同產(chǎn)品的信號(hào)頻率、芯數(shù)等特征分類(lèi)進(jìn)行優(yōu)選。比如，天線(xiàn)模塊在設(shè)計(jì)選用連接器時(shí)，由于其傳輸信號(hào)為射頻信號(hào)，因此在射頻連接器優(yōu)選目錄中選取（見(jiàn)表4）；信息處理電路在設(shè)計(jì)選用連接器時(shí)，其傳輸信號(hào)為低頻信號(hào)，可在低頻連接器優(yōu)選目錄中選?。ㄒ?jiàn)表5）。

表4 航天裝備射頻連接器優(yōu)選目錄

表5 航天裝備低頻連接器優(yōu)選目錄

4.測(cè)試通用化

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭產(chǎn)品硬件、軟件經(jīng)過(guò)模塊化設(shè)計(jì)后，具備統(tǒng)一的接口和功能，因此測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備也可優(yōu)化為通用化測(cè)試設(shè)備和測(cè)試流程。對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的功能測(cè)試和性能測(cè)試進(jìn)行了測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試環(huán)境規(guī)定（見(jiàn)表6、表7），為被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試設(shè)備和流程的研制建立了框架，圖6 為通用化后的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭暗室測(cè)試示意圖。通過(guò)統(tǒng)型壓縮了10 余個(gè)測(cè)試設(shè)備組成模塊，形成了通用測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖6 被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭暗室測(cè)試示意圖

表6 功能測(cè)試項(xiàng)目表

表7 性能測(cè)試項(xiàng)目表

5.過(guò)程規(guī)范化

為規(guī)范單機(jī)及部組件在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、驗(yàn)收、交付、售后、維護(hù)過(guò)程中需要遵循的要求，圍繞被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭單機(jī)產(chǎn)品，開(kāi)展了設(shè)計(jì)規(guī)范、產(chǎn)品保證實(shí)施細(xì)則、仿真方法、測(cè)試方法、試驗(yàn)方法等標(biāo)準(zhǔn)的編制。

以被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭型譜為基礎(chǔ)，制修訂設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品保證要求、試驗(yàn)要求、制造要求，規(guī)范被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的整個(gè)研制生產(chǎn)過(guò)程（見(jiàn)表8）。

表8 被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品從設(shè)計(jì)源頭開(kāi)始，到研制過(guò)程中的各項(xiàng)試驗(yàn)、測(cè)試方法，再到交付前的驗(yàn)收準(zhǔn)則，都必須按照規(guī)范要求執(zhí)行。力求統(tǒng)一環(huán)境條件，從源頭控制驗(yàn)收試驗(yàn)條件，同一批產(chǎn)品驗(yàn)收后能夠交付不同產(chǎn)品使用，最大程度上節(jié)約資源，控制成本，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一驗(yàn)收、統(tǒng)一交付的目標(biāo)。

三、工作成效

1.精簡(jiǎn)研制工作量

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭經(jīng)過(guò)型譜化壓縮后，產(chǎn)品規(guī)格優(yōu)化壓縮率達(dá)到67%，減少了產(chǎn)品狀態(tài)，提高了產(chǎn)品保成功能力。由于每一種被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭研制和驗(yàn)收都需要研制不少于3 件完整狀態(tài)的試驗(yàn)件，其生產(chǎn)和試驗(yàn)均需要時(shí)間和百萬(wàn)以上的經(jīng)費(fèi)。而規(guī)范化的狀態(tài)不僅縮短了研制周期，同時(shí)還節(jié)約了大量的研制經(jīng)費(fèi)，在不降低可靠性的基礎(chǔ)上為降低產(chǎn)品成本作出巨大的貢獻(xiàn)。

2.縮短研制周期

某產(chǎn)品自研制以來(lái)，按照產(chǎn)品化工作思路開(kāi)展模塊化軟、硬件設(shè)計(jì)，借鑒型譜中“1 型被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭”的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)方法，僅用2 年時(shí)間就完成了產(chǎn)品研制工作。采用產(chǎn)品化策略后，研制周期比傳統(tǒng)的研制模式至少縮短2 年時(shí)間。

3.大幅提高測(cè)試設(shè)備等資源的使用率

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭充分考慮通用化、系列化、組合化的產(chǎn)品化要求，使得多個(gè)產(chǎn)品的試驗(yàn)項(xiàng)目、流程、產(chǎn)品配套得以?xún)?yōu)化，測(cè)試設(shè)備、試驗(yàn)系統(tǒng)等均實(shí)現(xiàn)通用，同時(shí)試驗(yàn)的各項(xiàng)保障條件也可實(shí)現(xiàn)最大程度的復(fù)用，以有效避免技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，大幅降低管理難度。

4.推動(dòng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的產(chǎn)品化工作還推動(dòng)了設(shè)計(jì)規(guī)范、接口規(guī)范、產(chǎn)品規(guī)范、產(chǎn)品保證實(shí)施細(xì)則等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定，發(fā)布了4 份被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭產(chǎn)品相關(guān)實(shí)施細(xì)則且已用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作，在總結(jié)前期工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，另有5份規(guī)范性文件在發(fā)布中。產(chǎn)品化工作推進(jìn)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)等產(chǎn)品化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了同類(lèi)、同等級(jí)產(chǎn)品接口規(guī)范的橫向一致。

產(chǎn)品化工作是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)策劃、開(kāi)發(fā)、采購(gòu)、制造、市場(chǎng)等各個(gè)部門(mén)的工作和管理模式都將帶來(lái)很大的變化，產(chǎn)品化構(gòu)架建設(shè)是一項(xiàng)產(chǎn)品化先期基礎(chǔ)工作，僅搭建了產(chǎn)品化工作的產(chǎn)品平臺(tái)。后續(xù)，研究所需繼續(xù)圍繞產(chǎn)品化構(gòu)架加快建設(shè)新時(shí)期產(chǎn)品化工作架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品模塊化、通用化、型譜化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通用產(chǎn)品組批生產(chǎn)及滾動(dòng)交付生產(chǎn)模式，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度、質(zhì)量提升、成本管控等創(chuàng)造巨大收益。