胥輝旗， 王義冬， 田燕妮

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001)

0 引言

早期的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)大部分設(shè)備間普遍采用點對點直接連接的電纜網(wǎng)進行儀器間的信號傳輸。這種繁雜的連接線路顯著增加了導(dǎo)彈自身重量，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時，電纜中傳輸?shù)拇罅磕M信號易受干擾，甚至本身就是強干擾源，降低了系統(tǒng)的電磁兼容與抗毀能力。而總線方案能夠有效地提高導(dǎo)彈綜合信息處理能力、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕消極質(zhì)量，提高可靠性，提升系統(tǒng)的整體性能。俄羅斯的“寶石”導(dǎo)彈、印度的“烈火Ⅱ”中程導(dǎo)彈及美國的MX洲際導(dǎo)彈的彈上設(shè)備間信息傳輸采用了標(biāo)準(zhǔn)1553B總線［1］。

隨著導(dǎo)彈性能、功能的增強，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜程度的提高，越來越多不同功能任務(wù)子系統(tǒng)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)上應(yīng)用，對導(dǎo)彈武器信息的獲取、交互、綜合處理等提出了更高的要求。新一代導(dǎo)彈武器綜合信息系統(tǒng)更是要求在傳感器信號一級實現(xiàn)綜合，大量中間信息的實時傳輸對彈上信息傳輸技術(shù)提出了更高的要求，高速總線已成為彈上信息傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。

1 彈上總線的選擇

彈上總線的選擇是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要在綜合考慮彈上信息的傳輸特點和彈上總線的使用需求等基礎(chǔ)上，繼承成熟、合理的設(shè)計思想和先進的技術(shù)，在嚴(yán)格保證可靠性的前提下確保一定的技術(shù)先進性余度，優(yōu)先考慮高速率硬件、光纖連接方案和靈活高效的通信協(xié)議。

1.1 彈上總線信息傳輸特點分析

1)規(guī)律性。彈上信息傳輸具有規(guī)律性，隨機信號較少。導(dǎo)彈系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)比較單純，信號的產(chǎn)生和傳輸是嚴(yán)格按照控制程序進行的。信號采樣與控制是周期性的，而且周期是固定的或是程控的;離散的控制信息也有著嚴(yán)格的時序關(guān)系。

2)不均勻性。彈上信息傳輸在空間和時間上不均勻。從空間上講，導(dǎo)彈各任務(wù)設(shè)備所處理的信息量差別很大，傳輸負(fù)荷也不相同。從時間上講，彈上信息傳輸是一個有中心的、傳輸負(fù)荷不均勻的、有明顯數(shù)據(jù)流方向性的網(wǎng)絡(luò)。

3)不規(guī)則性。導(dǎo)彈傳輸?shù)男畔⒓扔行?shù)據(jù)包的指令信息又有雷達(dá)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包的信息，因此要求彈上信息傳輸系統(tǒng)對大小不同數(shù)據(jù)包同時具有較高的傳輸效率。

4)可靠性。導(dǎo)彈的特殊性要求彈上總線在硬件與通信協(xié)議上具有極高的可靠性。具備隔離、冗余和多種錯誤檢測與故障恢復(fù)機制，降低誤碼率，防止網(wǎng)絡(luò)癱瘓，確保彈上信息傳輸系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境中能夠可靠工作。

5)高速性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，新一代的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合信息系統(tǒng)中，要求在傳感器信號一級實現(xiàn)綜合，彈上傳輸?shù)牟辉賰H僅是命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)，而主要是各傳感器等的大量中間數(shù)據(jù)。各功能子系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)共享、實時交互、綜合處理等要求彈上信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具有極高的帶寬和微秒級別的數(shù)據(jù)延遲。

1.2 彈上總線的需求分析

針對彈上信息傳輸特點可知，彈上總線網(wǎng)絡(luò)既要通過信息的交聯(lián)達(dá)到功能綜合的目的，還要適應(yīng)各彈上功能子系統(tǒng)信息交互的特點，與一般意義的總線技術(shù)相比，有很大的不同。

1)具有極高的可靠性。導(dǎo)彈作為一次性使用的、無人控制的一種特殊機動平臺，它在使用中不可維修，導(dǎo)彈在工作中存在較強的機械振動和電磁干擾，溫濕度、氣壓、潔凈度也難以保證，因此要求彈上總線具有極高的可靠性。因此該類總線產(chǎn)品在硬件與通信協(xié)議上加強了可靠性設(shè)計，采取隔離、冗余和多種錯誤檢測與故障恢復(fù)機制，降低誤碼率，防止網(wǎng)絡(luò)癱瘓，確?？偩€在惡劣的環(huán)境中能夠可靠工作。

2)強調(diào)實時性。實時性要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是確定的或有時限的，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸時間不能超出時限。實時性主要體現(xiàn)在總線傳輸延時等指標(biāo)上。特別是針對世界各國正在加緊研發(fā)的高超音速導(dǎo)彈，其運動速度快、執(zhí)行任務(wù)時間短，對實時性提出來更高要求［2］。

3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、通信協(xié)議靈活。彈上空間有限、任務(wù)設(shè)備較少，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議設(shè)計上盡可能地簡潔、高效，在提高可靠性的同時便于總線網(wǎng)絡(luò)進行管理監(jiān)測和差錯控制。

4)具備較高的傳輸帶寬。隨著新一代導(dǎo)彈將雷達(dá)、彈載干擾機、數(shù)據(jù)鏈一體化設(shè)計的趨勢和GPS導(dǎo)航、光學(xué)成像等各類傳感器的引入，傳感器信號一級的綜合必然依附于大量中間數(shù)據(jù)的實時交互、綜合處理，這些對彈上總線的傳輸速率提出了極高要求，同時綜合考慮到一定的技術(shù)先進性余度，要求彈上總線具有高達(dá)Gbps級的傳輸帶寬。

5)傾向光纖傳輸介質(zhì)。在彈上狹小的空間內(nèi)，高頻、低頻、強電、弱電等各種電磁信號共存，加上現(xiàn)代技術(shù)條件下導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程中面對的各種干擾對抗的復(fù)雜電磁環(huán)境，要求彈上設(shè)備間的信息交互具有良好的電磁兼容性，同時為了減輕總線質(zhì)量，彈上總線優(yōu)先選擇光纖作為傳輸介質(zhì)。

1.3 彈上總線的選擇

光纖總線網(wǎng)絡(luò)以其帶寬高、質(zhì)量輕、電磁兼容性好等特點，已被證明是滿足飛行器平臺綜合信息系統(tǒng)需求的有效方案，因此彈上總線的選擇中優(yōu)先考慮光纖總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段可應(yīng)用于機動平臺的典型光纖總線參數(shù)如表1 所示［3］。

表1 典型光纖總線參數(shù)對照表Table 1 Parameters of typical fiber buses

從表1各型總線的技術(shù)參數(shù)分析，CAN總線和MIL-STD-1773總線數(shù)據(jù)率低，而光纖通道和千兆光纖以太網(wǎng)和光纖通道雖然數(shù)據(jù)率高，但是實時性差，均不是理想的彈上總線選擇。反射內(nèi)存實時網(wǎng)光纖總線和FDDI滿足彈上總線的條件。綜合兩種總線考慮，反射內(nèi)存網(wǎng)光纖總線不但數(shù)據(jù)率遠(yuǎn)高于FDDI，而且支持中斷，因此本文優(yōu)先選擇反射內(nèi)存實時網(wǎng)光纖總線作為彈上總線。

反射內(nèi)存(Reflective Memory)實時網(wǎng)的光纖總線以其極高的傳輸數(shù)據(jù)率、很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性等特征，已經(jīng)在波音777測試系統(tǒng)、F-35戰(zhàn)斗機和新型阿里－伯克級驅(qū)逐艦的雷達(dá)、電子戰(zhàn)綜合信息系統(tǒng)中作為新一代總線得以應(yīng)用［4－5］。

2 反射內(nèi)存光纖總線原理及特點

2.1 反射內(nèi)存光纖總線原理

反射內(nèi)存光纖總線是采用共享內(nèi)存的機制，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種高速實時總線網(wǎng)絡(luò)?？偩€網(wǎng)絡(luò)的每個任務(wù)節(jié)點接一個RM(Reflective Memory)接口適配器，每個RM接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，系統(tǒng)將該存儲空間映射到該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理系統(tǒng)的地址空間，這樣節(jié)點處理系統(tǒng)對RM接口適配器的操作就和對本機內(nèi)存操作方式一樣。當(dāng)節(jié)點任務(wù)設(shè)備往映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個位置寫數(shù)據(jù)的時候，反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在納秒級的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳播到網(wǎng)絡(luò)上的每個其他節(jié)點。并且更新的傳播操作是異步的，沒有應(yīng)用系統(tǒng)處理器的介入［6］。

RM接口適配器使用簡單的讀寫方式，對于CPU來說就相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的RAM，而且反射內(nèi)存總線網(wǎng)傳輸是純硬件操作，不需考慮網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，幾乎不需要軟件操作，因此它與以太網(wǎng)相比具有更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲、更快的傳輸速度等［7］。

2.2 反射內(nèi)存光纖總線的特點

1)高傳輸數(shù)據(jù)率。與MIL-STD-1773最高3 Mbps和FDDI最高100 Mbps數(shù)據(jù)率相比，反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率最高可達(dá)2.125 Gbps。

2)很強的實時性。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)具有納秒級的傳輸延遲。

3)嚴(yán)格傳輸確定性。以太網(wǎng)的CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的傳輸機制決定了其很難保證傳輸延遲的確定性。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)采用硬件方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，和以太網(wǎng)及FDDI采用軟件方法實現(xiàn)OSI模型中各相鄰層間的數(shù)據(jù)通信相比，系統(tǒng)通信基本不占用CPU時間，不需要OSI多層協(xié)議支持，具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性［8］。

4)不同數(shù)據(jù)包的高通信效率。千兆光纖以太網(wǎng)對小數(shù)據(jù)包的傳輸效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對大數(shù)據(jù)包的傳輸速率。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)采用透明傳輸體制，并能根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)大小動態(tài)選擇傳輸方式，因此對大小數(shù)據(jù)包都同時具有極高的傳輸通信效率。

5)可靠性高。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)可采用雙路冗余設(shè)計，增加網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測和自愈合功能，內(nèi)建數(shù)據(jù)校驗、恢復(fù)機制，具有很好的容錯性和極高的傳輸可靠性。

6)跨平臺支持。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)允許集成不同廠商的系統(tǒng)硬件，并且組網(wǎng)只涉及對反射內(nèi)存操作，不需要平臺操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點支持不同的軟硬件平臺，具有極大的方便性。同時反射光纖網(wǎng)絡(luò)最多能支持256個節(jié)點，具有較強的可擴展性。

3 基于反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)的彈上總線研究

3.1 基于反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)彈上總線結(jié)構(gòu)設(shè)想

根據(jù)反射內(nèi)存光纖總線的特點和彈上總線使用環(huán)境及信息交互特點，提出基于反射內(nèi)存實時網(wǎng)彈上總線的連接形式如圖1所示。

圖1 基于反射內(nèi)存網(wǎng)的彈上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 The topology structure of missile networked system based on RMN

彈上總線采用雙線冗余設(shè)計，各彈上設(shè)備通過各自的RM接口適配器和總線相連，實現(xiàn)彈上各分系統(tǒng)軟/硬件資源共享和海量數(shù)據(jù)的實時交互，通過綜合控制計算機、作戰(zhàn)任務(wù)計算機等彈上計算機群實現(xiàn)信息的綜合處理。為了克服主從式總線結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致單點故障的問題，基于反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)彈上總線系統(tǒng)采用無主站自主組網(wǎng)結(jié)構(gòu)［9］。每個任務(wù)設(shè)備的RM接口適配器既是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口，又具有網(wǎng)絡(luò)管理、容錯及重構(gòu)能力等功能，從而顯著提高總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和容錯能力。

3.2 RM接口適配器設(shè)計

RM接口適配器為各任務(wù)設(shè)備和反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)相連的接口，具有數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)管理雙重功能，是整個反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)的核心設(shè)備。RM接口適配器主要由光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編/解碼/并行處理、網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機、存儲器、協(xié)議管理模塊及任務(wù)設(shè)備接口等組成，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

系統(tǒng)采用雙光纖接口冗余設(shè)計、具有網(wǎng)絡(luò)容錯和重構(gòu)功能，同時考慮到彈上應(yīng)用需要，RM接口適配器采用嵌入式設(shè)計，并且任務(wù)設(shè)備接口可以根據(jù)彈上設(shè)備接口需要設(shè)計。

為同時兼顧彈上指令數(shù)據(jù)等小數(shù)據(jù)包傳輸及圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母邆鬏斝?，RM接口適配器內(nèi)建動態(tài)傳輸方式選擇功能。系統(tǒng)針對反射內(nèi)存網(wǎng)小數(shù)據(jù)量傳輸時，PIO方式(Programmable Input/Output)比DMA方式(Direct Memory Access)傳輸效率高。反之，大數(shù)據(jù)量傳輸時，DMA方式比PIO方式傳輸效率高的特點，不但能根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量大小，動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)分組長度，還能設(shè)定一個閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)分組長度小于閾值時，自動采用PIO傳輸方式;當(dāng)數(shù)據(jù)分組長度大于閾值時，自動采用DMA傳輸方式，從而使系統(tǒng)無論傳輸控制指令還是大數(shù)據(jù)量的傳感信息均具有很高的效率。

圖2 RM接口適配器功能框圖Fig.2 Functional block diagram of RM interface adapter

RM接口適配器還具備網(wǎng)絡(luò)管理、容錯及重構(gòu)能力。

1)故障節(jié)點隔離。若某個光端口未探測到光信號或探測到錯誤的同步碼，則自動隔離該端口或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并迅速重構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)。

2)自動旁路故障光纜。自動檢測到光纜故障，能自動旁路故障光纜，通過冗余光纜重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，確保所有節(jié)點均正常通信。

3)節(jié)點實時加入。有新節(jié)點加入或被隔離的節(jié)點恢復(fù)正常時，自動將該節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并通知其他節(jié)點重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)［10］。

4 基于反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)的性能測試

為了測試、驗證基于反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)適應(yīng)彈上總線傳輸?shù)母黜椥阅苤笜?biāo)，采用3臺嵌入式計算機分別模擬彈上主動雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭、綜合控制計算機和高度表3個設(shè)備在導(dǎo)彈全航程中信息交互流程，用RM接口適配器搭建了3節(jié)點反射內(nèi)存光纖實時網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸測試，見圖3。測試結(jié)果顯示，當(dāng)綜合紅外熱成像圖像數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，使用12 k數(shù)據(jù)包傳輸時，傳輸速率基本穩(wěn)定在80 MByte/s的水平以上，平均延時大約為0.142 ms，并且延遲時間都很穩(wěn)定，抖動非常小。說明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率高、實時性好、傳輸確定性強。

對測試中收發(fā)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗，測試表明，3節(jié)點的反射內(nèi)存網(wǎng)在24小時內(nèi)的傳輸可靠性達(dá)到100%，證明了其傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

圖3 反射內(nèi)存光傳實時網(wǎng)測試驗證系統(tǒng)實物圖Fig.3 Testing and certificating system of RMN

5 結(jié)論

本文所研究的基于反射內(nèi)存的光纖總線網(wǎng)絡(luò)與MIL-STD-1773、FDDI、千兆光纖以太網(wǎng)等光通信方案相比不但具有極高傳輸數(shù)據(jù)率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性等特點，能夠更好地適應(yīng)彈上信息傳輸?shù)奶攸c并滿足新一代彈上信息傳輸?shù)男枨?。基于該彈上總線的測試系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該光傳系統(tǒng)可較好地適應(yīng)彈上信息傳輸系統(tǒng)在傳輸速率、實時性、可靠性、容錯能力等方面不斷增長的要求。

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