張春俠 高洋 張爍 林金永 蔡文龍 董文杰

（1 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京，100854；2 宇航智能控制技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100854）

在信息化、體系化對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，飛行器協(xié)同組網(wǎng)已成為實(shí)戰(zhàn)化能力提升的重要手段，數(shù)據(jù)鏈作為飛行器之間的通信鏈路成為不可或缺的關(guān)鍵因素[1-6]。單體飛行器集成數(shù)據(jù)鏈后可以完成橫向組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同配合，不僅可以有效提高突防能力和攻擊效果，同時(shí)還可以在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、目標(biāo)實(shí)時(shí)裝訂以及毀傷效果評(píng)估等方面發(fā)揮巨大作用。飛行器編隊(duì)通過數(shù)據(jù)鏈可以實(shí)現(xiàn)飛行器之間、飛行器—地以及飛行器—星之間的互聯(lián)互通，完成協(xié)同導(dǎo)引、協(xié)同突防與攻擊以及協(xié)同電子對(duì)抗等新型戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)，對(duì)提高整個(gè)飛行器編隊(duì)乃至整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的綜合作戰(zhàn)效能都有至關(guān)重要的意義[7]。為此，必須解決飛行器與數(shù)據(jù)鏈之間的頂層集成設(shè)計(jì)問題，包括電氣集成設(shè)計(jì)、機(jī)械接口設(shè)計(jì)、軟件集成設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證要求、六性設(shè)計(jì)等，為數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)以及單機(jī)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

當(dāng)前獨(dú)立工作飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有GJB 3589—1999《彈（箭）載計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)要求》、GJB 7178—2011《綜合電子信息系統(tǒng)集成聯(lián)試規(guī)程》、QJ 1485A—2016《運(yùn)載火箭與戰(zhàn)略導(dǎo)彈控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)方法》等。國內(nèi)外關(guān)于數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也有不少，但針對(duì)多飛行器協(xié)同組網(wǎng)涉及的控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈集成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)卻還沒有，體系化作戰(zhàn)的新型飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍沒有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，若不及時(shí)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將制約體系化作戰(zhàn)飛行器的發(fā)展進(jìn)程。

在總結(jié)國內(nèi)外各類飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到未來飛行器設(shè)計(jì)需要，起草一個(gè)具有通用性、規(guī)范性、先進(jìn)性和可操作性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的，可具體指導(dǎo)未來飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

1 飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)組成與信息流向

1.1 飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)組成

飛行器集群協(xié)同示意如圖1 所示，若干個(gè)協(xié)同集成控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈無線通信組成網(wǎng)絡(luò)，其中單個(gè)飛行器協(xié)同集成控制系統(tǒng)由單體飛行控制系統(tǒng)和自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈兩部分組成。

圖1 飛行器集群協(xié)同示意圖

單體飛行控制系統(tǒng)一般由導(dǎo)航設(shè)備、目標(biāo)敏感器、信息處理與控制中心、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備以及控制系統(tǒng)軟件等組成，用來控制飛行器的飛行軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈一般由基于無線自組網(wǎng)架構(gòu)的飛行器通信終端、自組網(wǎng)協(xié)議棧等組成。飛行器通信終端包括自組網(wǎng)控制器、終端處理機(jī)、收發(fā)信機(jī)和天線組合。自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈各模塊功能如下：

a）自組網(wǎng)控制器包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和信息預(yù)處理模塊等，具備高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)建立、維護(hù)與控制功能；

b）終端處理機(jī)包括編碼與解碼器、調(diào)制與解調(diào)器、同步與均衡等數(shù)字信號(hào)處理模塊；

c）收發(fā)信機(jī)包括上下變頻模塊、雙工器、頻綜等射頻功能模塊；

d）天線組合一般由天線、功放與低噪放等組成。

1.2 飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)信息流向

飛行器協(xié)同集成信息可分為兩類，一類是飛行器自主信息，包括飛行器自行獲取、產(chǎn)生、處理、應(yīng)用的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制信息，指令信息，健康狀態(tài)信息等；另一類是飛行器協(xié)同信息，包括遙控指令、目標(biāo)屬性（圖像、位置、數(shù)量、危險(xiǎn)等級(jí)等）、威脅環(huán)境、節(jié)點(diǎn)身份、節(jié)點(diǎn)定位及網(wǎng)絡(luò)連通等信息。

飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)信息流如圖2所示。天線組合接收到的飛行器協(xié)同信息，通過收發(fā)信機(jī)和終端處理機(jī)傳輸至自組網(wǎng)控制器，自組網(wǎng)控制器判斷從天線組合接收到的信息是否是中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，若是則通過天線組合轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)，若不是則通過總線傳輸給信息處理與控制中心進(jìn)行信息集成，如圖2 中信息流①所示。集成控制系統(tǒng)需要與外部節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，飛行器自主信息通過內(nèi)部總線由信息處理與控制中心發(fā)送至自組網(wǎng)控制器，再轉(zhuǎn)發(fā)至終端處理機(jī)和收發(fā)信機(jī)，最后通過天線組合發(fā)送給外部節(jié)點(diǎn)，如圖2 中信息流②所示。

圖2 協(xié)同集成控制系統(tǒng)信息流向

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容主要包括：①方案設(shè)計(jì)；②電氣接口設(shè)計(jì)；③機(jī)械接口設(shè)計(jì)；④信息集成軟件設(shè)計(jì)；⑤試驗(yàn)與驗(yàn)證。

2.2 設(shè)計(jì)流程

飛行器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程如下：①根據(jù)飛行器總體技術(shù)方案對(duì)協(xié)同飛行器組網(wǎng)規(guī)模、組網(wǎng)模式和通信覆蓋范圍等要求，按照總體下達(dá)的任務(wù)書和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，明確集成控制系統(tǒng)功能、性能、系統(tǒng)組成和單機(jī)要求，完成控制系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)，并提出單機(jī)任務(wù)書；②開展電氣接口設(shè)計(jì)、機(jī)械接口設(shè)計(jì)、信息集成軟件設(shè)計(jì)；③待產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)完成后需要進(jìn)行各種試驗(yàn)和驗(yàn)證，對(duì)技術(shù)指標(biāo)的完成情況進(jìn)行考核，如果技術(shù)指標(biāo)滿足方案要求則設(shè)計(jì)結(jié)束；④如果指標(biāo)不滿足要求則需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適應(yīng)性修改和設(shè)計(jì)完善，直至滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求為止。設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

3 集成設(shè)計(jì)詳細(xì)要求

3.1 設(shè)計(jì)輸入

集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入主要包括任務(wù)書和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范等文件。任務(wù)書中需要明確飛行前、飛行中以及設(shè)備使用環(huán)境等工作條件。飛行前條件和起飛前在地面進(jìn)行測(cè)試的準(zhǔn)備工作有關(guān)系，主要包括給定的起飛準(zhǔn)備時(shí)間、需要上傳的關(guān)鍵參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)方式等。飛行過程中的條件主要包括飛行速度、飛行姿態(tài)，飛行器間的相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)加速度等。設(shè)備使用環(huán)境主要是指飛行器內(nèi)部供電及安裝方式、電磁兼容條件、環(huán)境條件等。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范等文件主要是規(guī)定了總技術(shù)條件、七性設(shè)計(jì)大綱、降額設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、軟件測(cè)試規(guī)范等。

3.2 方案設(shè)計(jì)

集成控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)設(shè)計(jì)輸入

進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、劃分系統(tǒng)組成，并提出單機(jī)技術(shù)要求、輸出方案報(bào)告和單機(jī)任務(wù)書。

a）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。一般包括：協(xié)同信息量的大小和交互周期、協(xié)同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、協(xié)同模式。

b）系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)。一般包括：飛行器間協(xié)同距離、飛行器間協(xié)同時(shí)段、通信頻段、飛行器間協(xié)同信息業(yè)務(wù)量、入/退網(wǎng)時(shí)間、信息處理與傳輸時(shí)延、信息安全等級(jí)、天線位置與數(shù)量、天線罩透波率。

c）系統(tǒng)組成與功能劃分。按照飛行器結(jié)構(gòu)布局、空間大小、功能要求等綜合進(jìn)行軟硬件組成劃分，硬件組成包括：①單機(jī)數(shù)量；②單機(jī)功能；③對(duì)外接口；④單機(jī)連接關(guān)系。軟件組成包括：①軟件模塊數(shù)量；②軟件模塊功能。

d）單機(jī)技術(shù)要求。主要包括：明確各個(gè)單機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)；明確各個(gè)單機(jī)之間的電氣接口；明確各個(gè)單機(jī)之間的機(jī)械接口；明確各個(gè)單機(jī)的軟件功能。

圖3 協(xié)同集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.3 電氣接口設(shè)計(jì)

電氣接口設(shè)計(jì)要求主要包括：

a）對(duì)供電電池的輸出通道數(shù)和功耗進(jìn)行合理分配，并對(duì)各個(gè)單機(jī)的供電電壓及偏差范圍、一次電源與二次電源之間的隔離度進(jìn)行明確要求。

b）模擬接口設(shè)計(jì)因素一般包含傳輸方式、接口信號(hào)電平、接口器件及匹配電路等。

c）數(shù)字量接口設(shè)計(jì)因素一般包括傳輸方式、接口信號(hào)電平、接口器件及匹配電路等；總線接口設(shè)計(jì)因素一般包括總線類型、傳輸距離、傳輸速率、編碼方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

d）射頻接口設(shè)計(jì)因素一般包含輸入輸出信號(hào)功率范圍、信號(hào)的衰減、駐波、阻抗匹配和電磁屏蔽、接地、輸入輸出信號(hào)頻率與帶寬等。

e）線纜設(shè)計(jì)因素一般包括長(zhǎng)度、走向及分支、電磁屏蔽性能、線纜損耗、彎曲半徑等。

3.4 機(jī)械接口設(shè)計(jì)

依據(jù)飛行器的實(shí)際安裝位置，機(jī)械接口設(shè)計(jì)因素一般包括：外形尺寸及安裝方式、質(zhì)量參數(shù)、防熱措施、減震措施、散熱措施。

4 信息集成軟件設(shè)計(jì)要求

信息集成軟件模塊組成如圖4 所示。信息處理與控制中心軟件模塊功能包括：運(yùn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)、姿態(tài)控制、發(fā)送飛行器自主信息、接收飛行器間協(xié)同信息。

自組網(wǎng)控制器軟件模塊功能包括：飛行器自主信息的接收、預(yù)處理（壓縮、加密等）、傳輸和發(fā)送；飛行器間協(xié)同信息的接收、判斷、轉(zhuǎn)發(fā)/預(yù)處理（解壓縮、解密等）；網(wǎng)絡(luò)層路由算法實(shí)現(xiàn)與規(guī)劃；鏈路層協(xié)議實(shí)現(xiàn)與時(shí)隙控制；定向通信的波束指向與互鎖算法的實(shí)現(xiàn)；對(duì)終端處理機(jī)的信息控制。

終端處理機(jī)軟件模塊功能包括：組幀/幀同步；信道編/譯碼；擴(kuò)頻/解擴(kuò)；調(diào)制/解調(diào)；對(duì)天線的選擇、收發(fā)切換、波束指向等控制。

天線控制組合軟件模塊功能包括：待機(jī)、收/發(fā)等狀態(tài)切換實(shí)現(xiàn)；波束指向?qū)崿F(xiàn)。

圖4 信息集成軟件模塊組成

5 試驗(yàn)與驗(yàn)證要求

為了驗(yàn)證信息集成系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)，除了按QJ 1485A—2016《運(yùn)載火箭與戰(zhàn)略導(dǎo)彈控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)方法》開展的綜合試驗(yàn)要求的試驗(yàn)內(nèi)容外，一般還應(yīng)完成動(dòng)中通試驗(yàn)、多飛行器掛飛試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等。

a）動(dòng)中通試驗(yàn)。地面多車載運(yùn)動(dòng)環(huán)境下，驗(yàn)證多徑無遮擋通信條件下系統(tǒng)的組網(wǎng)通信能力，對(duì)鏈路性能指標(biāo)及余量進(jìn)行考核。

b）多飛行器掛飛試驗(yàn)。開展雙機(jī)/多機(jī)掛飛試驗(yàn)，驗(yàn)證飛行動(dòng)態(tài)環(huán)境下組網(wǎng)通信、波束指向、波束互鎖等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)情況。

c）電磁兼容試驗(yàn)。參與控制系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)和載體平臺(tái)（飛機(jī)、軍艦等）的電磁兼容測(cè)試。

d）其他試驗(yàn)。根據(jù)其他特殊要求，進(jìn)行補(bǔ)充性試驗(yàn)。

本文研究了飛行器協(xié)同自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈信息集成設(shè)計(jì)要求，已形成航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 20767—2018《導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)信息集成設(shè)計(jì)要求》，并于2018年初正式發(fā)布實(shí)施，且已應(yīng)用在某飛行器間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并在掛飛試驗(yàn)及實(shí)際飛行試驗(yàn)中得到了成功驗(yàn)證，可為飛行器間協(xié)同配合與信息組網(wǎng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和有效支撐。