天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)綜合集成技術研究

董文杰 張春俠 訾乃全 周春梅 張 俊

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 1008542.北京航天自動控制研究所，北京 100854

?

天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)綜合集成技術研究

董文杰1,2張春俠1,2訾乃全2周春梅1,2張 俊1,2

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 1008542.北京航天自動控制研究所，北京 100854

針對天地信息一體化作戰(zhàn)模式對武器的發(fā)展需求，提出了天地信息一體化作戰(zhàn)條件下的飛行控制模式和流程。結合天地信息一體化的技術手段研究了信息化飛行控制系統(tǒng)綜合集成方案，通過天地靜態(tài)聯(lián)通試驗，驗證了綜合集成方案的可行性。

信息一體化； 飛行控制系統(tǒng)； 綜合集成

隨著計算機網絡技術的迅速發(fā)展及在軍事上的應用,未來戰(zhàn)場將是一個陸、海、空、天、電磁、網絡、信息等多維聯(lián)合作戰(zhàn)體系之間的對抗，戰(zhàn)爭形式從“平臺中心戰(zhàn)”轉變?yōu)椤熬W絡中心戰(zhàn)”。網絡中心戰(zhàn)利用強大的計算機信息網絡，將分布在戰(zhàn)區(qū)內的各種探測裝置、指揮控制中心和武器集成為一個統(tǒng)一、高效的大系統(tǒng)，形成天地信息一體化作戰(zhàn)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢和武器裝備的共享。

各種彈藥攻擊武器作為現(xiàn)代戰(zhàn)場上聯(lián)合作戰(zhàn)的重要組成部分，在聯(lián)合火力突擊、抗敵反制先制和抵御強敵軍事干預等行動中承擔極其重要的作戰(zhàn)任務,其信息化程度直接影響戰(zhàn)爭的勝負。

為了滿足天地信息一體化體系作戰(zhàn)對武器系統(tǒng)的要求，必須對其進行信息化升級。而飛行控制系統(tǒng)是武器的核心關鍵系統(tǒng)，其信息化程度直接影響武器的信息化水平，所以研究信息化飛行控制系統(tǒng)綜合集成技術已經成為一個迫切的需求。

1 基于天地信息一體化的武器飛行控制模式

天地信息一體化體系作戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)系統(tǒng)由戰(zhàn)場偵察網、指揮控制網和武器系統(tǒng)網構成(如圖1)。其中，戰(zhàn)場偵察網具備對聯(lián)合戰(zhàn)場空間環(huán)境的高度感知能力，為武器作戰(zhàn)提供戰(zhàn)場信息和目標情報。指揮控制網接受來自戰(zhàn)場偵察網的目標數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。根據(jù)作戰(zhàn)任務和戰(zhàn)場態(tài)勢，直接對武器系統(tǒng)網中的各發(fā)射節(jié)點進行控制，并通過目標毀傷信息進行打擊效果評估，制定下一步的補充打擊方案。武器系統(tǒng)網接受指揮控制網作戰(zhàn)指令，對預定目標實施遠程精確打擊。

圖1 天地信息一體化武器作戰(zhàn)系統(tǒng)示意圖

武器作為武器系統(tǒng)網中的重要組成部分，將引入“人在回路”的控制模式，實現(xiàn)武器在飛行中途接收更改打擊目標的控制指令與替換的目標諸元及目標重新定位，根據(jù)預警信息采取主動和靈活的機動變軌策略，達到飛行軌跡的對敵不可預測，從而躲避敵方防御系統(tǒng)的探測、跟蹤及攔截，其隱蔽性更強、突防效果更好、作戰(zhàn)效能更高。

2 基于天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)綜合集成方案與設計

2.1 系統(tǒng)集成方案

為了提升飛行控制系統(tǒng)的智能化和信息化以及打擊效果實時評估能力，武器不僅要具備自主敏感器的信息處理和利用能力，而且要具備對外部協(xié)同信息資源如戰(zhàn)場態(tài)勢、環(huán)境威脅、動態(tài)目標和協(xié)同導航定位等信息的感知、處理和利用能力，實現(xiàn)控制與信息一體化，提高武器的目標探測、識別與協(xié)同作戰(zhàn)能力。要實現(xiàn)這些功能必須在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎上通過集成數(shù)據(jù)鏈終端和加解密裝置，建立相應的飛行控制數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)加以保證。

飛行控制數(shù)據(jù)鏈的主要功能是實現(xiàn)對武器飛行的協(xié)同制導和超視距控制，實時接收通過中繼平臺轉發(fā)的重新確定打擊目標的命令和數(shù)據(jù)，掌握其飛行姿態(tài)，依據(jù)目標變化和戰(zhàn)場態(tài)勢變化信息，實施導航信息遠程裝載、指令接收、偵察數(shù)據(jù)與先驗信息匹配、中途機動變軌和再入機動等功能，提高武器的智能化水平、協(xié)同作戰(zhàn)能力和命中目標概率。飛行控制數(shù)據(jù)鏈是武器平臺與信息平臺相結合的典型范例，加大了指揮控制系統(tǒng)對武器打擊過程的干預能力，使戰(zhàn)爭協(xié)同性更強、更靈活，優(yōu)勢更集中。

為了保證飛行控制數(shù)據(jù)鏈中信息傳輸?shù)陌踩?，需要擴展控制系統(tǒng)的功能，在飛控計算機和數(shù)據(jù)鏈終端間擴展加解密信息處理機(以下簡稱加解密機)的功能。

加解密機在前向鏈路中對數(shù)據(jù)鏈終端設備接收處理后的遙控指令、諸元、基準圖等信息進行解密后傳給飛控計算機，在返向鏈路中對武器飛行狀態(tài)、目標特性參數(shù)、目標實時圖等信息進行加密后傳給數(shù)據(jù)鏈終端設備。

飛行控制系統(tǒng)是一種復雜的機電系統(tǒng)，一般由不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)、慣性敏感器件、執(zhí)行機構和飛行軟件等組成。天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)需要增加數(shù)據(jù)鏈終端設備、加解密機以及新的制導控制律等。為此，天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)采用基于飛控計算機的三合一綜合集成方案，即針對武器小型化和集成化等發(fā)展需求，通過現(xiàn)有飛控計算機內部總線的通用化設計和結構改進設計，將模塊化的數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機和加解密機集成到飛控計算機框架內，同時將中途目標修正的制導控制模塊嵌入到飛控計算機，從而實現(xiàn)天地信息一體化的飛行控制功能。

集成了數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機和加解密機的天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)組成如圖2所示，其中由飛控計算機、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機和加解密機組成的核心設備為天地信息一體化控制組合。

2.2 核心控制設備的集成設計

本文主要涉及控制組合、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機、加解密機等核心控制設備的集成設計。

(1)天地信息一體化控制組合

圖2 天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)組成框圖

為了滿足飛控設備小型化的要求，將飛控計算機、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機、加解密機集成在一個物理框架內，稱為控制組合?？刂平M合內部各模塊之間采用通用的背板總線進行互聯(lián)，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線等；飛控計算機、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機、加解密機均設計為統(tǒng)一尺寸和電氣互聯(lián)的功能單板，由統(tǒng)一的二次電源插板為所有功能單板提供工作電源，每個單板與外界的信息交互通過面板連接器進行。一體化集成設計框圖參見圖3所示。

圖3 天地信息一體化飛行控制組合集成設計示意圖

集成設計后的控制組合通過改變原有飛控計算機內部各個單板的排列方向和更加集成化的設計方法與原飛控計算機體積大小保持不變，對整個控制系統(tǒng)的布局不會產生大的影響。與采用獨立設備進行功能擴展的集成方法相比，采用本文提出的集成設計方法擴展后的控制系統(tǒng)不僅具備原有的飛行控制功能，還具有接收遙控指令、諸元以及回傳飛行狀態(tài)等信息的功能，其功能更強，體積更小，重量更輕，功耗更小。

(2)數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機

數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機以DSP+FPGA作為硬件實現(xiàn)平臺，中頻和基帶功能部分設計成一塊數(shù)據(jù)鏈信息處理板，嵌入到控制組合中，實現(xiàn)信道編碼、擴頻、調制和解調、解擴、譯碼等功能。同時，采用軟件實現(xiàn)圖像壓縮算法，可對算法、壓縮控制參數(shù)、應用控制參數(shù)等進行靈活的調整，滿足系統(tǒng)應用需求。數(shù)據(jù)鏈中頻信息處理機功能組成如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)鏈中頻信息處理機功能組成框圖

數(shù)據(jù)鏈中頻信息處理機包括前向和返向2個數(shù)據(jù)通路。

在前向數(shù)據(jù)通路中，通過中繼平臺轉發(fā)的遙控指令中頻模擬信號經預處理及模數(shù)轉換單元進行濾波放大處理后轉換成遙控指令數(shù)字信號；解擴解調譯碼單元對遙控指令數(shù)字信號進行解擴、解調和譯碼處理，將其轉換成遙控指令基帶信號，經差分串行通信接口由單輸入信號轉換成差分輸出信號，該差分輸出信號隨后發(fā)送至加解密機進行解密處理。

在返向數(shù)據(jù)通路中，通過壓縮編碼和復接成幀單元，將目標圖像信息進行壓縮編碼處理并與飛行狀態(tài)信息進行復接成幀處理后發(fā)送至擴頻調制編碼單元，進行擴頻、調制處理形成中頻調制信號后，經數(shù)模轉換模塊，將中頻調制信號轉換成中頻模擬信號，通過射頻裝置經中繼平臺轉發(fā)至指揮控制系統(tǒng)。

(3)飛控嵌入式信息加解密機

控制組合內集成加解密機主要是為了確保信息的正確性和可用性，一方面對指控控制系統(tǒng)上傳的遙控指令進行解密處理，另一方面對飛行狀態(tài)信息進行加密處理。

嵌入式加解密機組成參見圖5所示，主要由DSP主控制器及其外部存儲器、可編程加密芯片(FPGA)、密鑰芯片與相關接口芯片，以及處理軟件等組成，通過雙口SRAM存貯器與飛控計算機實現(xiàn)信息交互。嵌入式加解密機具備對報文的實時加密和解密等功能，采用端-端加密方式，對飛控計算機傳輸過來的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行加密處理，并傳輸給數(shù)據(jù)鏈終端通過無線方式發(fā)送出去，對數(shù)據(jù)鏈終端接收進來的指令進行解密處理。

圖5 加解密機組成框圖

采用基于混沌序列的A5/1算法[3]作為嵌入式加解密機的基本加解密方法，并將該算法固化在一片F(xiàn)PGA芯片中，最終將此加解密芯片集成在彈載控制組合的信息處理板上，用來實現(xiàn)武器到指揮控制系統(tǒng)雙向傳輸信息的加解密處理，確保信息傳輸?shù)耐暾浴⒄鎸嵭院涂捎眯浴?/p>

在流密碼中，對比E0密碼、RC4密碼，A5/1具有很好的安全性、易實現(xiàn)性，更重要是可利用VHDL編程，實現(xiàn)高速硬件加密傳輸。為了提高加密算法的復雜性和難破譯性，采取混沌算法作為A5/1序列發(fā)生器的初始密鑰并參與運算，混沌算法采用易于硬件實現(xiàn)的Logistic算法，因為混沌具有很大的初始密鑰空間，而且隨著不同的輸入可以產生任意的類似于隨機序列的輸出，對初值極端敏感，輸出序列接近于噪聲，達到難以破譯的目的。

3 基于天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)試驗驗證

3.1 電氣綜合匹配試驗

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)電氣綜合匹配試驗可以有效地驗證集成飛行控制組合一體化設計方案的正確性，飛控計算機與飛控數(shù)據(jù)鏈終端、加解密機之間的電氣接口及通信協(xié)議的正確性、協(xié)調性。檢查飛行控制組合和飛控數(shù)據(jù)鏈終端、加解密機之間的電磁兼容性。

控制系統(tǒng)電氣綜合匹配試驗系統(tǒng)組成主要包括飛行控制設備和地面測試設備。試驗系統(tǒng)組成如圖6所示。

3.2 天地靜態(tài)連通試驗

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)天地靜態(tài)連通試驗旨在掌握飛行控制系統(tǒng)與中繼衛(wèi)星之間的通信協(xié)議，檢驗控制系統(tǒng)與中繼衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常，并對功率、通信延遲等一些關鍵技術指標進行測試和摸底。其試驗系統(tǒng)組成如圖7所示。試驗項目參見表1。

圖6 電氣綜合匹配試驗設備組成框圖

表1 試驗項目

通過天地靜態(tài)聯(lián)通測試，前向指令、返向狀態(tài)和圖像信息傳輸正常，系統(tǒng)誤碼率小于10-6，傳輸延遲小于1.5s。試驗結果表明：天基飛行控制系統(tǒng)電氣接口匹配、武器-星-地信息鏈路協(xié)調、工作穩(wěn)定，達到了原理和功能驗證的試驗目的。

圖7 天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)天地靜態(tài)連通試驗系統(tǒng)設備連接圖

4 結語

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)集成設計在傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)中增加了加解密裝置和數(shù)據(jù)鏈通信終端裝置，利用中繼平臺實現(xiàn)了與地面指控中心的超視距安全通信，從而對武器實施中途改變目標和“人在回路”的控制方法。通過天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)電氣綜合匹配試驗和天地靜態(tài)連通試驗，驗證了天地信息一體化集成控制系統(tǒng)的有效性，為天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)的設計探索了新途徑。

[1] 牛樹來,劉軍,霍耀仲.未來一體化聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的綜合信息系統(tǒng)[J].火力與指揮控制,2009,34(3):1-4.(NIU Shu-lai, LIU Jun, HUO Yao-zhong.Research on C4ISR System in the Integrated Joint Operation[J].Fire Control and Command Control，2009,34(3):1-4.)

[2] 李哲,封漢潁,徐瑞.網絡中心戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)模擬研究[J].火力與指揮控制,2009,34(11):39-42.( LI Zhe, FENG Han-ying,XU Rui.Analysis of Missile Battle in the Condition of Network-Centric Warfare[J]. Fire Control and Command Control，2009,34(11):39-42.)

[3] 董文杰.飛行控制數(shù)據(jù)鏈密碼算法研究[C].第三屆中國導航、制導與控制學術會議文集,北京,2009.11.

The Research on Meta-Synthesis Technology of Flying Control System in the Space and Ground Information Integration

DONG Wenjie1,2ZHANG Chunxia1,2ZI Naiquan2ZHOU Chunmei1,2ZHANG Jun1,2

1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control， Beijing 100854, China2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Accordingtothedevelopmentofarmamentinthespaceandgroundinformationintegration,thecontrolmodeandtheflowofflightcontrolthatisunderthespaceandgroundinformationintegrationareproposed.Then,themeta-synthesisschemeofinformationizationflightcontrolsystemisresearchedanddiscussed,andthefeasibilityisvalidatedbythespaceandgroundcoupletexperimentinstaticstate.

Informationintegration；Flightcontrolsystem；Meta-synthesis

2011-10-10

董文杰(1981-)，女，內蒙古赤峰人，助理工程師，研究方向為飛行控制用嵌入式系統(tǒng)與飛控綜合電子信息系統(tǒng)；張春俠(1979-)，女，河南人，工程師，研究方向為飛行器電磁脈沖效應研究及電子設備研制；訾乃全(1975-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，研究方向為工業(yè)工程管理；周春梅(1982-)，女，寧夏吳忠人，工程師，研究方向為數(shù)據(jù)鏈技術研究與應用；張 俊(1979-)，男，安徽馬鞍山人，工程師，研究方向為導航、制導與控制技術。

V442

A

1006-3242(2012)03-0078-06