光纖通訊在空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
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1．2 通訊方式現(xiàn)狀
飛控系統(tǒng)與各載機(jī)和各分系統(tǒng)的通訊方式依據(jù)任務(wù)性質(zhì)的不同而不同，具體情況如下：
(1)與導(dǎo)引系統(tǒng)：周期性、雙向、雙工、同步、實(shí)時(shí)性低；
(2)與載機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)雾?xiàng)或雙向、異步、被動(dòng)(飛控被動(dòng)發(fā)送、接收)；
(3)與GPS系統(tǒng)：周期、雙向、雙工、異步；
(4)與舵控系統(tǒng)：周期、雙向、異步；
(5)與遙測(cè)系統(tǒng)：周期、單向(飛控主動(dòng)發(fā)送)、異步；
(6)與引戰(zhàn)系統(tǒng)：雙向、異步、一次性通訊；
(7)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)蜗?、異步、一次性；未來預(yù)計(jì)是雙向、異步、周期性方式。
通過上述說明，飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)采用獨(dú)立總線，全雙工通訊方式，此種通訊方式要求在硬件上每路信息都要有獨(dú)立的總線協(xié)議芯片和信號(hào)調(diào)理電路，由于總線形式多樣，路數(shù)多，因此硬件開銷很大。
1．3 目前存在問題
以上幾種總線基本可以滿足當(dāng)前空空導(dǎo)彈研制需求，但是面對(duì)未來還存在以下幾個(gè)方面的不足：
(1)所用總線都是電介質(zhì)，抗雷電、核爆、電子脈沖彈等強(qiáng)電磁干擾能力差，尤其是與載機(jī)通訊線纜部分外露，易受外部輻射干擾；
(2)通訊過程中有線間干擾；
(3)在高速比如百兆、千兆以上通訊時(shí)，易受地線、線間、外部等各種干擾，對(duì)傳輸線纜、端接、輻射等要求很高；
(4)線纜粗重，不易布線，尤其是未來空空導(dǎo)彈小型化，內(nèi)部空間小，傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線線纜粗重，在彈內(nèi)不易布線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難；
(5)總線協(xié)議、硬件構(gòu)成、通訊速率不統(tǒng)一，硬件開銷大，無(wú)法進(jìn)行通用化、模塊化、小型化設(shè)計(jì)；
(6)測(cè)試設(shè)備復(fù)雜，長(zhǎng)線傳輸存在串?dāng)_、感性負(fù)載影響等各種問題，電磁兼容試驗(yàn)故障隔離困難。
2 國(guó)內(nèi)外光纖通訊總線及應(yīng)用情況簡(jiǎn)介
光纖通訊是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通訊方式。數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光纖、光接收機(jī)、光連接器組成。目前光纖通訊已建立多種軍用標(biāo)準(zhǔn)，并在各類武器系統(tǒng)中應(yīng)用。
(1)MIL-STD-1773總線：支持光纖傳輸，1988年美國(guó)防部頒布，是MIL-STD-1553的光纖版本，頂層協(xié)議與MIL-STD-1553相同，已應(yīng)用于美軍航空、航天、海軍、F-18、山貓等飛機(jī)；
(2)AS4074-2總線：1988年美國(guó)自動(dòng)工程師協(xié)會(huì)頒布，光纖分布式數(shù)據(jù)接口，具有定時(shí)令牌協(xié)議特性，為環(huán)形網(wǎng)，可以動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，主要應(yīng)用于海軍；
(3)STANAG3910總線：歐洲標(biāo)準(zhǔn)，光纖傳輸，傳輸速率20 Mb／s，指令響應(yīng)協(xié)議；應(yīng)用戰(zhàn)機(jī)EFA、RAFALE；
(4)SFODB標(biāo)準(zhǔn)總線：又稱為IEE1393標(biāo)準(zhǔn)，NASA和美國(guó)防部頒布，支持最低200 Mb／s，應(yīng)用于美國(guó)航天，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由主控端和通訊端口兩部分組成；
(5)Fiber Channel：又名光纖通道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布，通訊速率為133 Mb／s～4 Gb／s，2007年形成FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn)，可以與MIL-STD-1553橋接映射；應(yīng)用于Apache，B1，U2，F(xiàn)15升級(jí)型等；
(6)而國(guó)內(nèi)在航空方面也制定了相應(yīng)的光纖總線標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)FC-AE-1553。
通過以上可以看出，光纖通訊已經(jīng)在國(guó)外的軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)光纖通訊已應(yīng)用于地面車輛、火箭、飛機(jī)等領(lǐng)域，同時(shí)應(yīng)用光纖作為物理層映射1394、1553等多種高速總線的方式也不斷出現(xiàn)。因此光纖通訊必定是未來軍事領(lǐng)域高速有線通訊的首選方式。
目前各種基于光纖通訊的標(biāo)準(zhǔn)中拓?fù)湫问?、通訊協(xié)議、通訊方式多樣，由于協(xié)議復(fù)雜，通訊量大，對(duì)物理層及信息處理能力要求很高。空空導(dǎo)彈內(nèi)外通訊相對(duì)信息量少，且處理器運(yùn)算能力有限，如果將這些協(xié)議直接應(yīng)用到空空導(dǎo)彈系統(tǒng)中，會(huì)給空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來很大困難，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。因此必須設(shè)計(jì)適合空空導(dǎo)彈自身的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的硬件系統(tǒng)。
3 空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)光纖通訊總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 通訊方式設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)的通訊方式?jīng)Q定了硬件系統(tǒng)的構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)對(duì)外通訊可以采用遍尋方式和隨機(jī)中斷方式，這要根據(jù)飛控系統(tǒng)的工作模式和通訊需求來決定。
隨機(jī)中斷方式是現(xiàn)行飛控系統(tǒng)的通訊方式，與各系統(tǒng)可以隨時(shí)通訊，在光路上、電路上信息可以同時(shí)存在，響應(yīng)時(shí)間快，控制系統(tǒng)不必不停地對(duì)其他系統(tǒng)進(jìn)行訪問。若仍采用中斷方式，在光路、連接器、電路上均要將各路分開設(shè)計(jì)，因此硬件資源開銷很大，不利于未來小型化、低成本設(shè)計(jì)，因此不建議采用。
飛控系統(tǒng)對(duì)外通訊數(shù)據(jù)量不是很大，相對(duì)控制系統(tǒng)控制對(duì)外訪問周期來說，信息傳輸時(shí)間可以忽略，因此為遍尋方式提供了基礎(chǔ)。
采用遍尋方式時(shí)，飛控系統(tǒng)作為主控端負(fù)責(zé)發(fā)起通訊，各系統(tǒng)在無(wú)飛控指令的情況下不能對(duì)飛控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行順序訪問，也可多次訪問，發(fā)送指令、數(shù)據(jù)或者查詢分系統(tǒng)是否有發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求或其他任務(wù)要求，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。采用遍尋方式優(yōu)點(diǎn)足：可以共用信息調(diào)理電路、降低FPGA規(guī)模要求和編程難度，便于小型化設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是當(dāng)其他系統(tǒng)有緊急通訊需求時(shí)，響應(yīng)時(shí)間將會(huì)滯后，因此飛控系統(tǒng)須對(duì)外須高速遍尋，才能解決這個(gè)問題。
3．2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
飛控系統(tǒng)相對(duì)載機(jī)是一個(gè)分系統(tǒng)，因此總線形式要服從載機(jī)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的通訊標(biāo)準(zhǔn)中，與載機(jī)通訊主要是1533B總線，而FC-AE-1553是載機(jī)懸掛通訊的發(fā)展方向，因此選用FC-AE-1553總線協(xié)議是惟一選擇，因此不再詳細(xì)論述。
空空導(dǎo)彈各分系統(tǒng)內(nèi)部空間非常有限，信息處理電路不易太復(fù)雜、太昂貴。若空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊完全采用FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)各系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)帶來困難，成本將大大增加。在光纖物理層上根據(jù)實(shí)際情況映射其他總線協(xié)議或者自行制定簡(jiǎn)單易行的通訊協(xié)議，可以作為空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊的一種方式。
制定通訊協(xié)議要考慮以下幾個(gè)方面：
(1)模塊化：FPGA和軟件設(shè)計(jì)盡量可以模塊化，編程簡(jiǎn)單，可復(fù)制共用，檢查、檢驗(yàn)方便；
(2)擴(kuò)展性：同樣的硬件，隨意擴(kuò)展通汛協(xié)議，增加或者減少功能，滿足產(chǎn)品研制過程中的更改，尤其是產(chǎn)品研制后期，硬件已驗(yàn)證充分，狀態(tài)固化，軟件更改是許多功能更高的首選方式，因此協(xié)議的擴(kuò)展性和調(diào)整性必須要考慮；
(3)自測(cè)性：通信協(xié)議一定要考慮通訊過程中誤碼、亂碼的識(shí)別和剔除，因此必須具備自校驗(yàn)功能；
(4)可移植性：因?yàn)椴煌到y(tǒng)的科技進(jìn)步速度不同，因此產(chǎn)品的升級(jí)和算法的借用經(jīng)常發(fā)生，因此通訊協(xié)議要適合多種硬件系統(tǒng)，方便移植。
基于以上四方面考慮，結(jié)合實(shí)際情況和未來發(fā)展需求，并借鑒成熟總線協(xié)議，制定了適合空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的總線協(xié)議方式。通訊協(xié)議分為兩層：軟協(xié)議和硬協(xié)議，軟協(xié)議是飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間處理功能的協(xié)議，由飛控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)產(chǎn)品的具體功能自行定義；
評(píng)論