董文杰 張春俠 訾乃全 周春梅 張 俊

1.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1008542.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

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天地信息一體化的飛行控制系統(tǒng)綜合集成技術(shù)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(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1008542.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

針對(duì)天地信息一體化作戰(zhàn)模式對(duì)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(jié)合天地信息一體化的技術(shù)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(yàn)，驗(yàn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在軍事上的應(yīng)用,未來戰(zhàn)場(chǎng)將是一個(gè)陸、海、空、天、電磁、網(wǎng)絡(luò)、信息等多維聯(lián)合作戰(zhàn)體系之間的對(duì)抗，戰(zhàn)爭(zhēng)形式從“平臺(tái)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)，將分布在戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的各種探測(cè)裝置、指揮控制中心和武器集成為一個(gè)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(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和武器裝備的共享。

各種彈藥攻擊武器作為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)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(qiáng)敵軍事干預(yù)等行動(dòng)中承擔(dān)極其重要的作戰(zhàn)任務(wù),其信息化程度直接影響戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。

為了滿足天地信息一體化體系作戰(zhàn)對(duì)武器系統(tǒng)的要求，必須對(duì)其進(jìn)行信息化升級(jí)。而飛行控制系統(tǒng)是武器的核心關(guān)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(shù)已經(jīng)成為一個(gè)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(chǎng)偵察網(wǎng)、指揮控制網(wǎng)和武器系統(tǒng)網(wǎng)構(gòu)成(如圖1)。其中，戰(zhàn)場(chǎng)偵察網(wǎng)具備對(duì)聯(lián)合戰(zhàn)場(chǎng)空間環(huán)境的高度感知能力，為武器作戰(zhàn)提供戰(zhàn)場(chǎng)信息和目標(biāo)情報(bào)。指揮控制網(wǎng)接受來自戰(zhàn)場(chǎng)偵察網(wǎng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，直接對(duì)武器系統(tǒng)網(wǎng)中的各發(fā)射節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并通過目標(biāo)毀傷信息進(jìn)行打擊效果評(píng)估，制定下一步的補(bǔ)充打擊方案。武器系統(tǒng)網(wǎng)接受指揮控制網(wǎng)作戰(zhàn)指令，對(duì)預(yù)定目標(biāo)實(shí)施遠(yuǎn)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(wǎng)中的重要組成部分，將引入“人在回路”的控制模式，實(shí)現(xiàn)武器在飛行中途接收更改打擊目標(biāo)的控制指令與替換的目標(biāo)諸元及目標(biāo)重新定位，根據(jù)預(yù)警信息采取主動(dòng)和靈活的機(jī)動(dòng)變軌策略，達(dá)到飛行軌跡的對(duì)敵不可預(yù)測(cè)，從而躲避敵方防御系統(tǒng)的探測(cè)、跟蹤及攔截，其隱蔽性更強(qiáng)、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(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)評(píng)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(duì)外部協(xié)同信息資源如戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、環(huán)境威脅、動(dòng)態(tài)目標(biāo)和協(xié)同導(dǎo)航定位等信息的感知、處理和利用能力，實(shí)現(xiàn)控制與信息一體化，提高武器的目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別與協(xié)同作戰(zhàn)能力。要實(shí)現(xiàn)這些功能必須在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過集成數(shù)據(jù)鏈終端和加解密裝置，建立相應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)武器飛行的協(xié)同制導(dǎo)和超視距控制，實(shí)時(shí)接收通過中繼平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的重新確定打擊目標(biāo)的命令和數(shù)據(jù)，掌握其飛行姿態(tài)，依據(jù)目標(biāo)變化和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化信息，實(shí)施導(dǎo)航信息遠(yuǎn)程裝載、指令接收、偵察數(shù)據(jù)與先驗(yàn)信息匹配、中途機(jī)動(dòng)變軌和再入機(jī)動(dòng)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(biāo)概率。飛行控制數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)俏淦髌脚_(tái)與信息平臺(tái)相結(jié)合的典型范例，加大了指揮控制系統(tǒng)對(duì)武器打擊過程的干預(yù)能力，使戰(zhàn)爭(zhēng)協(xié)同性更強(qiáng)、更靈活，優(yōu)勢(shì)更集中。

為了保證飛行控制數(shù)據(jù)鏈中信息傳輸?shù)陌踩裕枰獢U(kuò)展控制系統(tǒng)的功能，在飛控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)鏈終端間擴(kuò)展加解密信息處理機(jī)(以下簡(jiǎn)稱加解密機(jī))的功能。

加解密機(jī)在前向鏈路中對(duì)數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備接收處理后的遙控指令、諸元、基準(zhǔn)圖等信息進(jìn)行解密后傳給飛控計(jì)算機(jī)，在返向鏈路中對(duì)武器飛行狀態(tài)、目標(biāo)特性參數(shù)、目標(biāo)實(shí)時(shí)圖等信息進(jìn)行加密后傳給數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備。

飛行控制系統(tǒng)是一種復(fù)雜的機(jī)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(jī)構(gòu)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(shè)備、加解密機(jī)以及新的制導(dǎo)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(jì)算機(jī)的三合一綜合集成方案，即針對(duì)武器小型化和集成化等發(fā)展需求，通過現(xiàn)有飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線的通用化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將模塊化的數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機(jī)和加解密機(jī)集成到飛控計(jì)算機(jī)框架內(nèi)，同時(shí)將中途目標(biāo)修正的制導(dǎo)控制模塊嵌入到飛控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)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(jī)和加解密機(jī)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(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機(jī)和加解密機(jī)組成的核心設(shè)備為天地信息一體化控制組合。

2.2 核心控制設(shè)備的集成設(shè)計(jì)

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

(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(shè)備小型化的要求，將飛控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機(jī)、加解密機(jī)集成在一個(gè)物理框架內(nèi)，稱為控制組合?？刂平M合內(nèi)部各模塊之間采用通用的背板總線進(jìn)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(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機(jī)、加解密機(jī)均設(shè)計(jì)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(gè)單板與外界的信息交互通過面板連接器進(jìn)行。一體化集成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)示意圖

集成設(shè)計(jì)后的控制組合通過改變?cè)酗w控計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)單板的排列方向和更加集成化的設(shè)計(jì)方法與原飛控計(jì)算機(jī)體積大小保持不變，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的布局不會(huì)產(chǎn)生大的影響。與采用獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行功能擴(kuò)展的集成方法相比，采用本文提出的集成設(shè)計(jì)方法擴(kuò)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(qiáng)，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(jī)

數(shù)據(jù)鏈終端信息處理機(jī)以DSP+FPGA作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，中頻和基帶功能部分設(shè)計(jì)成一塊數(shù)據(jù)鏈信息處理板，嵌入到控制組合中，實(shí)現(xiàn)信道編碼、擴(kuò)頻、調(diào)制和解調(diào)、解擴(kuò)、譯碼等功能。同時(shí)，采用軟件實(shí)現(xiàn)圖像壓縮算法，可對(duì)算法、壓縮控制參數(shù)、應(yīng)用控制參數(shù)等進(jìn)行靈活的調(diào)整，滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)鏈中頻信息處理機(jī)功能組成如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)鏈中頻信息處理機(jī)功能組成框圖

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

在前向數(shù)據(jù)通路中，通過中繼平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的遙控指令中頻模擬信號(hào)經(jīng)預(yù)處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行濾波放大處理后轉(zhuǎn)換成遙控指令數(shù)字信號(hào)；解擴(kuò)解調(diào)譯碼單元對(duì)遙控指令數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)和譯碼處理，將其轉(zhuǎn)換成遙控指令基帶信號(hào)，經(jīng)差分串行通信接口由單輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出信號(hào)，該差分輸出信號(hào)隨后發(fā)送至加解密機(jī)進(jìn)行解密處理。

在返向數(shù)據(jù)通路中，通過壓縮編碼和復(fù)接成幀單元，將目標(biāo)圖像信息進(jìn)行壓縮編碼處理并與飛行狀態(tài)信息進(jìn)行復(fù)接成幀處理后發(fā)送至擴(kuò)頻調(diào)制編碼單元，進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制處理形成中頻調(diào)制信號(hào)后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將中頻調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻模擬信號(hào)，通過射頻裝置經(jīng)中繼平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至指揮控制系統(tǒng)。

(3)飛控嵌入式信息加解密機(jī)

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

嵌入式加解密機(jī)組成參見圖5所示，主要由DSP主控制器及其外部存儲(chǔ)器、可編程加密芯片(FPGA)、密鑰芯片與相關(guān)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。嵌入式加解密機(jī)具備對(duì)報(bào)文的實(shí)時(shí)加密和解密等功能，采用端-端加密方式，對(duì)飛控計(jì)算機(jī)傳輸過來的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，并傳輸給數(shù)據(jù)鏈終端通過無(wú)線方式發(fā)送出去，對(duì)數(shù)據(jù)鏈終端接收進(jìn)來的指令進(jìn)行解密處理。

圖5 加解密機(jī)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(jī)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(shí)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?shí)性和可用性。

在流密碼中，對(duì)比E0密碼、RC4密碼，A5/1具有很好的安全性、易實(shí)現(xiàn)性，更重要是可利用VHDL編程，實(shí)現(xiàn)高速硬件加密傳輸。為了提高加密算法的復(fù)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(yùn)算，混沌算法采用易于硬件實(shí)現(xiàn)的Logistic算法，因?yàn)榛煦缇哂泻艽蟮某跏济荑€空間，而且隨著不同的輸入可以產(chǎn)生任意的類似于隨機(jī)序列的輸出，對(duì)初值極端敏感，輸出序列接近于噪聲，達(dá)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(yàn)驗(yàn)證

3.1 電氣綜合匹配試驗(yàn)

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)電氣綜合匹配試驗(yàn)可以有效地驗(yàn)證集成飛行控制組合一體化設(shè)計(jì)方案的正確性，飛控計(jì)算機(jī)與飛控?cái)?shù)據(jù)鏈終端、加解密機(jī)之間的電氣接口及通信協(xié)議的正確性、協(xié)調(diào)性。檢查飛行控制組合和飛控?cái)?shù)據(jù)鏈終端、加解密機(jī)之間的電磁兼容性。

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

3.2 天地靜態(tài)連通試驗(yàn)

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)天地靜態(tài)連通試驗(yàn)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(yàn)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(duì)功率、通信延遲等一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和摸底。其試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖7所示。試驗(yàn)項(xiàng)目參見表1。

圖6 電氣綜合匹配試驗(yàn)設(shè)備組成框圖

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目

通過天地靜態(tài)聯(lián)通測(cè)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(yàn)結(jié)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(diào)、工作穩(wěn)定，達(dá)到了原理和功能驗(yàn)證的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

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(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接圖

4 結(jié)語(yǔ)

天地信息一體化飛行控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)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(tái)實(shí)現(xiàn)了與地面指控中心的超視距安全通信，從而對(duì)武器實(shí)施中途改變目標(biāo)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(yàn)和天地靜態(tài)連通試驗(yàn)，驗(yàn)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(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)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(guó)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制學(xué)術(shù)會(huì)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(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師，研究方向?yàn)轱w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?yàn)轱w行器電磁脈沖效應(yīng)研究及電子設(shè)備研制；訾乃全(1975-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)工程管理；周春梅(1982-)，女，寧夏吳忠人，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈技術(shù)研究與應(yīng)用；張 俊(1979-)，男，安徽馬鞍山人，工程師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)。

V442

A

1006-3242(2012)03-0078-06