任廣辰+閆長(zhǎng)燦

摘要：箭載計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中的重要組成部分。60年代以來(lái)，微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，特別是在70年代微處理機(jī)問(wèn)世之后，數(shù)字計(jì)算機(jī)在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中的各種計(jì)算功能越來(lái)越多地采用數(shù)字計(jì)算技術(shù)完成。因此，箭載計(jì)算機(jī)在運(yùn)載火箭中的地位尤為重要。

關(guān)鍵詞：箭載計(jì)算機(jī) 慣性制導(dǎo) 捷聯(lián)制導(dǎo) 積分運(yùn)算

中圖分類(lèi)號(hào)：V448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

1.箭載計(jì)算機(jī)的功能概述

箭載計(jì)算機(jī)的功能和作用箭載計(jì)算機(jī)在運(yùn)載火箭中的功能研究

可以從控制計(jì)算和輔助計(jì)算兩方面來(lái)論述。

1.1控制計(jì)算

在彈道導(dǎo)彈中，通常采用慣性制導(dǎo)技術(shù)。慣性制導(dǎo)箭載計(jì)算機(jī)接收來(lái)自慣性器件的測(cè)量參數(shù)值，按慣性制導(dǎo)的功能要求，計(jì)算出相應(yīng)的指令。

由于慣性器件不能直接測(cè)出箭體運(yùn)動(dòng)的位置，而只能測(cè)出箭體運(yùn)動(dòng)的加速度或速度，位置數(shù)據(jù)則是用計(jì)算機(jī)對(duì)速度完成一次積分，或?qū)铀俣韧瓿啥畏e分得到的。因此，積分計(jì)算是箭載計(jì)算機(jī)的典型運(yùn)算之一，如何有效地實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算是箭載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。積分運(yùn)算有許多方法，可根據(jù)使用要求與實(shí)現(xiàn)條件來(lái)選擇。其中集成電路技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展起著替代的作用。每一代新工藝都導(dǎo)致一種新型箭載計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。當(dāng)小規(guī)模集成電路（SSI）出現(xiàn)的時(shí)候，可以采用增量計(jì)算機(jī)的機(jī)器結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步提高積分運(yùn)算的速度。當(dāng)中規(guī)模集成電路（MSI）可用的時(shí)候，可以采用字并行位串行的數(shù)字積分的機(jī)器結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步提高積分運(yùn)算的速度，并縮小機(jī)器的體積。大規(guī)模集成電路（LSI）出現(xiàn)以后，便可采用位并行字串行的微型計(jì)算機(jī)，并允許用更普通的數(shù)值計(jì)分方法來(lái)完成積分運(yùn)算。

在捷聯(lián)制導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性器件測(cè)得的是沿箭體軸向的加速度，需要用數(shù)學(xué)方法將箭體牽連坐標(biāo)系的軸向加速度換算成慣性坐標(biāo)系的軸向加速度。因此，三角函數(shù)計(jì)算與矩陣計(jì)算是箭載計(jì)算機(jī)的典型運(yùn)算之一，也是選擇機(jī)器體系結(jié)構(gòu)時(shí)要重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面?；鸺刂葡到y(tǒng)除了制導(dǎo)系統(tǒng)外，還有姿態(tài)控制系統(tǒng)，其功能是保證火箭穩(wěn)定飛行。在姿態(tài)控制計(jì)算中，主要是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)方程的計(jì)算，一般用Z變換來(lái)表示。改寫(xiě)成計(jì)算機(jī)上能直接編寫(xiě)程序的代數(shù)方程后，不難看出，在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)方程計(jì)算中，乘法的出現(xiàn)頻率是很高的。所以，為了提高控制計(jì)算的速度，使用慣性制導(dǎo)的計(jì)算機(jī)能將單片機(jī)乘法器作為協(xié)處理器使用也是很有利的。

為了提高運(yùn)載火箭的入軌精度，除了使用慣性制導(dǎo)外，在飛行彈道的中段和末段，采用天文制導(dǎo)和雷達(dá)制導(dǎo)等技術(shù)是當(dāng)前制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)復(fù)合制導(dǎo)的復(fù)雜程度不同，所用的計(jì)算機(jī)可以就是用于慣性制導(dǎo)的單計(jì)算機(jī)，通過(guò)延長(zhǎng)工作時(shí)間來(lái)解決。但一般而言，在復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)中，由于增加了匹配計(jì)算，需要利用超大規(guī)模集成技術(shù)（VLSI）以及設(shè)計(jì)專(zhuān)用的相關(guān)處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種箭載計(jì)算機(jī)就是一個(gè)多處理機(jī)系統(tǒng)。

1.2輔助計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，箭載計(jì)算機(jī)的功能也在不斷擴(kuò)充。例如，在火箭起飛前，為確?？煽啃裕枰獙?duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試。由于計(jì)算機(jī)在箭上處于控制中樞的有利位置，與箭上被測(cè)設(shè)備之間存在著有機(jī)的電氣聯(lián)系，因而利用箭載計(jì)算機(jī)完成測(cè)試的箭測(cè)方法不僅在實(shí)現(xiàn)上更為靈活，而且測(cè)試精度更高，對(duì)改善全箭的機(jī)動(dòng)能力和提高反應(yīng)速度也是極為有利的。

測(cè)試與裝訂程序自動(dòng)化也是實(shí)時(shí)性要求決定的。在火箭發(fā)射前，通常要進(jìn)行功能檢查，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，并對(duì)箭載計(jì)算機(jī)裝訂飛行控制數(shù)據(jù)。這些都是借助地面發(fā)控設(shè)備與箭載計(jì)算機(jī)共同完成的。此外，由箭載計(jì)算機(jī)綜合進(jìn)行箭上電子設(shè)備的快速檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。由此帶來(lái)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)接口的多樣性和復(fù)雜性。

2.內(nèi)容研究分析

箭載計(jì)算機(jī)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接口主要用于實(shí)時(shí)輸入與輸出，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔一般為幾毫秒到幾十毫秒，計(jì)算周期等于采樣間隔時(shí)間或它的數(shù)倍，隨著運(yùn)載火箭性能指標(biāo)的提高，箭載計(jì)算機(jī)的功能也不斷增加，對(duì)計(jì)算機(jī)的速度要求將越來(lái)越高。

在箭載計(jì)算機(jī)中，時(shí)間是一個(gè)重要的參數(shù)，它是積分計(jì)算的自變量，也是程序脈沖的基準(zhǔn)量。由于計(jì)算精度要求高，箭載計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘采用精度與穩(wěn)定度都很高的晶體作為產(chǎn)生機(jī)器主脈沖的時(shí)鐘來(lái)源，以保證各種時(shí)間間隔值滿(mǎn)足精度要求。

為了保證各個(gè)量的采樣時(shí)間都正好在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，在箭載計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)字接口中，選用了雙工的可逆計(jì)數(shù)器。對(duì)姿態(tài)控制計(jì)算，要求從采樣到輸出之間的時(shí)延越短越好，這就要求程序編排上優(yōu)先保證。箭載計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性，不僅要求對(duì)硬件與軟件作上述的特殊處理，更困難的是，隨著計(jì)算功能的上升，對(duì)計(jì)算速度的要求將越來(lái)越高。

2.2可靠性研究

運(yùn)載火箭是一次性使用產(chǎn)品，在飛行中是無(wú)法維修的。計(jì)算機(jī)一旦失靈，就會(huì)造成嚴(yán)重后果。為了滿(mǎn)足極高的可靠性要求，除了嚴(yán)格挑選元器件并進(jìn)行整機(jī)老練外，還采用特殊的設(shè)計(jì)方式；余裕技術(shù)和自檢與故障監(jiān)控技術(shù)，用于多個(gè)處理機(jī)構(gòu)成具有容錯(cuò)能力的系統(tǒng)。箭載計(jì)算機(jī)的可靠性就是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與規(guī)定的條件下正常工作的概率。由于規(guī)定的環(huán)境條件是惡劣的，這給可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了極大的困難。適應(yīng)環(huán)境條件的惡劣性主要表現(xiàn)在：

（1）允許工作溫度范圍大 由于不能采用風(fēng)冷法，為保證集成電路工作的可靠性，在結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計(jì)中要解決機(jī)箱內(nèi)散熱問(wèn)題。熱設(shè)計(jì)的目的在于將集成電路的熱量從其封裝外殼傳到印制板的散熱片上，再傳到密封的機(jī)殼上，使半導(dǎo)體器件有較低的結(jié)溫和結(jié)溫差。

（2）防震動(dòng)和沖擊 為了防止產(chǎn)生過(guò)大的震動(dòng)和沖擊，除了對(duì)印刷版加固和插接件定制外，一般還要采用減震措施來(lái)解決強(qiáng)振以及高達(dá)幾十個(gè)g的沖擊過(guò)載等問(wèn)題，同時(shí)又不能造成體積重量的過(guò)分增加。

（3）耐潮濕 要求機(jī)箱結(jié)構(gòu)有很好的密封性能。為了提高防潮性能，一般還要對(duì)印刷版和機(jī)殼密封處加以涂敷，增強(qiáng)抗腐蝕能力。

（4）抗電磁干擾 要求機(jī)器結(jié)構(gòu)盡量是屏蔽的，端口器件是高閾值的，具有抗電磁脈沖（EMP）能力，并保證良好接地。

2.3嵌入性

因?yàn)榧d計(jì)算機(jī)屬于嵌入性產(chǎn)品，一般安裝在狹窄的儀器艙中，它的體積、質(zhì)量和功耗都受到嚴(yán)格的限制。因此，對(duì)箭載計(jì)算機(jī)的幾何形狀有時(shí)也要有特殊規(guī)定，質(zhì)量大小影響更為突出。這些苛刻的物理要求無(wú)疑給嵌入性產(chǎn)品增加了實(shí)現(xiàn)的難度。解決的方法是：設(shè)計(jì)上專(zhuān)用，工藝上采用LSI電路，裝配上采用二次集成技術(shù)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用有效的熱設(shè)計(jì)措施，并采用低功耗（如CMOS）集成電路以達(dá)到高密度組裝的目的，計(jì)算機(jī)的二次電源以高效率和電隔離為基礎(chǔ)，力求小型化。

結(jié)束語(yǔ)：

箭載計(jì)算機(jī)是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)火箭的制導(dǎo)與飛行起著重要的作用。準(zhǔn)實(shí)時(shí)性、高可靠性、高嵌入性的箭載計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)載火箭的飛行性能起著決定性作用。因此，箭載計(jì)算機(jī)的性能是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Volder，I.E.，“The CORDIC Trigonometric Computing Technique”，IRE Trans.Electronic Computer，Vol.EC-8，No.9，1959，pp 330～334.

[2]Haviland，G.L.，et al.，“A CORDIC Arithmetic processor Chip”，IEEE Trans.On Computers，Col.C-29，No 2，1980.pp 68～79.