天地信息一體化的飛行控制系統綜合集成技術研究

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

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天地信息一體化的飛行控制系統綜合集成技術研究

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模式對武器的發展需求，提出了天地信息一體化作戰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綜合集成方案，通過天地靜態聯通試驗，驗證了綜合集成方案的可行性。

信息一體化； 飛行控制系統； 綜合集成

隨著計算機網絡技術的迅速發展及在軍事上的應用,未來戰場將是一個陸、海、空、天、電磁、網絡、信息等多維聯合作戰體系之間的對抗，戰爭形式從“平臺中心戰”轉變為“網絡中心戰”。網絡中心戰利用強大的計算機信息網絡，將分布在戰區內的各種探測裝置、指揮控制中心和武器集成為一個統一、高效的大系統，形成天地信息一體化作戰系統，從而實現戰場態勢和武器裝備的共享。

各種彈藥攻擊武器作為現代戰場上聯合作戰的重要組成部分，在聯合火力突擊、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任務,其信息化程度直接影響戰爭的勝負。

為了滿足天地信息一體化體系作戰對武器系統的要求，必須對其進行信息化升級。而飛行控制系統是武器的核心關鍵系統，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條件下的作戰系統由戰場偵察網、指揮控制網和武器系統網構成(如圖1)。其中，戰場偵察網具備對聯合戰場空間環境的高度感知能力，為武器作戰提供戰場信息和目標情報。指揮控制網接受來自戰場偵察網的目標數據，生成統一的戰場態勢圖。根據作戰任務和戰場態勢，直接對武器系統網中的各發射節點進行控制，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。武器系統網接受指揮控制網作戰指令，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系統示意圖

武器作為武器系統網中的重要組成部分，將引入“人在回路”的控制模式，實現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的探測、跟蹤及攔截，其隱蔽性更強、突防效果更好、作戰效能更高。

2 基于天地信息一體化的飛行控制系統綜合集成方案與設計

2.1 系統集成方案

為了提升飛行控制系統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同信息資源如戰場態勢、環境威脅、動態目標和協同導航定位等信息的感知、處理和利用能力，實現控制與信息一體化，提高武器的目標探測、識別與協同作戰能力。要實現這些功能必須在傳統控制系統的基礎上通過集成數據鏈終端和加解密裝置，建立相應的飛行控制數據鏈系統加以保證。

飛行控制數據鏈的主要功能是實現對武器飛行的協同制導和超視距控制，實時接收通過中繼平臺轉發的重新確定打擊目標的命令和數據，掌握其飛行姿態，依據目標變化和戰場態勢變化信息，實施導航信息遠程裝載、指令接收、偵察數據與先驗信息匹配、中途機動變軌和再入機動等功能，提高武器的智能化水平、協同作戰能力和命中目標概率。飛行控制數據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對武器打擊過程的干預能力，使戰爭協同性更強、更靈活，優勢更集中。

為了保證飛行控制數據鏈中信息傳輸的安全性，需要擴展控制系統的功能，在飛控計算機和數據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據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、目標特性參數、目標實時圖等信息進行加密后傳給數據鏈終端設備。

飛行控制系統是一種復雜的機電系統，一般由不同規模的嵌入式系統、慣性敏感器件、執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需要增加數據鏈終端設備、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展需求，通過現有飛控計算機內部總線的通用化設計和結構改進設計，將模塊化的數據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，從而實現天地信息一體化的飛行控制功能。

集成了數據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組成如圖2所示，其中由飛控計算機、數據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、數據鏈終端信息處理機、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、數據鏈終端信息處理機、加解密機集成在一個物理框架內，稱為控制組合。控制組合內部各模塊之間采用通用的背板總線進行互聯，包括數據總線、地址總線、控制總線和電源總線等；飛控計算機、數據鏈終端信息處理機、加解密機均設計為統一尺寸和電氣互聯的功能單板，由統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)數據鏈終端信息處理機

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

圖4 數據鏈中頻信息處理機功能組成框圖

數據鏈中頻信息處理機包括前向和返向2個數據通路。

在前向數據通路中，通過中繼平臺轉發的遙控指令中頻模擬信號經預處理及模數轉換單元進行濾波放大處理后轉換成遙控指令數字信號；解擴解調譯碼單元對遙控指令數字信號進行解擴、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送至加解密機進行解密處理。

在返向數據通路中，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信息進行復接成幀處理后發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至指揮控制系統。

(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上傳的遙控指令進行解密處理，另一方面對飛行狀態信息進行加密處理。

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數據進行加密處理，并傳輸給數據鏈終端通過無線方式發送出去，對數據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FPGA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，用來實現武器到指揮控制系統雙向傳輸信息的加解密處理，確保信息傳輸的完整性、真實性和可用性。

在流密碼中，對比E0密碼、RC4密碼，A5/1具有很好的安全性、易實現性，更重要是可利用VHDL編程，實現高速硬件加密傳輸。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序列發生器的初始密鑰并參與運算，混沌算法采用易于硬件實現的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據鏈終端、加解密機之間的電氣接口及通信協議的正確性、協調性。檢查飛行控制組合和飛控數據鏈終端、加解密機之間的電磁兼容性。

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

3.2 天地靜態連通試驗

天地信息一體化飛行控制系統天地靜態連通試驗旨在掌握飛行控制系統與中繼衛星之間的通信協議，檢驗控制系統與中繼衛星之間的數據傳輸功能是否正常，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

通過天地靜態聯通測試，前向指令、返向狀態和圖像信息傳輸正常，系統誤碼率小于10-6，傳輸延遲小于1.5s。試驗結果表明：天基飛行控制系統電氣接口匹配、武器-星-地信息鏈路協調、工作穩定，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天地靜態連通試驗系統設備連接圖

4 結語

天地信息一體化飛行控制系統集成設計在傳統的飛行控制系統中增加了加解密裝置和數據鏈通信終端裝置，利用中繼平臺實現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電氣綜合匹配試驗和天地靜態連通試驗，驗證了天地信息一體化集成控制系統的有效性，為天地信息一體化飛行控制系統的設計探索了新途徑。

[1] 牛樹來,劉軍,霍耀仲.未來一體化聯合作戰條件下的綜合信息系統[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.網絡中心戰條件下的作戰模擬研究[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.飛行控制數據鏈密碼算法研究[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與飛控綜合電子信息系統；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，研究方向為工業工程管理；周春梅(1982-)，女，寧夏吳忠人，工程師，研究方向為數據鏈技術研究與應用；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