彈間協同制導自組網數據鏈集成設計方法*

蔡文龍，張爍，張偉，林金永，張春俠，董文杰

(1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 100854；2.北京航天自動控制研究所，北京 100854；3.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

未來戰爭是以網絡為中心的戰爭，戰場內外的不同武器裝備通過網絡聯系在一起，構成陸、海、空、天、網電一體化的綜合戰場環境和作戰體系[1-3]?，F有導彈面臨信息保障、抗干擾、突防等作戰困境，利用體系化對抗的思想，把相同功能和不同功能的導彈進行編隊和分工，通過相互協作，進行分布式探測和信息共享，以及多彈密切配合對目標進行協同攻擊，實現提高整體突防的目的，達到提高抗干擾能力和對目標多方向的精確打擊能力的效果，將成為在體系對抗條件下的必然選擇和發展方向[4-5]。

戰爭形態的變化不但對武器裝備信息化、作戰保障信息化提出了要求，而且對建設適應信息化戰爭要求的一體化信息系統提出了迫切要求[6]。在世界范圍內，面向任務的作戰飛機、導彈等跨平臺的自組網和衛星輔助組網是信息化作戰的重要發展趨勢，發達國家的作戰飛機、無人機和部分導彈武器系統甚至已經實現了實時或準實時的寬帶組網[7]。空基/天基平臺組網不僅傳輸實時的指揮、控制和戰場態勢，而且還可傳輸語音、圖像甚至視頻等海量信息[8]。彈間協同組網的典型例子是俄羅斯的“花崗巖”系列導彈，其采用獨有的“編隊攻擊”方式，指揮彈將目標數據通過彈間無線通信網傳輸給在低空飛行的其他導彈，以保持低空導彈的隱蔽性，共同實現對目標的協同打擊[9-11]。美軍“戰斧Block4多任務導彈”已實現星彈雙向數據鏈通信，其彈上終端可實時回傳戰場評估數據，并接收從衛星、預警機、無人機和岸基通訊設備上發的重新確定打擊目標命令和數據，在飛行過程中迅速改變方向，攻擊新的目標[12]。

協同制導控制系統擴展彈間自組網數據鏈功能，可以有效解決協同信息的動態交互與協同作戰任務的閉環控制問題[13-15]，具備以下優勢：①可減少附加設備數量，減小對平臺的負擔并降低成本；②可減少信息流轉回路與延時，以及系統間的數據交互，降低系統復雜度；③可實時利用控制系統導航、制導、控制信息，建立與飛行器間的相對位置、速度以及自身的姿態信息緊耦合的定向通信鏈路，保證系統性能，并提升信息安全性；④可實現導彈自組織網絡的實時飛行控制，完成多任務多目標在線動態分配、多彈協同目標實時定位、精確目標指示、協同抗干擾、協同攻擊等作戰任務。

本文研究了彈間自組網數據鏈集成設計的方法，包括協同制導控制系統組成及信息流向、自組網數據鏈系統方案、產品架構以及飛行試驗驗證等，可為彈群實現體系化協同攻擊提供基礎信息保障。

1 協同制導控制系統組成與信息流向

1.1 協同制導控制系統組成

協同制導控制系統組成如圖1所示，它由傳統飛行控制系統以及彈間自組網數據鏈2部分組成。傳統飛行控制系統一般由導航設備、目標敏感器、彈上信息處理與控制中心、執行機構等設備以及控制系統軟件等組成，用來控制獨立導彈的飛行軌跡和運動姿態。彈間自組網數據鏈一般由基于無線自組網架構的自組網數據鏈彈載通信終端、自組網協議棧等組成。

1.2 協同制導控制系統信息流

協同制導信息可分為2類:一類是導彈自主信息，包括導彈自行獲取、產生、處理、應用的導航、制導、控制信息，指令信息，健康狀態信息等；另一類是導彈協同信息，包括遙控指令、目標屬性(圖像、位置、數量、危險等級等)、威脅環境、節點身份、節點定位及網絡連通等信息。

導彈協同制導控制系統信息流如圖2所示，導彈協同制導控制系統與外部節點組成網絡。其中，導彈自主信息通過內部總線依次經過彈上信息處理與控制中心、自組網控制器、終端處理機和收發信機，再由天線組合發送給外部節點。

導彈協同信息通過天線組合接收，再依次通過收發信機、終端處理機傳輸給自組網控制器，由自組網控制器判斷從天線組合接收到的信息是否是中轉數據，若是中轉數據則回傳到天線組合轉發至其他節點，若不是中轉數據則通過總線傳輸給彈上信息處理與控制中心進行信息集成。

圖1 協同制導控制系統組成Fig.1 System composition of missile cooperative guidance system

圖2 導彈協同制導控制系統信息流向Fig.2 Information flow of missile cooperative guidance system

2 彈間自組網數據鏈集成方案

2.1 數據鏈路

彈間自組網數據鏈應包含彈間通信鏈路，可兼備彈-地通信鏈路、彈-星或彈-機通信鏈路等一類或多類，能夠實現快速組網、可靠通信，如圖3所示。各類鏈路應至少具備如下功能：

(1) 彈間通信鏈路，即不同導彈之間的通信鏈路，用于實現各協同作戰導彈間的運動學狀態、功能狀態、目標信息等數據的交互、融合、共享；

(2) 通過彈、星、機、艦、地等中繼節點，建立彈間通信鏈路，實現數據交互、融合、共享；

圖3 彈間自組網數據鏈路組成Fig.3 Communication links of ad-hoc network data link system of missile

(3) 通過彈、星、機、艦、地等中間節點，或直接與指控中心之間建立通信鏈路，用于接收控制信息。

2.2 總體方案

(1) 組網方案

具備彈間自組網功能，能形成一個快速組網、自主式、高可靠、強實時性的通信系統；一般可采用射頻綜合方法，充分利用彈上現有的其他無線通信設備實現通信功能，同時兼顧信息傳輸速率與天線口面大小等使用需求，選用合適的天線類型，如定向天線或全向天線。

(2) 網絡架構

網絡架構應包含網關節點及底層節點，滿足快速組網、自主式、高可靠、強實時性需求，多個節點在運動過程中依據特定協議自主組網，能自主形成功能節點，實現分層的網絡結構，并進行分層或分布式管理；網絡具備動態性，允許網絡的拓撲結構實時變化，節點能夠不斷地加入或退出；多個網絡能依據特定的協議進行融合，形成一個多層網絡(如彈間-彈星-彈地網絡)；網絡協議架構采用物理層、數據鏈路層、網絡層以及應用層等四層結構。

(3) 網絡規劃

網絡規劃考慮網絡規模、拓撲結構、節點角色分配、頻譜分配等內容。

(4) 組網接入機制

根據組網吞吐量、時延及網絡服務質量等要求，選擇合適的組網接入機制，如為保證公平性采用基于調度的組網接入機制，為保證時延采用基于競爭優先級的組網接入機制等。

(5) 通信體制

自組網數據鏈通信終端需要按照使用要求選擇合適的雙工體制，如全雙工與半雙工體制，如果收發采用一個頻段，一般采用TDD半雙工體制，如果收發頻段分開，可以采用FDD全雙工體制。

(6) 時頻統一機制

按照任務要求完成時頻統一機制的設計，如采用授時、網絡自同步等。

(7) 功能與性能

自組網數據鏈方案還需考慮網絡數據交換、網關、數據業務類型以及抗毀性、抗干擾、抗截獲等功能設計，以及組網工作時長、網絡服務質量、通信距離、通信工作頻段和帶寬、通信數據率以及系統傳輸鏈路等性能設計。

2.3 彈載通信終端硬件方案

彈間自組網數據鏈彈載通信終端包括自組網控制器、終端處理機、收發信機以及天線組合等模塊(圖4)，實現導彈協同制導信息的收發與處理，各模塊功能如下：

(1) 自組網控制器一般包含網絡協議模塊和信息預處理模塊等組成，主要實現應用層、網絡層以及鏈路層協議等功能，應具備高速實時網絡建立、維護與控制能力；

(2) 終端處理機主要實現物理層協議功能，一般包括由調制與解調、編碼與解碼、擴頻與解擴、同步等；

(3) 收發信機主要實現上下變頻功能；

(4) 天線組合主要實現無線信號發送與接收功能，一般包括天線、天線控制器、功放與低噪放等。

圖4 彈間自組網數據鏈通信終端組成Fig.4 Composition of communication terminal

自組網控制器一般采用數字信號處理器(DSP)+可編程邏輯器件(FPGA)的硬件架構；終端處理機由信號處理軟件與相應硬件資源組成，采用可編程邏輯器件(FPGA)硬件平臺等進行設計，用于承載信號處理軟件的快速有效運行；信號處理軟件完成基帶信號的計算處理，一般包含加擾解擾、信道編譯碼、組幀和幀同步、擴頻和解擴、調制解調等模塊；收發信機主要包含上下變頻模塊、頻綜等射頻功能模塊；天線組合由天線、天線控制器、功放與低噪放等組成。天線組合的設計考慮了天線形式、天線體積、波束覆蓋范圍、帶寬、駐波比、極化方式(如圓極化還需考慮軸比)、波束指向及誤差、天線增益、等效各向同性輻射功率(EIRP)、品質因數(G/T)、接收功率等因素。

2.4 協議棧與算法

自組網協議棧一般包括4個層次：應用層、網絡層、鏈路層和物理層。協議層次安排及相互間關系如圖5所示。

圖5 協議棧模型Fig.5 The communication protocol stack

(1) 應用層

應用層根據面向協同飛行控制的體系協同信息應用需求，設計執行飛行時序流程、基于實時嵌入式系統多任務調度機制的協議模型，設計指控指令、目標圖像、協同制導信息的交換與融合以及波束指向及互鎖等算法。

(2) 網絡層

網絡層包括網絡管理與網絡路由等功能。網絡管理主要根據入/退網時間、網絡重構時間、時延等要求，設計網絡建立/關閉、網絡維護(重新配置、新節點的進入、節點的退出等)等算法；網絡路由主要設計采用的路由策略與算法等，為源節點數據包的發送建立一條或多條到達目的節點的最優路徑。

(3) 鏈路層

鏈路層主要實現介質訪問控制與邏輯鏈路控制等功能。介質訪問控制根據系統連通性、資源分配、吞吐量及時延等要求，設計競爭式、預約式或混合式的媒體訪問控制方法，將有限的資源分配給多個用戶，從而使得在眾多用戶之間實現公平、有效地共享有限的帶寬資源；實現各用戶間良好的連通性，獲得盡可能高的系統吞吐量、以及盡可能低的系統時延。邏輯鏈路控制一般包括數據流的復用、數據幀的檢測、分組的確認、優先級排隊、差錯控制和流量控制等算法設計。

(4) 物理層

物理層主要包括信息的編碼與譯碼、組幀與幀同步、擴(跳)頻與解擴(跳)、調制與解調、加擾與解擾等。需根據數據長度、數據速率和業務類型等要求，考慮編碼效率、編碼增益、編碼時延、編/譯碼器的復雜度、信道特性、干擾和噪聲等因素，選擇合適的編譯碼方式；根據數據率、時延、多普勒頻移及變化率以及業務需求等要求設計組幀方式和幀同步方法；根據需求與約束采用合適的擴頻體制，考慮處理增益和抗干擾容限等參數；考慮頻譜效率、功率效率、誤碼率、帶寬等參數，綜合選取合適的調制解調方式；如有特殊需求，根據具體的情況設計加擾解擾控制器，一般采用偽隨機序列進行隨機化處理，根據加擾和解擾方案的需求可采用不同的偽隨機序列。

3 試驗驗證

3.1 內場測試

(1) 通信終端算法驗證試驗

通信終端算法驗證試驗包括捕獲、跟蹤、同步算法，高效編譯碼，網絡管理、網絡路由，介質訪問控制、邏輯鏈路控制等核心算法正確性及有效性的測試與驗證。

(2) 有線對接試驗

通過有線對接的形式，驗證物理層、鏈路層、網絡層、應用層協議的正確性，以及數據率、誤碼率、動態組網等性能。

(3) 抗干擾試驗

通過注入或輻射各種樣式的干擾，驗證彈間自組網數據鏈系統的抗干擾能力。

(4) 指標滿足性測試

按照系統要求構建綜合工作環境，對系統性能進行測試。一般包括波形、增益、輻射功率、軸比、駐波比、多普勒頻偏適應范圍、接收靈敏度、動態范圍、噪聲系數等參數的性能測試，驗證指標滿足性。

(5) 微波暗室性能測試

在暗室的環境下，對自組網物理層、鏈路層協議以及數據鏈通信終端的功能和性能進行測試，驗證彈間自組網數據鏈系統的極限工作情況和理想條件下鏈路指標滿足性。

3.2 外場測試

(1) 拉距試驗和動中通試驗

在外場多徑無遮擋或移動通信條件下，驗證自組網數據鏈系統的工作可靠性以及通信能力，包括鏈路性能指標及余量等。

(2) 掛飛試驗

在飛機掛飛動態工作環境下，驗證自組網數據鏈系統工作可靠性以及通信能力。

4 結束語

本文研究了彈間自組網數據鏈集成設計的方法，已在型號彈間自組網數據鏈設計與試驗中得到驗證，可有效指導導彈協同制導信息組網及彈間自組網數據鏈設計，為彈群體系化協同攻擊提供基礎信息保障。