飛行器協同自組網數據鏈信息集成設計要求

張春俠 高洋 張爍 林金永 蔡文龍 董文杰

（1 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京，100854）

在信息化、體系化對抗的戰場環境下，飛行器協同組網已成為實戰化能力提升的重要手段，數據鏈作為飛行器之間的通信鏈路成為不可或缺的關鍵因素[1-6]。單體飛行器集成數據鏈后可以完成橫向組網，實現信息共享、協同配合，不僅可以有效提高突防能力和攻擊效果，同時還可以在戰場態勢感知、目標探測識別、目標實時裝訂以及毀傷效果評估等方面發揮巨大作用。飛行器編隊通過數據鏈可以實現飛行器之間、飛行器—地以及飛行器—星之間的互聯互通，完成協同導引、協同突防與攻擊以及協同電子對抗等新型戰場任務，對提高整個飛行器編隊乃至整個戰場網絡的綜合作戰效能都有至關重要的意義[7]。為此，必須解決飛行器與數據鏈之間的頂層集成設計問題，包括電氣集成設計、機械接口設計、軟件集成設計、試驗驗證要求、六性設計等，為數據鏈自組網以及單機設計提供設計依據。

當前獨立工作飛行器控制系統的設計標準有GJB 3589—1999《彈（箭）載計算機接口設計要求》、GJB 7178—2011《綜合電子信息系統集成聯試規程》、QJ 1485A—2016《運載火箭與戰略導彈控制系統綜合試驗方法》等。國內外關于數據鏈的設計標準也有不少，但針對多飛行器協同組網涉及的控制系統與數據鏈集成設計標準卻還沒有，體系化作戰的新型飛行器控制系統設計仍沒有標準依據，若不及時建立相關標準，將制約體系化作戰飛行器的發展進程。

在總結國內外各類飛行器協同數據鏈集成控制系統設計工作經驗的基礎上，考慮到未來飛行器設計需要，起草一個具有通用性、規范性、先進性和可操作性的設計標準是十分必要的，可具體指導未來飛行器協同數據鏈集成控制系統的設計工作。

1 飛行器協同數據鏈集成控制系統組成與信息流向

1.1 飛行器協同數據鏈集成控制系統組成

飛行器集群協同示意如圖1 所示，若干個協同集成控制系統通過數據鏈無線通信組成網絡，其中單個飛行器協同集成控制系統由單體飛行控制系統和自組網數據鏈兩部分組成。

圖1 飛行器集群協同示意圖

單體飛行控制系統一般由導航設備、目標敏感器、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，用來控制飛行器的飛行軌跡和運動姿態。

自組網數據鏈一般由基于無線自組網架構的飛行器通信終端、自組網協議棧等組成。飛行器通信終端包括自組網控制器、終端處理機、收發信機和天線組合。自組網數據鏈各模塊功能如下：

a）自組網控制器包括網絡協議模塊和信息預處理模塊等，具備高速實時網絡建立、維護與控制功能；

b）終端處理機包括編碼與解碼器、調制與解調器、同步與均衡等數字信號處理模塊；

c）收發信機包括上下變頻模塊、雙工器、頻綜等射頻功能模塊；

d）天線組合一般由天線、功放與低噪放等組成。

1.2 飛行器協同數據鏈集成控制系統信息流向

飛行器協同集成信息可分為兩類，一類是飛行器自主信息，包括飛行器自行獲取、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；另一類是飛行器協同信息，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。

飛行器協同數據鏈集成控制系統信息流如圖2所示。天線組合接收到的飛行器協同信息，通過收發信機和終端處理機傳輸至自組網控制器，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，若是則通過天線組合轉發至其他節點，若不是則通過總線傳輸給信息處理與控制中心進行信息集成，如圖2 中信息流①所示。集成控制系統需要與外部節點組成網絡，飛行器自主信息通過內部總線由信息處理與控制中心發送至自組網控制器，再轉發至終端處理機和收發信機，最后通過天線組合發送給外部節點，如圖2 中信息流②所示。

圖2 協同集成控制系統信息流向

2 設計內容及設計流程

2.1 設計內容

飛行器協同數據鏈集成控制系統設計工作內容主要包括：①方案設計；②電氣接口設計；③機械接口設計；④信息集成軟件設計；⑤試驗與驗證。

2.2 設計流程

飛行器協同數據鏈集成控制系統設計過程如下：①根據飛行器總體技術方案對協同飛行器組網規模、組網模式和通信覆蓋范圍等要求，按照總體下達的任務書和相關設計規范，明確集成控制系統功能、性能、系統組成和單機要求，完成控制系統集成方案設計，并提出單機任務書；②開展電氣接口設計、機械接口設計、信息集成軟件設計；③待產品設計生產完成后需要進行各種試驗和驗證，對技術指標的完成情況進行考核，如果技術指標滿足方案要求則設計結束；④如果指標不滿足要求則需要對設計方案進行適應性修改和設計完善，直至滿足總體技術指標要求為止。設計流程如圖3 所示。

3 集成設計詳細要求

3.1 設計輸入

集成控制系統設計輸入主要包括任務書和設計標準、設計規范等文件。任務書中需要明確飛行前、飛行中以及設備使用環境等工作條件。飛行前條件和起飛前在地面進行測試的準備工作有關系，主要包括給定的起飛準備時間、需要上傳的關鍵參數、網絡授時方式等。飛行過程中的條件主要包括飛行速度、飛行姿態，飛行器間的相對位置、相對速度、相對加速度等。設備使用環境主要是指飛行器內部供電及安裝方式、電磁兼容條件、環境條件等。設計標準、設計規范等文件主要是規定了總技術條件、七性設計大綱、降額設計準則、軟件測試規范等。

3.2 方案設計

集成控制系統方案設計主要是依據設計輸入

進行功能設計、性能設計、劃分系統組成，并提出單機技術要求、輸出方案報告和單機任務書。

a）系統功能設計。一般包括：協同信息量的大小和交互周期、協同網絡規模、協同模式。

b）系統性能設計。一般包括：飛行器間協同距離、飛行器間協同時段、通信頻段、飛行器間協同信息業務量、入/退網時間、信息處理與傳輸時延、信息安全等級、天線位置與數量、天線罩透波率。

c）系統組成與功能劃分。按照飛行器結構布局、空間大小、功能要求等綜合進行軟硬件組成劃分，硬件組成包括：①單機數量；②單機功能；③對外接口；④單機連接關系。軟件組成包括：①軟件模塊數量；②軟件模塊功能。

d）單機技術要求。主要包括：明確各個單機要實現的功能和性能指標；明確各個單機之間的電氣接口；明確各個單機之間的機械接口；明確各個單機的軟件功能。

圖3 協同集成控制系統設計流程

3.3 電氣接口設計

電氣接口設計要求主要包括：

a）對供電電池的輸出通道數和功耗進行合理分配，并對各個單機的供電電壓及偏差范圍、一次電源與二次電源之間的隔離度進行明確要求。

b）模擬接口設計因素一般包含傳輸方式、接口信號電平、接口器件及匹配電路等。

c）數字量接口設計因素一般包括傳輸方式、接口信號電平、接口器件及匹配電路等；總線接口設計因素一般包括總線類型、傳輸距離、傳輸速率、編碼方式、拓撲結構等。

d）射頻接口設計因素一般包含輸入輸出信號功率范圍、信號的衰減、駐波、阻抗匹配和電磁屏蔽、接地、輸入輸出信號頻率與帶寬等。

e）線纜設計因素一般包括長度、走向及分支、電磁屏蔽性能、線纜損耗、彎曲半徑等。

3.4 機械接口設計

依據飛行器的實際安裝位置，機械接口設計因素一般包括：外形尺寸及安裝方式、質量參數、防熱措施、減震措施、散熱措施。

4 信息集成軟件設計要求

信息集成軟件模塊組成如圖4 所示。信息處理與控制中心軟件模塊功能包括：運行導航、制導、姿態控制、發送飛行器自主信息、接收飛行器間協同信息。

自組網控制器軟件模塊功能包括：飛行器自主信息的接收、預處理（壓縮、加密等）、傳輸和發送；飛行器間協同信息的接收、判斷、轉發/預處理（解壓縮、解密等）；網絡層路由算法實現與規劃；鏈路層協議實現與時隙控制；定向通信的波束指向與互鎖算法的實現；對終端處理機的信息控制。

終端處理機軟件模塊功能包括：組幀/幀同步；信道編/譯碼；擴頻/解擴；調制/解調；對天線的選擇、收發切換、波束指向等控制。

天線控制組合軟件模塊功能包括：待機、收/發等狀態切換實現；波束指向實現。

圖4 信息集成軟件模塊組成

5 試驗與驗證要求

為了驗證信息集成系統的功能和性能指標，除了按QJ 1485A—2016《運載火箭與戰略導彈控制系統綜合試驗方法》開展的綜合試驗要求的試驗內容外，一般還應完成動中通試驗、多飛行器掛飛試驗、電磁兼容試驗等。

a）動中通試驗。地面多車載運動環境下，驗證多徑無遮擋通信條件下系統的組網通信能力，對鏈路性能指標及余量進行考核。

b）多飛行器掛飛試驗。開展雙機/多機掛飛試驗，驗證飛行動態環境下組網通信、波束指向、波束互鎖等關鍵技術的實現情況。

c）電磁兼容試驗。參與控制系統電磁兼容試驗和載體平臺（飛機、軍艦等）的電磁兼容測試。

d）其他試驗。根據其他特殊要求，進行補充性試驗。

本文研究了飛行器協同自組網數據鏈信息集成設計要求，已形成航天行業標準QJ 20767—2018《導彈協同制導控制系統信息集成設計要求》，并于2018年初正式發布實施，且已應用在某飛行器間自組網數據鏈系統設計中，并在掛飛試驗及實際飛行試驗中得到了成功驗證，可為飛行器間協同配合與信息組網提供設計依據和有效支撐。