一種具有通用性的臨空飛艇航電系統(tǒng)設(shè)計

崔忠林 皇甫流成 朱承祥

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088 2.空裝駐合肥地區(qū)第一軍事代表室 安徽省合肥市 230088）

臨空飛艇是一種高空無人飛行平臺，體積從幾千立方米到幾十萬立方米不等，一般飛行在18km～20km 高度的平流層弱風(fēng)層[1]，由太陽能電池、可充電電池為系統(tǒng)提供循環(huán)能源，攜帶通信基站、光電吊艙、雷達偵察等任務(wù)載荷，綜合利用大氣環(huán)流、高空動力進行機動飛行，可較長時間在指定區(qū)域駐留，具備“站得高、看得遠”、長航時、效費比高等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，具有廣泛的民用、軍用價值。典型臨空飛艇的外形示意如圖1所示。

圖1：典型臨空飛艇外形示意圖

臨空飛艇主要由囊體結(jié)構(gòu)、航電系統(tǒng)、動力推進、能源供給、壓力調(diào)節(jié)等構(gòu)成，航電系統(tǒng)實現(xiàn)飛艇飛行參數(shù)檢測、飛行控制、空地數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)急安控等，包括飛控計算機、導(dǎo)航定位、測控通信、安控裝置等。航電系統(tǒng)故障可能會導(dǎo)致飛行任務(wù)失敗，給飛艇平臺安全帶來嚴(yán)重風(fēng)險，本文提出了一種基于設(shè)備交叉冗余的航電系統(tǒng)設(shè)計方法，該系統(tǒng)具有較好的通用性、高任務(wù)可靠性，全系統(tǒng)無確保無薄弱環(huán)節(jié)，其原理簡圖如圖2所示。

圖2：臨空飛艇航電系統(tǒng)原理簡圖

飛控計算機實時采集飛艇位置、航姿、速度、囊體差壓等飛行參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，根據(jù)當(dāng)前飛行任務(wù)，進行控制律解算，對飛艇動力、風(fēng)機/閥門實施控制，實現(xiàn)航線飛行或區(qū)域駐留飛行；維持飛艇囊體內(nèi)外部壓差處于安全區(qū)間。正常/應(yīng)急通信設(shè)備保證飛艇與地面的雙向數(shù)據(jù)通信；應(yīng)急安控是臨空飛艇飛行試驗安全重要保證[2]，必要時按程序?qū)嵤╋w艇自毀降落，確保不發(fā)生次生災(zāi)害。

1 空地通信

空地通信包括正常通信和應(yīng)急通信，用于將飛艇飛行參數(shù)、狀態(tài)信息等實時傳輸?shù)降孛嬷缚刂行?，將人工操縱指令上傳至艇載飛控計算機，支撐飛艇遠程飛行監(jiān)控。

1.1 正常通信

臨空飛艇需長航時、大空域飛行，綜合數(shù)據(jù)帶寬、電磁環(huán)境等因素，空地正常通信設(shè)備采用L 頻段自組網(wǎng)電臺，具有無中心自組網(wǎng)、遠距離、大帶寬、低時延等優(yōu)勢，用于飛艇平臺和任務(wù)載荷的數(shù)據(jù)傳輸。利用設(shè)備的自組網(wǎng)通信功能，部署多個地面測控站，進行接力傳輸，可實現(xiàn)更大空域的空地數(shù)據(jù)通信；也可支撐多個飛艇空中組網(wǎng)、協(xié)同應(yīng)用。L 頻段自組網(wǎng)電臺實物如圖3所示。

圖3：L 頻段自組網(wǎng)電臺實物圖

1.2 應(yīng)急通信

應(yīng)急通信設(shè)備是保證臨空飛艇“全程可跟蹤”最后的“風(fēng)箏線”，僅用于飛艇平臺飛行參數(shù)和主要狀態(tài)信息的遙測下傳，保證人工遙控指令的上行。應(yīng)急通信采用天通通信終端，設(shè)備體積小、成本低，具有廣域通信、不受地形遮擋、方便部署等優(yōu)勢。天通終端將飛艇遙控遙測數(shù)據(jù)按話音數(shù)據(jù)編碼，利用衛(wèi)星電話的語音通信功能，實現(xiàn)空地窄帶數(shù)據(jù)傳輸。天通通信終端實物如圖4所示。

圖4：天通通信終端實物圖

2 飛行控制

飛行控制主要包括雙余度飛控計算機、導(dǎo)航定位、差壓檢測等設(shè)備，實現(xiàn)對飛艇的壓力調(diào)節(jié)、航線飛行、區(qū)域駐留飛行等。輕量化低功耗飛控計算機、抗干擾差壓檢測、任務(wù)高可靠是飛行控制硬件設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1 飛控計算機設(shè)計

與無人機、導(dǎo)彈等高動態(tài)飛行平臺不同，飛艇平臺具有明顯的低動態(tài)、大慣性特性，降低了對飛控計算機性能的要求。飛控計算機采用FPGA+內(nèi)嵌ARM 硬核架構(gòu)，外擴PHY、AD、DIO、異步串口等接口芯片,設(shè)計接口濾波與保護電路，飛控計算機電路原理框圖如圖5所示。

圖5：飛控計算機電路原理框圖

飛控計算機主要性能和外部接口如下：

（1）處理器頻率：80MHz；

（2）網(wǎng)口：10M/100M 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)1 路；

（3）異步串口：RS422/485 接口13 路；

（4）AI：8 路；

（5）DIO：16 路；

圖10：安控計算機原理簡圖

（6）功耗：≤4W；

（7）重量：≤340g。

飛控計算機實物圖如圖6所示。

圖6：飛控計算機實物圖

2.2 抗干擾差壓檢測

臨空飛艇由多個軟式結(jié)構(gòu)的空氣囊、氦氣囊構(gòu)成，各氣囊內(nèi)部由軟簾布分割，須維持囊體一定的超壓才能保證飛艇剛度和氣動外形。其中氦氣囊用于提供浮力，空氣囊用于調(diào)節(jié)飛艇高度和內(nèi)外壓差。差壓檢測失效或錯誤可能會導(dǎo)致過量釋氦、囊體破損、囊體剛度不足等嚴(yán)重故障，因此高可靠抗干擾差壓檢測是臨空飛艇安全的前提。

臨空飛艇氣囊最大超壓不大于3000pa,只有采用微差壓傳感器才能保證檢測精度，而微差壓傳感器為電磁敏感設(shè)備，容易受到空間電磁輻射干擾、電源線和信號線傳導(dǎo)干擾。工程應(yīng)用中，將微差壓傳感器安裝在電磁全屏蔽的差壓檢測盒體內(nèi)，同時對差壓檢測電路板的供電、信號線接口進行電磁濾波設(shè)計，可滿足GJB151B‐2013 標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備級電磁兼容的要求。差壓檢測接口濾波設(shè)計電路如圖7所示，全屏蔽差壓檢測單元結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖7：差壓檢測接口濾波設(shè)計電路

圖8：全屏蔽差壓檢測單元結(jié)構(gòu)示意圖

電源接口采用四級濾波與防護設(shè)計，具有感應(yīng)雷、電磁干擾防護能力。第一級的氣體放電管(GDT)用于快速泄放感應(yīng)雷信號；第二級、第三級由共模電感、X 電容、Y 電容構(gòu)成，可有效抑制電源線上耦合的的差模、共模干擾；第四級的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)可對瞬時浪涌和GDT 泄放后的殘壓起到進一步抑制的作用。

通信接口也采用四級濾波與防護設(shè)計， 第一級的兩個Y 電容用于抑制信號線上的共模干擾；第二級的氣體放電管用于大量泄放感應(yīng)雷信號；第三級的電阻起到限流的作用，并對感應(yīng)雷信號有一定的延時作用；第四級的TVS 用于對差分信號正負(fù)之間、信號線與地之間的電壓進行防護，將信號線電壓抑制在接口芯片安全電壓范圍內(nèi)。

2.3 任務(wù)高可靠設(shè)計

臨空飛艇要求具備連續(xù)幾十甚至幾百小時的較長航時飛行能力，這就對艇載電子設(shè)備的可靠性提出了很高的要求，而飛控計算機、導(dǎo)航等設(shè)備的自身復(fù)雜性制約了其單個設(shè)備的基本可靠性，本系統(tǒng)通過對飛行控制進行交叉冗余設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)高任務(wù)可靠性，飛行控制交叉冗余設(shè)計原理簡圖如圖9所示。

圖9：飛行控制雙余度設(shè)計原理簡圖

由圖9，導(dǎo)航子系統(tǒng)采用異構(gòu)交叉冗余設(shè)計，北斗接收機、GPS 接收機用于衛(wèi)星定位，同時給主/輔光纖組合導(dǎo)航設(shè)備提供衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)，主/輔組合導(dǎo)航設(shè)備各自獨立實時解算，任意GNSS 接收機、慣導(dǎo)組合設(shè)備正常，都可以輸出有效的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。主/輔差壓檢測單元分別對3 個氦氣囊和3 個空氣囊的內(nèi)外壓差進行檢測，軟式隔艙的多氣囊間的差壓相互耦合，只要對任一氣囊的差壓能夠?qū)崟r可靠測量，就可以保證艇體安全。

飛控計算機主/備機同時接收主/輔組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)、主/輔差壓檢測數(shù)據(jù)，飛控主備機間進行數(shù)據(jù)交互，實施比較監(jiān)控告警。系統(tǒng)默認(rèn)優(yōu)先采信主導(dǎo)航、主差壓檢測數(shù)據(jù)，執(zhí)行飛控主機輸出的飛行控制指令。根據(jù)比較監(jiān)控告警信息，人工判決，切換導(dǎo)航、差壓數(shù)據(jù)源和飛控主備機的控制權(quán)。按上述進行交叉冗余設(shè)計的飛行控制，全系統(tǒng)無單故障節(jié)點，經(jīng)工程實際地面拷機測試中，系統(tǒng)連續(xù)工作15 天功能正常，實現(xiàn)了飛行控制任務(wù)高可靠。

3 應(yīng)急安控

臨空飛艇是一個系統(tǒng)復(fù)雜、當(dāng)前技術(shù)成熟度較低無人航空飛行器，關(guān)鍵設(shè)備故障會導(dǎo)致飛艇失聯(lián)、失控，進而對空域內(nèi)民航、軍機等造成嚴(yán)重安全隱患；飛艇非受控墜毀還可能會對地面人員、設(shè)施造成災(zāi)難性后果。應(yīng)急安控是確保臨空飛艇“全程安全可控”的最后屏障，其核心任務(wù)就是在系統(tǒng)發(fā)生重大不可逆故障、超出安全飛行空域、飛行任務(wù)終止等情況下，通過導(dǎo)爆索、囊體加熱絲等手段撕毀飛艇囊體，快速釋放氦氣，確保飛艇盡快降落在安全區(qū)域內(nèi)，避免產(chǎn)生次生災(zāi)害。

3.1 應(yīng)急安控設(shè)計準(zhǔn)則

為提高應(yīng)急安控的可靠性，確保不發(fā)生誤安控和漏安控，工程上將應(yīng)急安控設(shè)計為功能單一、設(shè)備專用的子系統(tǒng)，由安控計算機、安控電池、安控鏈路和安控自毀機構(gòu)構(gòu)成。只有當(dāng)飛艇與地面持續(xù)失聯(lián)超過設(shè)定時長，才會自動執(zhí)行應(yīng)急自主安控程序，其它情況都由地面指揮員按飛行預(yù)案決策，必要時進行遙控安控。

臨空飛艇大系統(tǒng)正常時，安控設(shè)備利用主電源和空地通信設(shè)備工作；主電源故障和空地通信故障時，安控設(shè)備利用安控電池、安控北斗設(shè)備工作，北斗短報文通信可保證應(yīng)急安控遙控遙測[3]。

3.2 多冗余安控計算機

多模冗余的方式可有效提高計算機平臺的可靠性和安全性[4]，三模冗余基于三取二的表決原理，當(dāng)且僅當(dāng)2 個以上的模塊同時出現(xiàn)故障時（發(fā)生概率較低）才會輸出錯誤結(jié)果，由此系統(tǒng)在安全性得以保證的同時可靠性也得以提高[5]。本系統(tǒng)中的安控計算機就是采用基于三模冗余架構(gòu)的設(shè)計，原理簡圖如圖10所示。

由圖10，主電源、安控電源為安控計算機提供冗余28VDC，3個DCDC 模塊組產(chǎn)生3 路3.3VDC，分別為3 個ARM 處理器芯片供電。3 個ARM 處理器同時接收、解析正常通信、應(yīng)急通信、北斗通信全部鏈路數(shù)據(jù)，并進行故障診斷和倒計時，根據(jù)指令編碼或故障診斷結(jié)果，各自獨立產(chǎn)生兩組解鎖、自毀信號。只有解鎖信號經(jīng)三模冗余電路自表決有效后，才會使能自毀信號的三取二表決功能；經(jīng)三取二表決有效后的兩組自毀信號并聯(lián)驅(qū)動輸出，確保自毀有效執(zhí)行。

3.3 可靠性設(shè)計

為進一步提高應(yīng)急安控的任務(wù)可靠性，本系統(tǒng)中主要采用以下可靠性設(shè)計：

（1）自毀保護：軟件設(shè)計待機態(tài)、工作態(tài)、應(yīng)急態(tài)，啟動默認(rèn)為待機態(tài)，待機態(tài)不響應(yīng)遙控自毀指令、不產(chǎn)生自控自毀信號。飛艇放飛后，人工切換為工作態(tài)，確保飛艇在地面試驗階段不發(fā)生誤自毀。

（2）雙冗余供電：主電源、安控電池并聯(lián)輸出，確保應(yīng)急安控供電可靠。

（3）鏈路多通道：正常通信、應(yīng)急通信、安控北斗3 條鏈路中的任意一條都可進行安控遙控遙測；安控計算機對上述3 條鏈路狀態(tài)獨立進行故障診斷，只有當(dāng)全部鏈路持續(xù)故障才會觸發(fā)鏈路中斷倒計時，任一鏈路的通信恢復(fù)，會自動復(fù)位計數(shù)器；倒計時為零，將自動按程序執(zhí)行飛艇自毀。

（4）3 通道獨立ARM 平臺： 3 套ARM 平臺的電源、時鐘、處理器等全部元器件完全獨立，運行軟件的代碼完全一樣，避免單個ARM 軟件死機、跑飛等故障對系統(tǒng)功能的影響。

（5）遙控指令編碼“5 判3”：遙控指令幀設(shè)置同步幀頭、CRC 校驗，對解鎖、自毀等關(guān)鍵指令，進行5 次重復(fù)編碼，只有解析出3 個及以上重復(fù)編碼，才判定遙控指令有效，由此提高遙控安控的可靠性和安全性。

（6）遙控指令連續(xù) “5 判3”：遙控指令編幀中有幀序號，幀序號自動逐條累加，安控軟件識別并處理幀序號較大的最新遙控指令幀，只有在幀序號連續(xù)的5 條遙控指令幀中，解析出3 條及以上有效遙控指令，才執(zhí)行安控，避免人為誤操作的可能。

（7）自毀控制并聯(lián)輸出：三取二表決后的兩路獨立自毀信號，由繼電器驅(qū)動轉(zhuǎn)換，并聯(lián)輸出，任意一路自毀控制有效，就可以驅(qū)動安控執(zhí)行，確保應(yīng)急安控?zé)o單故障節(jié)點。

4 結(jié)束語

本文給出了一種具有通用性的臨空飛艇航電系統(tǒng)設(shè)計方法，采用多鏈路空地數(shù)據(jù)通信、設(shè)備交叉冗余、電磁防護與抗干擾、安控三模冗余等設(shè)計技術(shù)和手段，使得航電系統(tǒng)具有較強的容錯性、高任務(wù)可靠性和擴展性。該航電系統(tǒng)已在多型臨空飛艇中應(yīng)用，并經(jīng)飛行試驗驗證。