导弹控制系统数据总线传输方案研究

摘   要： 传统的导弹控制系统采用点对点方式连接的电缆网进行信号传输，带来了许多弊端。数据总线传输方案能够有效地简化系统结构，减轻质量，提高可靠性，提 升系统的整体性能。简要介绍了机动平台中的总线技术及应用现状，探讨了其在导弹控制系统中的应用构想与设计原则，并对数据总线传输方案的重点技术环节与应用意义进行了分析。

 

关键词：  导弹控制，数据总线，信息传输。

 

 

Zheng QingyangXu Hualong

 

(The Second Artillery Engineering Institute, Xi'an, 710025)

 

 Abstract  In the traditional missile control system signals are transmi tted through point瞭o瞤oint link cable network , which has brought many disadv antages. Data bus transmission concept can efficiently simplify system structure , reduce iNItial mass, raise reliability and as a result improve performance of whole weapon system . In this paper , the data bus techni que of the moving platform and its applications are briefly introduced . Moreov er , the data bus transmission concept and design principles in the missile control system are preliminary discussed, and the key techniques and significance ar e analyzed .

 

Key Words  Missile control, Data bus, Information transmis sion.

 

1、引言

 

     传统的导弹控制系统采用点对点方式连接的电缆网进行信号传输，产生了大量的电缆线 路和 连接器，对系统性能造成不利影响。首先，复杂的连接线路降低了可靠性。在发射实践中由于电缆断路或连接器接触不良造成的故障屡见不鲜，电缆中传输的大量模拟信号易受干扰， 甚至本身就是强干扰源，降低了系统的电磁兼容与抗毁能力。其次，弹上电缆网与连接器的质量往往占到控制系统总质量的四分之一以上，对运载能力影响显著。除此之外，庞大的地 面电缆网也对使用造成了不便，某些车载导弹系统仅在发射场地就需敷设数以吨计的电缆，消耗了大量的发射准备时间。这些问题制约了武器系统的整体性能，不利于部队战斗力的提高。

    随着导弹数字控制技术和网络通信技术的成熟，数据总线传输方案越来越受到重视。以 数据总线为核心的新型控制系统电缆网能够有效克服传统通信网络的弊端，改善系统性能。本文将对应用于机动平台控制领域中的数据总线技术进行简要分析与回顾，然后就其在导弹控制系统中的应用问题进行探讨。

 

2 机动平台中的总线技术

数据总线又称数据干线，是由总线通信控制装置、传输介质、网络拓扑结构和通信协议等构 成的通信系统。本文涉及的数据总线技术，是指在各类飞行器等机动平台的电子综合与控制系统中应用的总线实时网络传输技术。20世纪70年代末，串行总线开始应用于控制现场，在 测量控制设备之间实现数字通信，从而构成开放式、数字化、多点通信的实时底层控制网络，其实质是计算机局部网络技术在控制领域的应用。随着航空航天运载器和车船等机动平台 中电子设备的大量应用，基于总线技术的电子综合系统迅速发展起来。机动平台中的总线网络既要通过信息的交联达到功能综合的目的，还要满足各个功能子系统的实时性要求。与一 般意义的总线技术相比，它具有鲜明的特点：

 a) 具有极高的可靠性。机动平台在工作中存在较强的机械振动和电磁干扰，温度、湿度、气压、洁净度也难以保证，在使用过程中维修困难，故障造成的损失往往较大。因此该类总 线产品在硬件与通信协议上加强了可靠性设计，采取隔离、冗余和多种错误检测与故障恢复机制，降低误码率，防止网络瘫痪，确保总线在恶劣的环境中能够可靠工作。

b) 强调实时性。实时性要求网络中各节点间数据传输的时间是确定的，或是具有时限的， 网络中数据传输时间不能超出时限。实时性主要体现在总线传输延时等指标上。针对机动平台的特点，这类总线一般有着较高的传输速率和较短的消息帧，因此执行一次传输的时间较 短，以便满足实时运动控制的要求。

c) 通信协议多采用指令/响应式，这类协议中的消息传输由总线控制器控制，相关终端对指 令给于响应，适于集中控制的分布式处理系统。拓扑结构多采用广播总线式，以便对总线进行管理监测和差错控制。

目前，在机动平台领域应用的主要总线规格见表1。其中MIL-STD-1553B与MIL-STD-1773 总线原本是美军航空电子综合系统的标准总线，以其优异的性能在航空、航天、航海和其他武器装备上得到广泛的应用，有“一网盖三军”之称。国内对其进行了跟踪研究，制定了相 应的国家军标GJB289A和GJB2633，并已应用于国产先进战斗机中。原本面向工业应用的CAN 总线因其出色的性能和低廉的价格越来越受到重视和欢迎，国际上已有将其用于飞行器领域 的倾向。随着光通信技术的发展和机动平台对大数据量传输与分布处理的需求，新型高速数据 总线如SAE4074等普遍采用光纤介质和定向数据分配协议，从而具有更高的信息传输速率、 传输容量及适应性。

     在航天领域，数据总线技术已成功地应用于空间站和人造卫星的综合电子系统。在箭、弹 控制系统中，美国MX洲际弹道导弹即采用了数据总线方案，其系统方块图见图1。其中总线控制装置（BCU）把MX弹上数字计算机处理的输入／输出形式变成数据总线形式并和总线相 连，远距离终端装置（RTU）通过识别给定的地址来处理MX弹上数字计算机发来的数据，并把数据发回计算机。总线控制装置和远距离终端装置可以将各种制导和控制功能装置组合在 一起，从而节省了大量的电缆和中间电子设备。与民兵Ⅲ导弹相比，MX导弹的数据总线方案将控制系统电缆和接头的数量与质量各压缩了90%，并且由于减少了导弹电缆罩，缓解了对 一级滚控的要求。这些改进简化了系统结构，提高了可靠性，增加了投掷能力，带来了可观的军事和经济效益。大量的发射实践证明，这种方案的应用是成功的，值得借鉴。

 

表1应用于机动平台上的典型数据总线类型

 

 

图1MX导弹数据总线方案方块图

 

3 总线传输方案的基本构想与设计原则

总线传输系统主要包括总线型电缆网和总线接口装置，它不仅是弹上信息的传输通道，也是 总线式导弹控制系统的重要组成部分。总线式控制系统是建立在数字控制方案和总线传输基础之上，将各种控制装置作为节点挂接在数据总线上构成的控制网络。弹上计算机是网络的中心节点，通过通信接口与总线相连。它执行飞行控制程序和部分测控程序，处理各种数据 ，下达控制指令，并对网络进行集中管理。其它设备通过专用接口挂接在总线上，在计算机的控制下进行运动参数测量并完成各种控制动作。该网络的基本结构与图1相似。

总线传输方案设计的实质就是弹上控制线路综合设计，针对总线特点，设计中应遵循以下原则：

a) 继承性原则。应重视在长期实践过程中积累的宝贵经验，继承传统设计方案中成熟合理 的设计思想与可用于新型系统的技术、方案，以突出重点，缩短设计周期，提高效率，节省经费。

b) 先进性原则。数据总线方案本身便是对传统设计的重大突破，所以应该着眼未来需要， 在成熟技术的基础上尽可能地采用先进方法和产品。在总线的设计和选择上优先考虑高速率硬件、光纤连接方案和灵活高效的通信协议。

c) 可靠性原则。可靠性反映航天产品的基本品质，在采用新技术、新方案时，更应将其作 为核心指导思想。总线方案一方面带来电缆的简化，有利于提高可靠性，另一方面因为增加了总线接口和自检测任务，系统的局部复杂度有所增加，而弹上工作环境较为恶劣，有可 能形成新的故障隐患。应对总体功能进行仔细推敲，在总线选取上也不可一味追求速度而牺牲传输质量和抗干扰能力，需注意性能与可靠性的均衡。

d) 灵活性原则。控制系统仪器众多，功能各异，信号性质差别很大。在网络连接上应根据 各自特点和总体功能需要，灵活进行配置，采用多网络组合、总线与专线结合方式组成合理的弹上控制线路。

e) 冗余原则。冗余是传统控制线路设计中的重要经验，也是总线方案的基本原则。总线系 统的冗余包括总线自身冗余和终端设备冗余。总线自身重量轻，结构简单，便于冗余连接，而终端设备是通过接口挂接在总线上的，这种连接形式也有利于实现冗余。利用数据融合技 术对终端设备的冗余信息进行处理，不但可以提高可靠性，还能改善系统性能。

 

4方案分析

数据总线方案在设计中的的基本问题是：

a) 系统控制方案应针对总线传输特性进行哪些修改；

b) 哪些设备应该挂接在总线上，哪些信号要经总线传输，新的电缆网应如何布局；

c) 在上述分析的基础上确定总线产品；

d) 针对不同类型的终端装置，设计总线接口；

e) 研究新方案对测试发控系统的影响。

以下将对此进行初步的分析与探讨。

 

4.1总线传输的特性及对控制方案的影响

总线控制系统是一个实时网络。与一般的数控方案相比，总线传输方案将原本由计算机执行 的A／D和D／A功能下放到各台仪器当中，从而实现了信息传输的数字化与总线化，但也增加了传输延时这一总线系统的新特性。总线传输延时由总线的硬件性能和传输协议共同决定， 反映在响应速度、传输带宽和传输效率等指标上。尽管目前的总线传输速率不断提高，但与点对点的专线传输相比是有延迟的。例如，对惯性仪表的采样频率和精度较高时，数据传输 密度增大，传输延时的影响就愈加明显。突发性数据的传输也会带来同样的问题，严重时甚至可能造成数据拥塞，不能满足控制系统的实时性要求。这些特性要求设计者在确定控制系 统方案时必须考虑总线的传输能力，合理选择采样频率；在制导和姿态控制计算周期中考虑总线传输延时因子；提高计算速度，通过缩短计算延时对传输延时进行补偿。同时，设计合 理的网络结构也可有效地分流数据。

 

4.2总线传输的内容与网络布局

    弹上电缆网传输的对象可分为信号和电源两大类。从理论上讲，信号经过适当的变换都可以 经总线传输，而在实际设计中则应根据系统功能、仪表与信号类型进行合理规划。

弹上控制系统的核心是姿控和制导系统，主要由“惯性仪表——计算机——伺服机构”回路 构成。这条回路的电缆中传输着绝大多数导航和控制信息，是弹上信息传输的主干线路，直接关系导弹的飞行性能，也是总线技术应用的重点。而时序、安全、头部、遥测等系统的信 号传输可在此基础上设计完成，可以挂接在骨干线路上，也可单独组成局部网络，再通过接口与骨干网相连。

根据灵活性原则，网络布局可考虑以下形式：

a) 以弹上计算机为核心，多条总线网络组合，以满足系统功能需要。如惯性仪表至弹上机 和弹上机至伺服机构采用两条总线，同一回路中也可用多总线进行冗余传输。

b) 根据弹上仪表位置特点，采用局部专线网通过总线接口接入骨干数字网。例如，惯性测 量装置内部的各仪表和电路可通过专线连接，对外作为一个节点接入总线，可减少接口数量，简化连接结构。

c) 在主体的数字总线网络中结合少量专线连接的模拟线路，如点火、级间分离、关机等离 散的控制指令就可以由计算机直接通过专线向执行装置传输。

 

4.3总线产品的选择

以上讨论的控制方案和网络布局是总线选择的基本依据。总线产品包括硬件、协议和拓扑 。具体指标包括：数据速率、节点数、最大间距、消息长度、传输延时、故障恢复时间以及传输介质、拓扑结构及网络管理方式等。这些最终归结为实时性与可靠性指标，必须保证系 统能够完成预定任务。应根据控制方案提出的延时指标，在测算相应通道数据传输量的基础上确定总线数据速率等实时性指标参数，根据网络布局确定节点数和传输距离。光纤介质不 仅重量轻，还具有极佳的抗干扰性能，应当优先选用，但其在多路耦合装置上还存在一定局限，因此要与拓扑结构综合考虑。在协议方面，为满足实时集中控制的需求，考虑到网络传 输量的不均匀性，以命令/响应式为佳。

有文献提出用以太网卡通过修改协议的方法实现实时网络连接，优点是价格便宜且传输速率 较高，缺点是抗恶劣环境能力差，占用主机资源。综合考虑，应选择成熟可靠的军用产品，并可根据实际需要对其协议进行改进。

 

4.4终端装置接口

    网络的终端装置是指控制系统的各台仪器设备，包括基于模拟原理的惯性仪表和伺服机构， 还有计算机等数字设备，以及火工品等简单装置。这些都需要通过接口实现总线通信。显而易见，后两者的接口比较简单，火工品还可考虑专线连接，因此接口设计的重点在前者。

对于总线网络中的惯性仪表和伺服机构等模拟设备，其接口应具有如下功能：

a) 支持总线通信；

b) 具有数据采样（A／D）和一定的激励（D／A）功能；

c) 具有简单的的数据处理与控制功能。 这样的任务十分适合基于单片机的微型嵌入式系统。图2为原理方块图。目前，集成了C PU、总线通信控制器、存储器和A／D、D／A接口的一体化芯片已经出现，可有效地简化设计 、降低成本并提高可靠性。光纤传输在提高了性能的同时可能使接口复杂化，其耦合装置也还需进一步研究，因此作为一种可选方案。

 

图2智能终端装置方块图

 

4.5总线方案对测试发控系统的影响

    地面测试发控系统近些年来已广泛采用CAMAC和VXI等测控总线技术，弹内自 检测技术（BIT）也已在进行研究。在基于总线传输的系统中，测试的基本原理不变，但由于传输的数字化 ，可将采样和一部分测量任务由弹上设备完成。检测机制由“地面激励——弹上响应——地 面采集处理”转变为受地面指令控制的弹内自检测为主的测试方案。弹地接口变成控制网络的一个终端，弹地间的传输信号由以模拟量为主转变为以数字量为主。由于激励和采样在 弹上就近完成，因而减少了失真和干扰，提高了检测可靠性；原先完全在地面进行的数据处理工作由弹上计算机分担了一部分，从而减轻了地面工作量，简化了地面设备，有利于车载 机动和缩短发射时间。但是，考虑到弹上环境的限制，不宜增加过多的自检测任务。

 

5总线方案的意义

数据总线系统取代点对点连接的电缆网，提高了导弹武器系统整体性能，具有重要意义。

a) 有利于提高投掷能力。由于总线的复用性，将大大减少线缆数量，即便采取冗余，传输 系统也十分轻巧，大大减轻了控制装置质量，能够有效地提高射程或增加投掷重量。

b) 提高了系统可靠性。总线方案减少了电缆和连接器数量，降低了连接复杂度，简化了系 统结构；数字传输衰减失真小，抗干扰能力强，便于采用冗余技术。这些改进有助于提高系统可靠性。

c) 方便了操作使用。总线方案利于采用自检测等先进的测控技术，并能简化弹地接口， 减少地面设备数量，缩短发射准备时间，对于部队机动作战和提高生存能力具有重要意义。

图3为传统方案与总线方案的对比示意图。

 

图3导弹控制系统数据传输方案对比示意图

 

6  结束语

数据总线传输系统是新型总线式导弹控制系统的重要组成部分，能够有效消除点对点传输方 式的弊端，显著提高系统性能。总线方案是对传统导弹控制系统的重大变革，其研制将是一项复杂的系统工程，大量的技术细节还需要从理论和实践上认真地加以研究和验证。当前， 数字控制技术与网络通信技术正在飞速地向前发展，在它们的推动下，导弹控制系统数字总线传输方案必将成为研究热点并得到成功的应用。

 

 

 

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