張偉　姜娜　張朝陽(yáng)

【摘 要】為保證地面重要軍事設(shè)施在飛行試驗(yàn)中的安全，確保飛行器飛行在預(yù)定區(qū)域，在飛行器上安裝高可靠性的“安全控制設(shè)備”勢(shì)在必行。介紹了一種運(yùn)用GPS技術(shù)確保飛行器始終飛行于預(yù)定安全區(qū)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用硬件和軟件功能相互結(jié)合，做了全面的可靠性設(shè)計(jì)，大大提高了使用安全性。

【關(guān)鍵詞】飛行器；安全控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

飛行器在飛行試驗(yàn)中，不僅要考慮設(shè)計(jì)穿越飛行中的預(yù)定航路，還要為性能下降或失效等突發(fā)狀況做盡可能多的防范。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在試驗(yàn)航區(qū)內(nèi)的保護(hù)目標(biāo)也逐漸增多，對(duì)安全控制的范圍和可靠性要求也不斷提高，以確保飛行器在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)飛行[1-2]。

本文提出一種安裝于飛行器上用于提供安全保障的嵌入式安全控制系統(tǒng)，主要監(jiān)控飛行器是否按預(yù)定安全區(qū)域飛行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器的飛行工作狀態(tài)和運(yùn)行軌跡。當(dāng)判定飛行器偏差較大或嚴(yán)重失控時(shí)，及時(shí)發(fā)出修偏校正或自毀操控等指令，保證試驗(yàn)航路中設(shè)施免受飛行器威脅。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由安控計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)如下功能。

1.1 全程雙通道冗余測(cè)判

GPS定位正常時(shí)，所有安控決策均由主通道即定位測(cè)判通道作出；一旦GPS異常，系統(tǒng)自動(dòng)切換至熱備份的偏航角積分測(cè)判通道；若GPS恢復(fù)正常，系統(tǒng)尚可反向切換。

1.2 預(yù)防性修偏

GPS定位正常時(shí)，若測(cè)判飛行器觸及容差線，安控計(jì)算機(jī)將發(fā)出“左修偏/右修偏”指令且持續(xù)時(shí)間與容差值成正比。駕駛儀接此指令后將即刻糾偏，可提前預(yù)防越界事件。

1.3 可預(yù)定的爬升規(guī)避

若射前裝訂爬升標(biāo)識(shí)符為有效時(shí)，安控計(jì)算機(jī)將依據(jù)預(yù)定的定距側(cè)避點(diǎn)或理論終點(diǎn)時(shí)間向駕駛儀發(fā)送爬升規(guī)避指令；若裝訂爬升標(biāo)識(shí)符為無(wú)效時(shí)則表示不選擇爬升規(guī)避。

1.4 超程/超時(shí)自毀

依據(jù)預(yù)定的超程距離或飛行超時(shí)時(shí)間，安控計(jì)算機(jī)將定距/定時(shí)發(fā)送超程自毀指令。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 安控計(jì)算機(jī)

安控主機(jī)模塊采用DSP處理器，外擴(kuò)512K FLSAH存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。該主機(jī)帶有與GPS、遙測(cè)、綜控機(jī)、安控輔機(jī)等通信的四個(gè)RS-442端口，帶有多個(gè)與外部進(jìn)行信息交換的AD、I/O端口。

2.1.1 主控器

主控器采用TI公司的TMS320C6726B[3]。系統(tǒng)外擴(kuò)FLASH存儲(chǔ)器選用SST39VF040，通過(guò)EMIF總線與DSP連接，系統(tǒng)上電后DSP的引導(dǎo)裝載軟件將SST39VF040中的飛控程序加載到TMS320C6726B的內(nèi)部RAM中運(yùn)行。

2.1.2 輸入/輸出指令接口

輸入/輸出指令接口由CPLD器件EPM1270實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，通過(guò)CPLD編程實(shí)現(xiàn)管腳特性定義和地址分配。

輸入指令通過(guò)光電耦合器MOCD-213隔離后接至CPLD的I/O口，由DSP讀取輸入指令對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，判讀輸入指令狀態(tài)。

輸出指令由DSP通過(guò)數(shù)據(jù)線向指定地址寫(xiě)數(shù)據(jù)，由CPLD的管腳輸出，經(jīng)總線收發(fā)器SN74LVC4245A完成電平轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器輸出指令。

2.1.3 通訊接口

安控計(jì)算機(jī)共兩路UART串行接口，接收端隔離。串口芯片選用TI公司的TL16C754BPN，包含4路獨(dú)立串口。RS-422電平轉(zhuǎn)換選用MAX490ESA，接收端選用Hp公司的雙通道高速光電耦合器HCPL063N實(shí)現(xiàn)隔離。

2.1.4 AD接口

安控計(jì)算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7656BST，輸入模擬信號(hào)的地經(jīng)過(guò)100歐姆電阻實(shí)現(xiàn)與A/D芯片模擬地的隔離，然后經(jīng)濾波電路后輸入AD7656BST。

2.2 GPS模塊

GPS信息是飛行器安全測(cè)判的主要信息源，GPS模塊由GPS模塊主機(jī)、接收天線和高頻饋線組成，配置兩路RS-422串口，一路至飛行器遙測(cè)設(shè)備，傳輸原始信息，其中包括偽距幀、電文幀和定位幀；另一路至安控計(jì)算機(jī)，傳輸飛行器遙測(cè)站用事后差分信息和飛行器實(shí)時(shí)定位信息，數(shù)據(jù)周期性刷新。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

安控軟件主流程示意圖如圖3所示。

3.1.1 自檢模塊

自檢模塊完成安控計(jì)算機(jī)的自檢，包括Flash檢查、RAM檢查、輸入/輸出指令初始狀態(tài)檢查。

3.1.2 射前檢查模塊

射前檢查首先讀串口信息，檢測(cè)射前檢查命令，如果命令到來(lái)則依次進(jìn)行GPS性能檢查、遙測(cè)接口檢查、串口檢查。

3.1.3 飛行控制模塊

飛行控制模塊是安控計(jì)算機(jī)軟件的核心部件，飛行器收到飛行零秒后進(jìn)入飛控循環(huán)并周期性的進(jìn)行解算，是飛試過(guò)程中必須執(zhí)行的安全控制任務(wù)。進(jìn)入飛控循環(huán)后，依次執(zhí)行時(shí)序指令、GPS狀態(tài)測(cè)判、位置測(cè)判、偏航測(cè)判，發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)。

1）定時(shí)模塊

進(jìn)入飛行零點(diǎn)后，在相應(yīng)起控時(shí)間點(diǎn)發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制指令。起控時(shí)間累加至某一時(shí)間，安控解鎖并將偏航積分標(biāo)志置為有效，記錄當(dāng)前的航向陀螺角。

2）GPS測(cè)判模塊

GPS測(cè)判的目的是判斷GPS接收機(jī)的工作狀態(tài)是否正常，信息是否可用，以及信息如何處理。GPS測(cè)判模塊包括：GPS定位狀態(tài)測(cè)判、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、信息濾波、失捕處理。

進(jìn)入GPS定位狀態(tài)測(cè)判子模塊后，安控計(jì)算機(jī)查詢GPS串口信息并設(shè)置GPS判讀標(biāo)識(shí)來(lái)記錄GPS狀態(tài)。

當(dāng)GPS定位正常，狀態(tài)字全零且位置信息有效時(shí)，執(zhí)行位置信息的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和濾波處理。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將GPS輸出的以地心坐標(biāo)系為參考的信息轉(zhuǎn)換至發(fā)射坐標(biāo)系。

濾波處理的目的是判斷當(dāng)前點(diǎn)是否為野值點(diǎn)，采用速度濾波的方法，以設(shè)定的相對(duì)誤差限為判決條件。

飛行過(guò)程中，GPS允許失捕，設(shè)置其最長(zhǎng)失捕時(shí)間，當(dāng)GPS失捕時(shí)間不大于最長(zhǎng)失捕時(shí)間時(shí)，由外推算法得到當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)值。

定位測(cè)判時(shí)，以基準(zhǔn)坐標(biāo)系為參考，將坐標(biāo)信息從發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

3）位置測(cè)判模塊

安控解鎖后，安控計(jì)算機(jī)以GPS坐標(biāo)信息為依據(jù)，每個(gè)解算周期都將對(duì)飛行器的位置進(jìn)行測(cè)判，完成對(duì)理論終點(diǎn)時(shí)間時(shí)差修正、一次性修偏控制、超程判斷、越界判斷。

在飛行器發(fā)射前須完成對(duì)安控任務(wù)參數(shù)中理論飛行終點(diǎn)時(shí)刻T以及飛行器航向定距側(cè)向規(guī)避點(diǎn)X的裝訂。當(dāng)飛行器航向距離小于定距側(cè)向規(guī)避點(diǎn)，且飛行器累計(jì)飛行時(shí)間不小于理論飛行終點(diǎn)時(shí)刻時(shí)，安全控制系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)理論終點(diǎn)時(shí)刻T的修正。

當(dāng)飛行器GPS處于定位狀態(tài)，飛行器在飛行過(guò)程中偏離航向的側(cè)向?qū)挾却笥谛奁鹂貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)，安控計(jì)算機(jī)發(fā)出一次性修偏控制指令。

超程判斷包括超時(shí)判斷和超程判斷。若飛行器GPS定位正常時(shí)，采用GPS位置信息判斷飛行器的飛行距離是否超過(guò)射前裝訂的終點(diǎn)距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)終點(diǎn)距離時(shí)安控發(fā)出超程告警；若GPS定位異常位置信息不可信時(shí)，飛行器依據(jù)射前裝訂的終點(diǎn)時(shí)間來(lái)判定飛行時(shí)間是否超時(shí)，并確定是否發(fā)出超程告警指令。

越界判斷用于判斷飛行器是否超出安全區(qū)域的側(cè)向邊界。當(dāng)側(cè)向?qū)挾却笥谏淝把b訂的越界預(yù)警變量時(shí)，安控計(jì)算機(jī)發(fā)出越界告警指令。

4）偏航測(cè)判模塊

偏航積分測(cè)判以安控解鎖為啟動(dòng)依據(jù)。安控解鎖后啟動(dòng)偏航積分測(cè)判。偏航測(cè)判模塊對(duì)航向陀螺信息動(dòng)態(tài)偏差角進(jìn)行積分得到飛行器側(cè)向位移。

當(dāng)GPS定位正常位置信息可用時(shí)，周期性的采用轉(zhuǎn)換得到的基準(zhǔn)橫向坐標(biāo)值對(duì)偏航積分側(cè)向位移標(biāo)定一次。GPS狀態(tài)異常時(shí)，依據(jù)設(shè)定的安控管道計(jì)算出偏航預(yù)警變量值，并將偏航積分側(cè)向位移與偏航預(yù)警變量值進(jìn)行比較，若偏航積分側(cè)向位移大于偏航預(yù)警變量值時(shí)，安控發(fā)出偏航告警指令。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的是一種基于嵌入式的飛行器安全控制系統(tǒng)，確保了飛控解算實(shí)時(shí)、可靠。系統(tǒng)采用雙通道冗余控制，運(yùn)用GPS信息作為主測(cè)判手段，偏航角積分測(cè)判為輔測(cè)判通道；飛行試驗(yàn)全程可以進(jìn)行一次糾偏提前預(yù)防越界；安控計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確發(fā)出越界、超程/超時(shí)指令，控制飛行器實(shí)施自毀。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，本安全控制系統(tǒng)安控策略可靠、有效，其設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)于飛行器的可靠性以及飛行試驗(yàn)安全性設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]