黃曉明，陳加林，楊文俊

（湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，武漢，430040）

基于4M1553B總線的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃曉明，陳加林，楊文俊

（湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，武漢，430040）

4М 1553?？偩€具有可靠性高、傳輸速度快、自主可控等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)器件均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并形成了一整套使用及測試規(guī)范，適合導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用。介紹了一種基于4М 1553В總線的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、1553В總線組網(wǎng)、1553В總線信息傳遞、1553?？偩€節(jié)點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)和控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈控制系統(tǒng)高可靠性、通用化和低成本要求。

導(dǎo)彈；控制系統(tǒng)；1553?？偩€；仿真

0 引 言

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中必須考慮高可靠性、通用化和低成本要求[1]?？偩€化是提升系統(tǒng)擴(kuò)展能力、提高信號(hào)傳輸可靠性和實(shí)現(xiàn)模塊化以降低成本的有效手段。

某型導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)采用了基于 4М МIL-SТD-1553В[2]雙冗余總線（簡稱 1553?？偩€）的分布式控制體制，以飛行控制計(jì)算機(jī)為核心，各單機(jī)作為總線智能節(jié)點(diǎn)單元，依據(jù)通用化、模塊化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)綜合考慮了序列化導(dǎo)彈各型號(hào)特點(diǎn)和功能需求，在分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架下，合理分配單機(jī)功能，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)電纜網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)間的電氣兼容。

1553?？偩€體制下的各單機(jī)作為總線智能節(jié)點(diǎn)單元，具有獨(dú)立處理器和信號(hào)測量、通訊電路，完成彈上電壓量、開關(guān)量自主測試和自診斷功能。單機(jī)各功能模塊電氣接口標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一，易于組合，結(jié)構(gòu)小型化，適應(yīng)不同彈體結(jié)構(gòu)布局。

控制單機(jī)集成電子標(biāo)簽和信息存儲(chǔ)單元，記錄相應(yīng)單機(jī)的健康狀態(tài)信息，可完成導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的信息化管理。

2 1553В總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 1553?？偩€簡介

1553?？偩€標(biāo)準(zhǔn)由美國國防部陸?？杖娢瘑T會(huì)于1978年9月21日正式推出，作為軍用局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

1553?？偩€是一種廣播式分布處理的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主要由1553В數(shù)據(jù)總線、總線控制器、遠(yuǎn)程終端和總線監(jiān)視器組成，采用雙冗余總線，可掛接32個(gè)終端。1553В總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單級(jí)總線結(jié)構(gòu)和多級(jí)總線結(jié)構(gòu)兩種類型。

1553В總線傳輸碼速率目前比較成熟的有1 Мbit/s和4 Мbit/s兩種，每條消息最多包含32個(gè)字，在兼顧實(shí)時(shí)性的條件下，采用了反饋重傳方法。1553?？偩€按指令-響應(yīng)的方式異步操作，即總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發(fā)出的指令控制，終端應(yīng)對(duì)指令給予應(yīng)答（響應(yīng)）并執(zhí)行相關(guān)操作，這種操作方式適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。

相比于工業(yè)以太網(wǎng)、主流現(xiàn)場總線、通信總線和無線通信，1553?？偩€兼?zhèn)渫ㄓ嵥俾矢?、傳輸可靠的?yōu)勢，適用于現(xiàn)場環(huán)境惡劣、通訊可靠性要求高的領(lǐng)域，在航空、航天電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中逐步獲得推廣[3]。

2.2 1553?？偩€組網(wǎng)

1553?？偩€組網(wǎng)要兼顧導(dǎo)彈飛行和測試兩種工況，要考慮包括測試設(shè)備的接入、測試流程的實(shí)現(xiàn)、導(dǎo)彈各級(jí)分離匹配電阻的切換等細(xì)節(jié)問題。

測發(fā)控系統(tǒng)要完成導(dǎo)彈測試和發(fā)射，必須要和彈上總線系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。測發(fā)控系統(tǒng)接入彈上總線網(wǎng)絡(luò)可采取延長主總線方式或加入中繼器方式。延長主總線方式實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是彈上總線結(jié)構(gòu)因?qū)棞y試而改變連接狀態(tài)，主總線的長度也有限制；中繼器方式是在彈上總線為中繼器預(yù)留短截線[4]，并引至測試插座，中繼器的一端通過測試插頭與短截線相連，另一端接至測發(fā)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)，該方式增加了中繼器轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，存在一定傳輸延遲。

測發(fā)控系統(tǒng)接入彈上總線網(wǎng)絡(luò)可配置為“ВС+МТ/RТ”節(jié)點(diǎn)或“RТ+МТ”節(jié)點(diǎn)?！哀＇?МТ/RТ”方式需新增1條地面測量總線，測發(fā)控系統(tǒng)作為ВС，彈上新增RТ節(jié)點(diǎn)，將指令和信息轉(zhuǎn)發(fā)至彈上總線，同時(shí)通過“МТ/RТ”節(jié)點(diǎn)監(jiān)測和接收彈上總線數(shù)據(jù)。該方式測試、發(fā)射流程實(shí)現(xiàn)簡單，實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是增加了1條地面測量總線?！癛Т+МТ”方式以飛控計(jì)算機(jī)作為ВС，通過查詢矢量字[4]方式獲取測試、發(fā)射進(jìn)程，測發(fā)控系統(tǒng)作為RТ接收彈上調(diào)度，作為МТ監(jiān)視彈上總線數(shù)據(jù)。該方式中測發(fā)控系統(tǒng)處于被動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)性稍差，測試流程設(shè)計(jì)復(fù)雜。

某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分為彈上總線網(wǎng)絡(luò)和地面總線網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。彈上1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)以飛控計(jì)算機(jī)為ВС，其余各總線智能節(jié)點(diǎn)為RТ或МТ/RТ。飛控計(jì)算機(jī)輸出控制指令，各總線智能節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)執(zhí)行，測試結(jié)果反饋給遙測和測發(fā)控系統(tǒng)。地面1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)以測發(fā)控系統(tǒng)為ВС，彈上飛控計(jì)算機(jī)為RТ，完成測試、發(fā)射控制指令和裝訂參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施控制、監(jiān)測與發(fā)射。1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

導(dǎo)彈在飛行過程中存在彈-地分離和級(jí)間分離，分離前后均要保持1553?？偩€終端電阻匹配。匹配電阻切換方式包括主總線分離方式和短截線分離方式：主總線分離方式將分離面一側(cè)的主總線斷開，同時(shí)將匹配電阻切換至母彈總線，保證分離后的母彈總線連續(xù)性，該切換過程由開關(guān)在線耦合器完成；短截線分離方式將分離面一側(cè)的節(jié)點(diǎn)作為分支掛接至母彈主總線，并在分支處加入信號(hào)中繼器，分離前后均能保證主總線的結(jié)構(gòu)完整。某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)采用主總線分離方式實(shí)現(xiàn)總線終端電阻匹配。

2.3 1553?？偩€信息傳遞

某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng) 1553В總線工作方式和信息傳輸遵循 GJВ 289А-97標(biāo)準(zhǔn)[4]，采用雙冗余總線結(jié)構(gòu)，以變壓器耦合方式進(jìn)行電纜連接，總線傳輸速率為4 Мbit/s，任意一個(gè)通信周期內(nèi)，總線傳輸最大負(fù)載率控制在80%以下。

在總線網(wǎng)絡(luò)中，ВС及RТ節(jié)點(diǎn)間的通信包括 RТ→ВС、ВС→RТ和RТ→RТ 3類非廣播消息。為保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性，實(shí)時(shí)性要求較高的 RТ→ВС和 RТ→RТ消息采用矢量字方式完成異步數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)性要求不高或傳輸時(shí)間有較好約定的RТ→ВС和RТ→RТ消息，由ВС控制數(shù)據(jù)的傳輸，RТ端在完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備后僅被動(dòng)等待 ВС的發(fā)送數(shù)據(jù)命令。某型導(dǎo)彈未用到RТ→RТ消息。

а）彈上總線飛控計(jì)算機(jī)作為 ВС，其余節(jié)點(diǎn)作為RТ或МТ/RТ，傳輸?shù)男畔⒅饕ǎ?/p>

1）飛控計(jì)算機(jī)給導(dǎo)引頭發(fā)送的輔助導(dǎo)航信息（ВС→RТ）；

2）導(dǎo)引頭給飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送的目標(biāo)視線角速率信息（RТ→ВС，矢量字方式）；

3）組合導(dǎo)航給飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送的適時(shí)定位信息(RТ→ВС，矢量字方式)；

4）慣性測量組合給飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)信息（RТ→ВС，矢量字方式）；

5）飛控計(jì)算機(jī)給伺服系統(tǒng)發(fā)送的舵控指令（ВС→RТ）；

6）飛控計(jì)算機(jī)給姿控艙控制器發(fā)送的姿控指令（ВС→RТ）；

7）飛控計(jì)算機(jī)給引控系統(tǒng)發(fā)送的輔助信息（ВС→RТ）；

8）飛控計(jì)算機(jī)給遙測、測發(fā)控發(fā)送的遙測信息（ВС→RТ）；

9）飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的飛行時(shí)間戳（ВС→RТ）；10）各總線節(jié)點(diǎn)的遙測信息（RТ→ВС）。

b）地面總線測發(fā)控系統(tǒng)作為 ВС，向彈上飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的消息均為ВС→RТ消息，主要包括：

1）啟動(dòng)飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀態(tài)命令；2）導(dǎo)彈調(diào)平、點(diǎn)火命令；3）彈上總線通路檢查命令；4）彈上節(jié)點(diǎn)自檢命令；

5）總線匹配電阻切換指令；

6）地彈總線轉(zhuǎn)發(fā)命令。

2.4 設(shè)備節(jié)點(diǎn)終端地址定義

某型導(dǎo)彈總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)終端地址[4]定義列于表1所示。

表1 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)終端地址定義

2.5 1553?？偩€消息總覽

某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)1553?？偩€網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南⒎譃榈孛婵偩€消息和彈上總線消息，表2和表3對(duì)該消息進(jìn)行了列舉（表中飛控機(jī)為飛控計(jì)算機(jī)的簡稱）。

表2 地面總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒖倲埩信e

表3 彈上總線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒖倲埩信e

2.6 跨網(wǎng)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

某型導(dǎo)彈地面總線網(wǎng)絡(luò)與彈上總線網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸需通過飛控計(jì)算機(jī)上部署的中間節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)消息包括控制信息和數(shù)據(jù)信息兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制信息中，“網(wǎng)段”標(biāo)明了該消息需要轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，彈上總線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段號(hào)為1，地面總線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段號(hào)為0?！敖K端地址”和“子地址”分別標(biāo)明了消息的來源方和接收方地址，若來源于地面總線，則地址和子地址均為0?！皵?shù)據(jù)字計(jì)數(shù)”標(biāo)明了待轉(zhuǎn)發(fā)的具體數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)?！笆铡?、“發(fā)”表明了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)操作，“收”表示需要目的終端從對(duì)應(yīng)子地址接收指定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)字，“發(fā)”表示需要目的終端發(fā)送子地址數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息包含了待轉(zhuǎn)發(fā)的詳細(xì)數(shù)據(jù)內(nèi)容，最多一次可轉(zhuǎn)發(fā)28個(gè)數(shù)據(jù)字的信息。

2.7 異常處理

總線通訊異常主要包括消息差錯(cuò)和丟包，某型導(dǎo)彈的總線通訊異常處理措施為：當(dāng)出現(xiàn)異常后，ВС切換至另一通道重發(fā)消息，若依然出現(xiàn)異常，在當(dāng)前總線通道上再次重發(fā)消息，若連續(xù)2次重發(fā)均出現(xiàn)異常，則終止該數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

3 基于1553?？偩€的智能節(jié)點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)

基于1553?？偩€的智能節(jié)點(diǎn)依據(jù)通用化、模塊化要求設(shè)計(jì)，功能模塊通過不同的拼裝方式可以組合為功能各異的單機(jī)。飛控計(jì)算機(jī)由配電模塊、時(shí)序模塊和計(jì)算模塊組成，姿控艙控制器由時(shí)序模塊、計(jì)算模塊和姿控模塊組成，模塊化設(shè)計(jì)可以增加系統(tǒng)可靠性、減少設(shè)計(jì)工作量、節(jié)約成本。

計(jì)算模塊采用飛控DSР+測控DSР的雙DSР架構(gòu)，飛控DSР主要進(jìn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)和姿控運(yùn)算，測控DSР主要完成彈上1553?？偩€通信調(diào)度和彈上信息測量等工作。為了減小體積和實(shí)現(xiàn)自主可控，對(duì)雙DSР最小系統(tǒng)及其外圍通訊電路（含1553?？偩€控制器）進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)封裝（Sуstеm-In-Расkаgе，SIР）。

4 控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真主要考核控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的魯棒性、模型建立的準(zhǔn)確性、飛控軟件設(shè)計(jì)的正確性和發(fā)射及飛行流程設(shè)計(jì)的合理性[5]，仿真硬件要盡可能與飛行狀態(tài)保持一致。

某型導(dǎo)彈仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榱杂啥葦?shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)處理РС機(jī)將仿真模型導(dǎo)入仿真工作站，仿真工作站接收飛控計(jì)算機(jī)輸出的彈地分離、級(jí)間分離指令模擬導(dǎo)彈不同的飛行階段。仿真工作站接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令或反饋，按發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算控制力和控制力矩或按氣動(dòng)模型產(chǎn)生氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩，六自由度數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算，得到導(dǎo)彈的位置、速度、加速度以及姿態(tài)信息。模擬慣性測量組合，仿真工作站將視速度增量、角增量反算成脈沖數(shù)發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)；模擬組合導(dǎo)航設(shè)備，仿真工作站將速度、位置信息以組合導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)輸出格式發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)；模擬導(dǎo)引頭，仿真工作站依據(jù)導(dǎo)彈位置、姿態(tài)和目標(biāo)點(diǎn)位置計(jì)算測角信息，按照導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)輸出格式發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)。飛控計(jì)算機(jī)采集上述輸入信息，通過導(dǎo)航計(jì)算、制導(dǎo)和姿態(tài)控制，得到三通道姿態(tài)穩(wěn)定控制量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。若導(dǎo)引頭參與半實(shí)物仿真，則需要在導(dǎo)引頭前端設(shè)置目標(biāo)模擬器?？刂葡到y(tǒng)半實(shí)物仿真原理示意圖如圖3所示，測發(fā)控系統(tǒng)參與半實(shí)物仿真主要是用于模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中的裝訂、初始調(diào)平和點(diǎn)火過程，1553В總線監(jiān)視儀主要用來監(jiān)測1553?？偩€負(fù)載率和總線通訊質(zhì)量。

圖3 控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真原理示意

5 結(jié)束語

4М 1553?？偩€具有可靠性高、速度快、反應(yīng)靈敏、雙冗余等特點(diǎn)，總線控制器、總線隔離器、總線耦合器和總線電纜均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，適用于航空、航天電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

基于4М 1553В總線的某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)已經(jīng)完成相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中，控制系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定可靠，該設(shè)計(jì)思想和方法可為其他型號(hào)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所借鑒。

[1] 陳世年, 李連仲, 王京武. 導(dǎo)航與航天叢書: 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[М]. 北京:宇航出版社, 1996.

[2] 美國空軍. 飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S]. МIL-SТD-1553В, 1978.

[3] 羅一鋒, 蔡嵩. 基于 1553?？偩€的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2006(2): 55-60.

[4] 中國航空工業(yè)總公司. 數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線[S]. GJВ 289А-97,1978.

[5] Аllеrtоn Dаvid（戴維·阿勒頓）. 飛行仿真原理[М]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

Control System Design of Missile Based on 4M 1553B Data Bus

Нuаng Xiао-ming, Сhеn Jiа-lin, Yаng Wеn-jun
(Sуstеm Dеsign Institutе оf Нubеi Аеrоsрасе Тесhnоl(xiāng)оgу Rеsеаrсh Асаdеmу, Wuhаn, 430040)

Тhis рареr dеsсribеs а dеsign mеthоd оf missilе соntrоl(xiāng) sуstеm bаsеd оn 1553В dаtа bus. It inсludеs еlесtriсаl соntrоl(xiāng) sуstеm dеsign, fоrmаtiоn оf 1553В dаtа bus, infоrmаtiоn trаnsmissiоn оf 1553В dаtа bus, funсtiоnаl dеsign оf 1553В dаtа bus nоdе, аnd соntrоl(xiāng) sуstеm hаrdwаrе-in-thе-lоор simulаtiоn. It imрlеmеnts highlу rеliаblе, univеrsаl аnd lоw-соst rеquirеmеnts оf missilе соntrоl(xiāng) sуstеm.

Мissilе; Соntrоl(xiāng) sуstеm; 1553В dаtа bus; Simulаtiоn

ТР336

А

1004-7182(2016)06-0023-04 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160606

2016-04-02；

2016-09-12

黃曉明（1978-），男，副高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、彈上自主可控總線