光纖通訊在空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：隨著空空導(dǎo)彈的發(fā)展，給內(nèi)部通訊系統(tǒng)提出了新的要求，比如高速、小型化、強(qiáng)電磁兼容性、通用化、模塊化，目前使用的各種總線均存在一定的局限性。光纖通訊在軍事領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的發(fā)展和應(yīng)用，建立了一些標(biāo)準(zhǔn)。因此通過對光纖通訊在空空導(dǎo)彈中的應(yīng)用研究，給出了物理層和協(xié)議層的解決方案。通過分析，基于光纖通訊的高速、小型、通用、模塊化的通訊系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。
關(guān)鍵詞：空空導(dǎo)彈；飛控系統(tǒng)；光纖；總線；通訊

0 引言
    空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)是導(dǎo)彈信息處理的核心部分，擔(dān)負(fù)著與彈內(nèi)外通訊的功能。飛控系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)的通訊總線形式多樣，總線形式主要有一次性指令、模擬量、ARINC429總線、1553B總線、RS 422總線、LVDS總線、并行總線等，存在通訊速率低、易受電磁干擾、線纜粗重、總線形式多樣、不易組網(wǎng)、測試設(shè)備復(fù)雜等缺點?？湛諏?dǎo)彈未來發(fā)展的方向是信息量大、傳輸速率高、小型化、抗強(qiáng)電磁干擾等，因此目前的總線方式不能滿足要求。而光纖通訊隨著技術(shù)的發(fā)展，已具備通訊速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、線纜輕便、易小型化等特點，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。目前飛機(jī)內(nèi)部已逐步形成了以光纖傳輸?shù)目偩€系統(tǒng)，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)已建立，在載機(jī)的懸掛系統(tǒng)中預(yù)留了光纖接口作為未來發(fā)展的需求，而且也有許多以光纖為物理層，將其他總線協(xié)議移植到光纖總線上的應(yīng)用，因此構(gòu)建以光纖為物理層的總線通訊系統(tǒng)，制定統(tǒng)一合理的總線協(xié)議，是解決空空導(dǎo)彈發(fā)展問題的一種方法。

1 空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)通訊現(xiàn)狀及存在問題
    在空空導(dǎo)彈中，飛控系統(tǒng)肩負(fù)著導(dǎo)彈內(nèi)外的信息交換功能，負(fù)責(zé)與載機(jī)、導(dǎo)引系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、舵控系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信息交換，未來可能還要增加與引戰(zhàn)系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)的數(shù)字通訊功能。
1．1 通訊總線現(xiàn)狀
    目前飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的總線主要有：ARINC429總線、1553B總線、RS 422總線、LVDS總線、BMK總線等，如圖1所示。

     ARINC429總線是一對單向、差分耦合、雙絞屏蔽線，最高速率為100Kb／s?？偩€上只允許有1個發(fā)送設(shè)備，可以有多個(小于等于20個)接收設(shè)備。信息傳輸采用雙極性歸零制的三態(tài)碼調(diào)制方式。每個ARINC429字由5部分組成：
    (1)標(biāo)號位LABEL：用于區(qū)分字的物理含義，等同于數(shù)據(jù)幀的地址；
    (2)源目的識別位(SD)：可以用以區(qū)分多系統(tǒng)中的源和日的地；
    (3)數(shù)據(jù)位(DATA)：將數(shù)據(jù)編碼；
    (4)符合狀態(tài)位(SSM)：用以表征數(shù)據(jù)字的特性，如方向、符號等；
    (5)奇偶校驗位：可以選擇奇校驗和偶校驗；
    RS 422總線是一對單向、差分傳輸、雙絞屏蔽線，最高速率可達(dá)10 Mb／s；總線上只允許有1個發(fā)送設(shè)備，最多10個接收設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了硬件接口的電氣特性，支持單點對多點的通訊方式，未規(guī)定接插件、電纜、頂層通訊協(xié)議；而實際用法為：協(xié)議約定好字?jǐn)?shù)，第一個為狀態(tài)字，后面是數(shù)據(jù)字，最后是校驗字，為點對點通訊協(xié)議；
    LVDS總線是低壓差分電流驅(qū)動總線，通信速率可達(dá)600Mb／s，信號有效電壓為300 mV，在高速率通訊中電壓擺幅??；由于信號電壓過低，所以通訊易受干擾。LVDS總線與RS 422總線類似，主要規(guī)定了電氣特性，無頂層通訊協(xié)議，在應(yīng)用時自行規(guī)定通訊協(xié)議，協(xié)議與RS 422總線應(yīng)用類似；
    1553B總線是數(shù)字式時分制指令／響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線，它由數(shù)據(jù)總線、遠(yuǎn)程終端、總線監(jiān)視器、總線控制器組成?？偩€系統(tǒng)信息傳輸?shù)目刂茩?quán)惟一歸總線控制器所有；采用指令／響應(yīng)型的異步操作；信息傳輸采用半雙工方式；數(shù)據(jù)總線上的信息流由消息組成。1553B有完備的通訊協(xié)議，每個字由20位組成，分為命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字三種類型。其中，命令字包含以下信息：遠(yuǎn)程終端地址、發(fā)送接收狀態(tài)位、子地址(或方式代碼)、數(shù)據(jù)字計數(shù)(或方式代碼)；數(shù)據(jù)字：根據(jù)協(xié)議自行確定或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；狀態(tài)字包含以下信息：遠(yuǎn)程終端地址、消息差錯、測試手段、服務(wù)請求、廣播指令、忙等狀態(tài)；主要由位來表示；
    雙口RAM是并行總線的一種形式，協(xié)議自定，根據(jù)地址來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)用途。
1．2 通訊方式現(xiàn)狀
    飛控系統(tǒng)與各載機(jī)和各分系統(tǒng)的通訊方式依據(jù)任務(wù)性質(zhì)的不同而不同，具體情況如下：
    (1)與導(dǎo)引系統(tǒng)：周期性、雙向、雙工、同步、實時性低；
    (2)與載機(jī)系統(tǒng)：單項或雙向、異步、被動(飛控被動發(fā)送、接收)；
    (3)與GPS系統(tǒng)：周期、雙向、雙工、異步；
    (4)與舵控系統(tǒng)：周期、雙向、異步；
    (5)與遙測系統(tǒng)：周期、單向(飛控主動發(fā)送)、異步；
    (6)與引戰(zhàn)系統(tǒng)：雙向、異步、一次性通訊；
    (7)與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)：單向、異步、一次性；未來預(yù)計是雙向、異步、周期性方式。
    通過上述說明，飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)采用獨立總線，全雙工通訊方式，此種通訊方式要求在硬件上每路信息都要有獨立的總線協(xié)議芯片和信號調(diào)理電路，由于總線形式多樣，路數(shù)多，因此硬件開銷很大。
1．3 目前存在問題
    以上幾種總線基本可以滿足當(dāng)前空空導(dǎo)彈研制需求，但是面對未來還存在以下幾個方面的不足：
    (1)所用總線都是電介質(zhì)，抗雷電、核爆、電子脈沖彈等強(qiáng)電磁干擾能力差，尤其是與載機(jī)通訊線纜部分外露，易受外部輻射干擾；
    (2)通訊過程中有線間干擾；
    (3)在高速比如百兆、千兆以上通訊時，易受地線、線間、外部等各種干擾，對傳輸線纜、端接、輻射等要求很高；
    (4)線纜粗重，不易布線，尤其是未來空空導(dǎo)彈小型化，內(nèi)部空間小，傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線線纜粗重，在彈內(nèi)不易布線，結(jié)構(gòu)設(shè)計困難；
    (5)總線協(xié)議、硬件構(gòu)成、通訊速率不統(tǒng)一，硬件開銷大，無法進(jìn)行通用化、模塊化、小型化設(shè)計；
    (6)測試設(shè)備復(fù)雜，長線傳輸存在串?dāng)_、感性負(fù)載影響等各種問題，電磁兼容試驗故障隔離困難。

2 國內(nèi)外光纖通訊總線及應(yīng)用情況簡介
    光纖通訊是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通訊方式。數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光纖、光接收機(jī)、光連接器組成。目前光纖通訊已建立多種軍用標(biāo)準(zhǔn)，并在各類武器系統(tǒng)中應(yīng)用。
    (1)MIL-STD-1773總線：支持光纖傳輸，1988年美國防部頒布，是MIL-STD-1553的光纖版本，頂層協(xié)議與MIL-STD-1553相同，已應(yīng)用于美軍航空、航天、海軍、F-18、山貓等飛機(jī)；
    (2)AS4074-2總線：1988年美國自動工程師協(xié)會頒布，光纖分布式數(shù)據(jù)接口，具有定時令牌協(xié)議特性，為環(huán)形網(wǎng)，可以動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，主要應(yīng)用于海軍；
    (3)STANAG3910總線：歐洲標(biāo)準(zhǔn)，光纖傳輸，傳輸速率20 Mb／s，指令響應(yīng)協(xié)議；應(yīng)用戰(zhàn)機(jī)EFA、RAFALE；
    (4)SFODB標(biāo)準(zhǔn)總線：又稱為IEE1393標(biāo)準(zhǔn)，NASA和美國防部頒布，支持最低200 Mb／s，應(yīng)用于美國航天，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由主控端和通訊端口兩部分組成；
    (5)Fiber Channel：又名光纖通道，美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會頒布，通訊速率為133 Mb／s～4 Gb／s，2007年形成FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn)，可以與MIL-STD-1553橋接映射；應(yīng)用于Apache，B1，U2，F(xiàn)15升級型等；
    (6)而國內(nèi)在航空方面也制定了相應(yīng)的光纖總線標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)FC-AE-1553。
    通過以上可以看出，光纖通訊已經(jīng)在國外的軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)光纖通訊已應(yīng)用于地面車輛、火箭、飛機(jī)等領(lǐng)域，同時應(yīng)用光纖作為物理層映射1394、1553等多種高速總線的方式也不斷出現(xiàn)。因此光纖通訊必定是未來軍事領(lǐng)域高速有線通訊的首選方式。
    目前各種基于光纖通訊的標(biāo)準(zhǔn)中拓?fù)湫问?、通訊協(xié)議、通訊方式多樣，由于協(xié)議復(fù)雜，通訊量大，對物理層及信息處理能力要求很高?？湛諏?dǎo)彈內(nèi)外通訊相對信息量少，且處理器運(yùn)算能力有限，如果將這些協(xié)議直接應(yīng)用到空空導(dǎo)彈系統(tǒng)中，會給空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計帶來很大困難，同時造成資源浪費。因此必須設(shè)計適合空空導(dǎo)彈自身的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的硬件系統(tǒng)。

3 空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)光纖通訊總線系統(tǒng)設(shè)計
3．1 通訊方式設(shè)計
    控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)的通訊方式?jīng)Q定了硬件系統(tǒng)的構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)對外通訊可以采用遍尋方式和隨機(jī)中斷方式，這要根據(jù)飛控系統(tǒng)的工作模式和通訊需求來決定。
    隨機(jī)中斷方式是現(xiàn)行飛控系統(tǒng)的通訊方式，與各系統(tǒng)可以隨時通訊，在光路上、電路上信息可以同時存在，響應(yīng)時間快，控制系統(tǒng)不必不停地對其他系統(tǒng)進(jìn)行訪問。若仍采用中斷方式，在光路、連接器、電路上均要將各路分開設(shè)計，因此硬件資源開銷很大，不利于未來小型化、低成本設(shè)計，因此不建議采用。
    飛控系統(tǒng)對外通訊數(shù)據(jù)量不是很大，相對控制系統(tǒng)控制對外訪問周期來說，信息傳輸時間可以忽略，因此為遍尋方式提供了基礎(chǔ)。
    采用遍尋方式時，飛控系統(tǒng)作為主控端負(fù)責(zé)發(fā)起通訊，各系統(tǒng)在無飛控指令的情況下不能對飛控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)在每個周期內(nèi)對各系統(tǒng)進(jìn)行順序訪問，也可多次訪問，發(fā)送指令、數(shù)據(jù)或者查詢分系統(tǒng)是否有發(fā)送數(shù)據(jù)請求或其他任務(wù)要求，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。采用遍尋方式優(yōu)點足：可以共用信息調(diào)理電路、降低FPGA規(guī)模要求和編程難度，便于小型化設(shè)計；缺點是當(dāng)其他系統(tǒng)有緊急通訊需求時，響應(yīng)時間將會滯后，因此飛控系統(tǒng)須對外須高速遍尋，才能解決這個問題。
3．2 通訊協(xié)議設(shè)計
    飛控系統(tǒng)相對載機(jī)是一個分系統(tǒng)，因此總線形式要服從載機(jī)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的通訊標(biāo)準(zhǔn)中，與載機(jī)通訊主要是1533B總線，而FC-AE-1553是載機(jī)懸掛通訊的發(fā)展方向，因此選用FC-AE-1553總線協(xié)議是惟一選擇，因此不再詳細(xì)論述。
    空空導(dǎo)彈各分系統(tǒng)內(nèi)部空間非常有限，信息處理電路不易太復(fù)雜、太昂貴。若空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊完全采用FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn)，則對各系統(tǒng)硬件設(shè)計帶來困難，成本將大大增加。在光纖物理層上根據(jù)實際情況映射其他總線協(xié)議或者自行制定簡單易行的通訊協(xié)議，可以作為空空導(dǎo)彈內(nèi)部通訊的一種方式。
    制定通訊協(xié)議要考慮以下幾個方面：
    (1)模塊化：FPGA和軟件設(shè)計盡量可以模塊化，編程簡單，可復(fù)制共用，檢查、檢驗方便；
    (2)擴(kuò)展性：同樣的硬件，隨意擴(kuò)展通汛協(xié)議，增加或者減少功能，滿足產(chǎn)品研制過程中的更改，尤其是產(chǎn)品研制后期，硬件已驗證充分，狀態(tài)固化，軟件更改是許多功能更高的首選方式，因此協(xié)議的擴(kuò)展性和調(diào)整性必須要考慮；
    (3)自測性：通信協(xié)議一定要考慮通訊過程中誤碼、亂碼的識別和剔除，因此必須具備自校驗功能；
    (4)可移植性：因為不同系統(tǒng)的科技進(jìn)步速度不同，因此產(chǎn)品的升級和算法的借用經(jīng)常發(fā)生，因此通訊協(xié)議要適合多種硬件系統(tǒng)，方便移植。
    基于以上四方面考慮，結(jié)合實際情況和未來發(fā)展需求，并借鑒成熟總線協(xié)議，制定了適合空空導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的總線協(xié)議方式。通訊協(xié)議分為兩層：軟協(xié)議和硬協(xié)議，軟協(xié)議是飛控系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間處理功能的協(xié)議，由飛控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)，根據(jù)產(chǎn)品的具體功能自行定義；
硬協(xié)議主要是實現(xiàn)系統(tǒng)間信息傳輸功能，由FPGA或者專用芯片實現(xiàn)。硬協(xié)議屬于底層協(xié)議，直接與物理層結(jié)合，本文的協(xié)議設(shè)計指硬協(xié)議設(shè)計。
    通訊協(xié)議采用數(shù)據(jù)幀的方式，一幀數(shù)據(jù)包含如下內(nèi)容：幀號、地址、模式代碼、幀數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)字、校驗字，如圖2所示。

    幀號：在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以根據(jù)數(shù)量的大小分組傳輸，一組數(shù)據(jù)為1幀，為后續(xù)發(fā)展和升級預(yù)留空間。在高實時性、突發(fā)中斷較多、大數(shù)據(jù)量情況下，此方式可以提供更多的數(shù)據(jù)打包方式；
    地址：代表發(fā)送和接收的分系統(tǒng)地址，依據(jù)地址可以判斷當(dāng)前通訊的終端；通過此種地址方式，可以實現(xiàn)組網(wǎng)、點對點等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)可以根據(jù)地址判斷數(shù)據(jù)是否來源，并確定數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給本系統(tǒng)；
    模式代碼(也可為命令代碼)：發(fā)送命令、接收命令、狀態(tài)字、廣播方式，方便不同條件下的使用；
    幀數(shù)據(jù)長度：當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)字的個數(shù)，根據(jù)不同的系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展空間，設(shè)置字長上限，可根據(jù)實際情況隨意設(shè)置；
    數(shù)據(jù)字：通訊數(shù)據(jù)，可自行設(shè)置含義；
    校驗字：可根據(jù)實際情況選擇校驗方式，比如和校驗、差校驗、奇偶校驗等，可由系統(tǒng)間協(xié)議自行制定。
    此協(xié)議與1553B總線通訊比較接近，將3種字合并在一幀數(shù)據(jù)中，降低了FPGA的設(shè)計難度，在實現(xiàn)協(xié)議的時候依據(jù)地址和幀數(shù)據(jù)長度來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，根據(jù)命令發(fā)送數(shù)據(jù)，其余功能均由軟件來實現(xiàn)，給軟件設(shè)計帶來多種選擇。
3．3 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    如果采用遍尋方式，則總線系統(tǒng)上同時只能有一種數(shù)據(jù)存在，這樣硬件系統(tǒng)設(shè)計就很簡單，可以大大減少硬件資源的開銷，可以做到小型化的設(shè)計，原理如圖3所示。

    其中DSP負(fù)責(zé)飛控系統(tǒng)導(dǎo)航制導(dǎo)、穩(wěn)定、時序調(diào)度等各種運(yùn)算；FPGA負(fù)責(zé)與DSP進(jìn)行信息交換、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、1553B的終端接收協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能；
    相對載機(jī)來說導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)是一個終端，而相對于彈內(nèi)來說控制系統(tǒng)是總控端，因此為了避免與載機(jī)光路干擾，彈內(nèi)外在光路上進(jìn)行隔離，采用專用的信息處理電路、光路與載機(jī)通訊。
    彈內(nèi)采用自定義通用通訊協(xié)議，因此采用一路雙向處理電路對信號進(jìn)行調(diào)理驅(qū)動，對外是1個光纖連接器和1個分光器，由分光器將一路光信號分為多路，隨著型號的發(fā)展、對外系統(tǒng)的增加，可以通過更換分光器和軟件來實現(xiàn)，控制系統(tǒng)內(nèi)部硬件系統(tǒng)不需進(jìn)行更改。因此此方案具備通用性，若各類空空導(dǎo)彈均采用此方式，則控制系統(tǒng)的通用化將成為可能，將大大提高設(shè)計效率，降低成本。
3．4 光通路設(shè)計要求
    光通路主要包括光纖、光分路器、光連接器、光收發(fā)電路幾個方面。
    控制系統(tǒng)光纖傳輸在應(yīng)用中有以下幾個特點和要求：
    (1)距離屬于超短距，因此光纖的損耗要求可以忽略，不受限制，對發(fā)光器的功率要求也很低；
    (2)在光路中不會同時出現(xiàn)多路信息共存，因此單模、多模光纖均可采用；對光收發(fā)模塊的激光頻率漂移等參數(shù)要求不高；
    (3)環(huán)境條件要求苛刻且可靠性要求高，對于空空導(dǎo)彈來說，環(huán)境使用要求和可靠性要求是最基本的要求，也是各種新技術(shù)、新材料在應(yīng)用過程中要克服的主要困難。同時對溫度、振動、沖擊、氣壓、高濕等條件均有嚴(yán)格要求。
    光纖選擇：光纖按材料分主要有全塑光纖、石英光纖。石英光纖在長距離通信中已占主導(dǎo)地位，其損耗低，適合長距離傳輸，但是因芯徑小，在μm級別，連接中要求較高的對準(zhǔn)精度，從而給連接帶來不便，成本較高；而聚合物光纖(POF)具備高信噪比、連接方便、重量
輕、可靠性好、價格低廉的特點，且滿足工業(yè)級要求，因此選用聚合物光纖作為傳輸介質(zhì)；
    光連接器：光纖連接器在選擇中主要考慮連接的可靠性和多次插拔的要求，連接須滿足大過載情況下的可靠連接，比如20倍重力加速情況下不能有瞬斷，插拔次數(shù)大于1000。

4 結(jié)語
    通過分析研究，應(yīng)用光纖通訊可以解決未來空空導(dǎo)彈發(fā)展面臨的電磁兼容、高速通訊、小型化、通用性等問題。根據(jù)空空導(dǎo)彈內(nèi)外通訊特點和要求，給出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議、信息交換方式、硬件系統(tǒng)原理的解決方案。