天地信息一体化的飞行控制系统综合集成技术研究

董文杰 张春侠 訾乃全 周春梅 张 俊

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 1008542.北京航天自动控制研究所，北京 100854



天地信息一体化的飞行控制系统综合集成技术研究

董文杰1,2张春侠1,2訾乃全2周春梅1,2张 俊1,2

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 1008542.北京航天自动控制研究所，北京 100854

针对天地信息一体化作战模式对武器的发展需求，提出了天地信息一体化作战条件下的飞行控制模式和流程。结合天地信息一体化的技术手段研究了信息化飞行控制系统综合集成方案，通过天地静态联通试验，验证了综合集成方案的可行性。

信息一体化； 飞行控制系统； 综合集成

随着计算机网络技术的迅速发展及在军事上的应用,未来战场将是一个陆、海、空、天、电磁、网络、信息等多维联合作战体系之间的对抗，战争形式从“平台中心战”转变为“网络中心战”。网络中心战利用强大的计算机信息网络，将分布在战区内的各种探测装置、指挥控制中心和武器集成为一个统一、高效的大系统，形成天地信息一体化作战系统，从而实现战场态势和武器装备的共享。

各种弹药攻击武器作为现代战场上联合作战的重要组成部分，在联合火力突击、抗敌反制先制和抵御强敌军事干预等行动中承担极其重要的作战任务,其信息化程度直接影响战争的胜负。

为了满足天地信息一体化体系作战对武器系统的要求，必须对其进行信息化升级。而飞行控制系统是武器的核心关键系统，其信息化程度直接影响武器的信息化水平，所以研究信息化飞行控制系统综合集成技术已经成为一个迫切的需求。

1 基于天地信息一体化的武器飞行控制模式

天地信息一体化体系作战条件下的作战系统由战场侦察网、指挥控制网和武器系统网构成(如图1)。其中，战场侦察网具备对联合战场空间环境的高度感知能力，为武器作战提供战场信息和目标情报。指挥控制网接受来自战场侦察网的目标数据，生成统一的战场态势图。根据作战任务和战场态势，直接对武器系统网中的各发射节点进行控制，并通过目标毁伤信息进行打击效果评估，制定下一步的补充打击方案。武器系统网接受指挥控制网作战指令，对预定目标实施远程精确打击。

图1 天地信息一体化武器作战系统示意图

武器作为武器系统网中的重要组成部分，将引入“人在回路”的控制模式，实现武器在飞行中途接收更改打击目标的控制指令与替换的目标诸元及目标重新定位，根据预警信息采取主动和灵活的机动变轨策略，达到飞行轨迹的对敌不可预测，从而躲避敌方防御系统的探测、跟踪及拦截，其隐蔽性更强、突防效果更好、作战效能更高。

2 基于天地信息一体化的飞行控制系统综合集成方案与设计

2.1 系统集成方案

为了提升飞行控制系统的智能化和信息化以及打击效果实时评估能力，武器不仅要具备自主敏感器的信息处理和利用能力，而且要具备对外部协同信息资源如战场态势、环境威胁、动态目标和协同导航定位等信息的感知、处理和利用能力，实现控制与信息一体化，提高武器的目标探测、识别与协同作战能力。要实现这些功能必须在传统控制系统的基础上通过集成数据链终端和加解密装置，建立相应的飞行控制数据链系统加以保证。

飞行控制数据链的主要功能是实现对武器飞行的协同制导和超视距控制，实时接收通过中继平台转发的重新确定打击目标的命令和数据，掌握其飞行姿态，依据目标变化和战场态势变化信息，实施导航信息远程装载、指令接收、侦察数据与先验信息匹配、中途机动变轨和再入机动等功能，提高武器的智能化水平、协同作战能力和命中目标概率。飞行控制数据链是武器平台与信息平台相结合的典型范例，加大了指挥控制系统对武器打击过程的干预能力，使战争协同性更强、更灵活，优势更集中。

为了保证飞行控制数据链中信息传输的安全性，需要扩展控制系统的功能，在飞控计算机和数据链终端间扩展加解密信息处理机(以下简称加解密机)的功能。

加解密机在前向链路中对数据链终端设备接收处理后的遥控指令、诸元、基准图等信息进行解密后传给飞控计算机，在返向链路中对武器飞行状态、目标特性参数、目标实时图等信息进行加密后传给数据链终端设备。

飞行控制系统是一种复杂的机电系统，一般由不同规模的嵌入式系统、惯性敏感器件、执行机构和飞行软件等组成。天地信息一体化的飞行控制系统需要增加数据链终端设备、加解密机以及新的制导控制律等。为此，天地信息一体化的飞行控制系统采用基于飞控计算机的三合一综合集成方案，即针对武器小型化和集成化等发展需求，通过现有飞控计算机内部总线的通用化设计和结构改进设计，将模块化的数据链终端信息处理机和加解密机集成到飞控计算机框架内，同时将中途目标修正的制导控制模块嵌入到飞控计算机，从而实现天地信息一体化的飞行控制功能。

集成了数据链终端信息处理机和加解密机的天地信息一体化飞行控制系统组成如图2所示，其中由飞控计算机、数据链终端信息处理机和加解密机组成的核心设备为天地信息一体化控制组合。

2.2 核心控制设备的集成设计

本文主要涉及控制组合、数据链终端信息处理机、加解密机等核心控制设备的集成设计。

(1)天地信息一体化控制组合

图2 天地信息一体化飞行控制系统组成框图

为了满足飞控设备小型化的要求，将飞控计算机、数据链终端信息处理机、加解密机集成在一个物理框架内，称为控制组合。控制组合内部各模块之间采用通用的背板总线进行互联，包括数据总线、地址总线、控制总线和电源总线等；飞控计算机、数据链终端信息处理机、加解密机均设计为统一尺寸和电气互联的功能单板，由统一的二次电源插板为所有功能单板提供工作电源，每个单板与外界的信息交互通过面板连接器进行。一体化集成设计框图参见图3所示。

图3 天地信息一体化飞行控制组合集成设计示意图

集成设计后的控制组合通过改变原有飞控计算机内部各个单板的排列方向和更加集成化的设计方法与原飞控计算机体积大小保持不变，对整个控制系统的布局不会产生大的影响。与采用独立设备进行功能扩展的集成方法相比，采用本文提出的集成设计方法扩展后的控制系统不仅具备原有的飞行控制功能，还具有接收遥控指令、诸元以及回传飞行状态等信息的功能，其功能更强，体积更小，重量更轻，功耗更小。

(2)数据链终端信息处理机

数据链终端信息处理机以DSP+FPGA作为硬件实现平台，中频和基带功能部分设计成一块数据链信息处理板，嵌入到控制组合中，实现信道编码、扩频、调制和解调、解扩、译码等功能。同时，采用软件实现图像压缩算法，可对算法、压缩控制参数、应用控制参数等进行灵活的调整，满足系统应用需求。数据链中频信息处理机功能组成如图4所示。

图4 数据链中频信息处理机功能组成框图

数据链中频信息处理机包括前向和返向2个数据通路。

在前向数据通路中，通过中继平台转发的遥控指令中频模拟信号经预处理及模数转换单元进行滤波放大处理后转换成遥控指令数字信号；解扩解调译码单元对遥控指令数字信号进行解扩、解调和译码处理，将其转换成遥控指令基带信号，经差分串行通信接口由单输入信号转换成差分输出信号，该差分输出信号随后发送至加解密机进行解密处理。

在返向数据通路中，通过压缩编码和复接成帧单元，将目标图像信息进行压缩编码处理并与飞行状态信息进行复接成帧处理后发送至扩频调制编码单元，进行扩频、调制处理形成中频调制信号后，经数模转换模块，将中频调制信号转换成中频模拟信号，通过射频装置经中继平台转发至指挥控制系统。

(3)飞控嵌入式信息加解密机

控制组合内集成加解密机主要是为了确保信息的正确性和可用性，一方面对指控控制系统上传的遥控指令进行解密处理，另一方面对飞行状态信息进行加密处理。

嵌入式加解密机组成参见图5所示，主要由DSP主控制器及其外部存储器、可编程加密芯片(FPGA)、密钥芯片与相关接口芯片，以及处理软件等组成，通过双口SRAM存贮器与飞控计算机实现信息交互。嵌入式加解密机具备对报文的实时加密和解密等功能，采用端-端加密方式，对飞控计算机传输过来的飞行状态数据进行加密处理，并传输给数据链终端通过无线方式发送出去，对数据链终端接收进来的指令进行解密处理。

图5 加解密机组成框图

采用基于混沌序列的A5/1算法[3]作为嵌入式加解密机的基本加解密方法，并将该算法固化在一片FPGA芯片中，最终将此加解密芯片集成在弹载控制组合的信息处理板上，用来实现武器到指挥控制系统双向传输信息的加解密处理，确保信息传输的完整性、真实性和可用性。

在流密码中，对比E0密码、RC4密码，A5/1具有很好的安全性、易实现性，更重要是可利用VHDL编程，实现高速硬件加密传输。为了提高加密算法的复杂性和难破译性，采取混沌算法作为A5/1序列发生器的初始密钥并参与运算，混沌算法采用易于硬件实现的Logistic算法，因为混沌具有很大的初始密钥空间，而且随着不同的输入可以产生任意的类似于随机序列的输出，对初值极端敏感，输出序列接近于噪声，达到难以破译的目的。

3 基于天地信息一体化的飞行控制系统试验验证

3.1 电气综合匹配试验

天地信息一体化飞行控制系统电气综合匹配试验可以有效地验证集成飞行控制组合一体化设计方案的正确性，飞控计算机与飞控数据链终端、加解密机之间的电气接口及通信协议的正确性、协调性。检查飞行控制组合和飞控数据链终端、加解密机之间的电磁兼容性。

控制系统电气综合匹配试验系统组成主要包括飞行控制设备和地面测试设备。试验系统组成如图6所示。

3.2 天地静态连通试验

天地信息一体化飞行控制系统天地静态连通试验旨在掌握飞行控制系统与中继卫星之间的通信协议，检验控制系统与中继卫星之间的数据传输功能是否正常，并对功率、通信延迟等一些关键技术指标进行测试和摸底。其试验系统组成如图7所示。试验项目参见表1。

图6 电气综合匹配试验设备组成框图

表1 试验项目

通过天地静态联通测试，前向指令、返向状态和图像信息传输正常，系统误码率小于10-6，传输延迟小于1.5s。试验结果表明：天基飞行控制系统电气接口匹配、武器-星-地信息链路协调、工作稳定，达到了原理和功能验证的试验目的。

图7 天地信息一体化飞行控制系统天地静态连通试验系统设备连接图

4 结语

天地信息一体化飞行控制系统集成设计在传统的飞行控制系统中增加了加解密装置和数据链通信终端装置，利用中继平台实现了与地面指控中心的超视距安全通信，从而对武器实施中途改变目标和“人在回路”的控制方法。通过天地信息一体化飞行控制系统电气综合匹配试验和天地静态连通试验，验证了天地信息一体化集成控制系统的有效性，为天地信息一体化飞行控制系统的设计探索了新途径。

[1] 牛树来,刘军,霍耀仲.未来一体化联合作战条件下的综合信息系统[J].火力与指挥控制,2009,34(3):1-4.(NIU Shu-lai, LIU Jun, HUO Yao-zhong.Research on C4ISR System in the Integrated Joint Operation[J].Fire Control and Command Control，2009,34(3):1-4.)

[2] 李哲,封汉颍,徐瑞.网络中心战条件下的作战模拟研究[J].火力与指挥控制,2009,34(11):39-42.( LI Zhe, FENG Han-ying,XU Rui.Analysis of Missile Battle in the Condition of Network-Centric Warfare[J]. Fire Control and Command Control，2009,34(11):39-42.)

[3] 董文杰.飞行控制数据链密码算法研究[C].第三届中国导航、制导与控制学术会议文集,北京,2009.11.

The Research on Meta-Synthesis Technology of Flying Control System in the Space and Ground Information Integration

DONG Wenjie1,2ZHANG Chunxia1,2ZI Naiquan2ZHOU Chunmei1,2ZHANG Jun1,2

1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control， Beijing 100854, China2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Accordingtothedevelopmentofarmamentinthespaceandgroundinformationintegration,thecontrolmodeandtheflowofflightcontrolthatisunderthespaceandgroundinformationintegrationareproposed.Then,themeta-synthesisschemeofinformationizationflightcontrolsystemisresearchedanddiscussed,andthefeasibilityisvalidatedbythespaceandgroundcoupletexperimentinstaticstate.

Informationintegration；Flightcontrolsystem；Meta-synthesis

2011-10-10

董文杰(1981-)，女，内蒙古赤峰人，助理工程师，研究方向为飞行控制用嵌入式系统与飞控综合电子信息系统；张春侠(1979-)，女，河南人，工程师，研究方向为飞行器电磁脉冲效应研究及电子设备研制；訾乃全(1975-)，男，黑龙江鹤岗人，工程师，研究方向为工业工程管理；周春梅(1982-)，女，宁夏吴忠人，工程师，研究方向为数据链技术研究与应用；张 俊(1979-)，男，安徽马鞍山人，工程师，研究方向为导航、制导与控制技术。

V442

A

1006-3242(2012)03-0078-06