光纖通訊在空空導彈飛控系統(tǒng)中的研究和應用

1．2 通訊方式現狀

飛控系統(tǒng)與各載機和各分系統(tǒng)的通訊方式依據任務性質的不同而不同，具體情況如下：
(1)與導引系統(tǒng)：周期性、雙向、雙工、同步、實時性低；
(2)與載機系統(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)動機系統(tǒng)：單向、異步、一次性；未來預計是雙向、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)議芯片和信號調理電路，由于總線形式多樣，路數多，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前空空導彈研制需求，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，抗雷電、核爆、電子脈沖彈等強電磁干擾能力差，尤其是與載機通訊線纜部分外露，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，尤其是未來空空導彈小型化，內部空間小，傳統(tǒng)金屬導線線纜粗重，在彈內不易布線，結構設計困難；
(5)總線協(xié)議、硬件構成、通訊速率不統(tǒng)一，硬件開銷大，無法進行通用化、模塊化、小型化設計；
(6)測試設備復雜，長線傳輸存在串擾、感性負載影響等各種問題，電磁兼容試驗故障隔離困難。

2 國內外光纖通訊總線及應用情況簡介

光纖通訊是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質的一種通訊方式。數字光纖通訊系統(tǒng)主要由光發(fā)射機、光纖、光接收機、光連接器組成。目前光纖通訊已建立多種軍用標準，并在各類武器系統(tǒng)中應用。
(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，已應用于美軍航空、航天、海軍、F-18、山貓等飛機；
(2)AS4074-2總線：1988年美國自動工程師協(xié)會頒布，光纖分布式數據接口，具有定時令牌協(xié)議特性，為環(huán)形網，可以動態(tài)分配網絡帶寬，主要應用于海軍；
(3)STANAG3910總線：歐洲標準，光纖傳輸，傳輸速率20 Mb／s，指令響應協(xié)議；應用戰(zhàn)機EFA、RAFALE；
(4)SFODB標準總線：又稱為IEE1393標準，NASA和美國防部頒布，支持最低200 Mb／s，應用于美國航天，采用環(huán)形拓撲結構，由主控端和通訊端口兩部分組成；
(5)Fiber Channel：又名光纖通道，美國國家標準委員會頒布，通訊速率為133 Mb／s～4 Gb／s，2007年形成FC-AE-1553標準，可以與MIL-STD-1553橋接映射；應用于APAChe，B1，U2，F15升級型等；
(6)而國內在航空方面也制定了相應的光纖總線標準，對應FC-AE-1553。

通過以上可以看出，光纖通訊已經在國外的軍工領域廣泛應用，在國內光纖通訊已應用于地面車輛、火箭、飛機等領域，同時應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。因此光纖通訊必定是未來軍事領域高速有線通訊的首選方式。

目前各種基于光纖通訊的標準中拓撲形式、通訊協(xié)議、通訊方式多樣，由于協(xié)議復雜，通訊量大，對物理層及信息處理能力要求很高。空空導彈內外通訊相對信息量少，且處理器運算能力有限，如果將這些協(xié)議直接應用到空空導彈系統(tǒng)中，會給空空導彈飛控系統(tǒng)硬件設計帶來很大困難，同時造成資源浪費。因此必須設計適合空空導彈自身的總線拓撲結構和通訊協(xié)議，并在此基礎上設計合理的硬件系統(tǒng)。

3 空空導彈飛控系統(tǒng)光纖通訊總線系統(tǒng)設計

3．1 通訊方式設計

控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)的通訊方式決定了硬件系統(tǒng)的構成?？刂葡到y(tǒng)對外通訊可以采用遍尋方式和隨機中斷方式，這要根據飛控系統(tǒng)的工作模式和通訊需求來決定。

隨機中斷方式是現行飛控系統(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，響應時間快，控制系統(tǒng)不必不停地對其他系統(tǒng)進行訪問。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計，因此硬件資源開銷很大，不利于未來小型化、低成本設計，因此不建議采用。

飛控系統(tǒng)對外通訊數據量不是很大，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。

采用遍尋方式時，飛控系統(tǒng)作為主控端負責發(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)送數據。控制系統(tǒng)在每個周期內對各系統(tǒng)進行順序訪問，也可多次訪問，發(fā)送指令、數據或者查詢分系統(tǒng)是否有發(fā)送數據請求或其他任務要求，然后進行相應處理。采用遍尋方式優(yōu)點足：可以共用信息調理電路、降低FPGA規(guī)模要求和編程難度，便于小型化設計；缺點是當其他系統(tǒng)有緊急通訊需求時，響應時間將會滯后，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)議設計

飛控系統(tǒng)相對載機是一個分系統(tǒng)，因此總線形式要服從載機的通訊標準。在現有的通訊標準中，與載機通訊主要是1533B總線，而FC-AE-1553是載機懸掛通訊的發(fā)展方向，因此選用FC-AE-1553總線協(xié)議是惟一選擇，因此不再詳細論述。

空空導彈各分系統(tǒng)內部空間非常有限，信息處理電路不易太復雜、太昂貴。若空空導彈內部通訊完全采用FC-AE-1553標準，則對各系統(tǒng)硬件設計帶來困難，成本將大大增加。在光纖物理層上根據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，可以作為空空導彈內部通訊的一種方式。

制定通訊協(xié)議要考慮以下幾個方面：
(1)模塊化：FPGA和軟件設計盡量可以模塊化，編程簡單，可復制共用，檢查、檢驗方便；
(2)擴展性：同樣的硬件，隨意擴展通汛協(xié)議，增加或者減少功能，滿足產品研制過程中的更改，尤其是產品研制后期，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)議的擴展性和調整性必須要考慮；
(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)的科技進步速度不同，因此產品的升級和算法的借用經常發(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，根據產品的具體功能自行定義；