光纤通讯在空空导弹飞控系统中的应用研究

摘要：随着空空导弹的发展，给内部通讯系统提出了新的要求，比如高速、小型化、强电磁兼容性、通用化、模块化，目前使用的各种总线均存在一定的局限性。光纤通讯在军事领域已经有了一定的发展和应用，建立了一些标准。因此通过对光纤通讯在空空导弹中的应用研究，给出了物理层和协议层的解决方案。通过分析，基于光纤通讯的高速、小型、通用、模块化的通讯系统是空空导弹内部通讯系统发展的必然方向。
关键词：空空导弹；飞控系统；光纤；总线；通讯

0 引言
    空空导弹飞控系统是导弹信息处理的核心部分，担负着与弹内外通讯的功能。飞控系统与其他各系统的通讯总线形式多样，总线形式主要有一次性指令、模拟量、ARINC429总线、1553B总线、RS 422总线、LVDS总线、并行总线等，存在通讯速率低、易受电磁干扰、线缆粗重、总线形式多样、不易组网、测试设备复杂等缺点。空空导弹未来发展的方向是信息量大、传输速率高、小型化、抗强电磁干扰等，因此目前的总线方式不能满足要求。而光纤通讯随着技术的发展，已具备通讯速率高、抗电磁干扰能力强、线缆轻便、易小型化等特点，已广泛应用于各个领域。目前飞机内部已逐步形成了以光纤传输的总线系统，相应标准已建立，在载机的悬挂系统中预留了光纤接口作为未来发展的需求，而且也有许多以光纤为物理层，将其他总线协议移植到光纤总线上的应用，因此构建以光纤为物理层的总线通讯系统，制定统一合理的总线协议，是解决空空导弹发展问题的一种方法。

1 空空导弹飞控系统通讯现状及存在问题
    在空空导弹中，飞控系统肩负着导弹内外的信息交换功能，负责与载机、导引系统、遥测系统、舵控系统、卫星定位系统的信息交换，未来可能还要增加与引战系统、发动机的数字通讯功能。
1．1 通讯总线现状
    目前飞控系统与各系统交换数据的总线主要有：ARINC429总线、1553B总线、RS 422总线、LVDS总线、BMK总线等，如图1所示。

     ARINC429总线是一对单向、差分耦合、双绞屏蔽线，最高速率为100Kb／s。总线上只允许有1个发送设备，可以有多个(小于等于20个)接收设备。信息传输采用双极性归零制的三态码调制方式。每个ARINC429字由5部分组成：
    (1)标号位LABEL：用于区分字的物理含义，等同于数据帧的地址；
    (2)源目的识别位(SD)：可以用以区分多系统中的源和日的地；
    (3)数据位(DATA)：将数据编码；
    (4)符合状态位(SSM)：用以表征数据字的特性，如方向、符号等；
    (5)奇偶校验位：可以选择奇校验和偶校验；
    RS 422总线是一对单向、差分传输、双绞屏蔽线，最高速率可达10 Mb／s；总线上只允许有1个发送设备，最多10个接收设备。标准仅规定了硬件接口的电气特性，支持单点对多点的通讯方式，未规定接插件、电缆、顶层通讯协议；而实际用法为：协议约定好字数，第一个为状态字，后面是数据字，最后是校验字，为点对点通讯协议；
    LVDS总线是低压差分电流驱动总线，通信速率可达600Mb／s，信号有效电压为300 mV，在高速率通讯中电压摆幅小；由于信号电压过低，所以通讯易受干扰。LVDS总线与RS 422总线类似，主要规定了电气特性，无顶层通讯协议，在应用时自行规定通讯协议，协议与RS 422总线应用类似；
    1553B总线是数字式时分制指令／响应型多路传输数据总线，它由数据总线、远程终端、总线监视器、总线控制器组成。总线系统信息传输的控制权惟一归总线控制器所有；采用指令／响应型的异步操作；信息传输采用半双工方式；数据总线上的信息流由消息组成。1553B有完备的通讯协议，每个字由20位组成，分为命令字、数据字、状态字三种类型。其中，命令字包含以下信息：远程终端地址、发送接收状态位、子地址(或方式代码)、数据字计数(或方式代码)；数据字：根据协议自行确定或根据标准；状态字包含以下信息：远程终端地址、消息差错、测试手段、服务请求、广播指令、忙等状态；主要由位来表示；
    双口RAM是并行总线的一种形式，协议自定，根据地址来区分数据用途。
1．2 通讯方式现状
    飞控系统与各载机和各分系统的通讯方式依据任务性质的不同而不同，具体情况如下：
    (1)与导引系统：周期性、双向、双工、同步、实时性低；
    (2)与载机系统：单项或双向、异步、被动(飞控被动发送、接收)；
    (3)与GPS系统：周期、双向、双工、异步；
    (4)与舵控系统：周期、双向、异步；
    (5)与遥测系统：周期、单向(飞控主动发送)、异步；
    (6)与引战系统：双向、异步、一次性通讯；
    (7)与发动机系统：单向、异步、一次性；未来预计是双向、异步、周期性方式。
    通过上述说明，飞控系统与各系统采用独立总线，全双工通讯方式，此种通讯方式要求在硬件上每路信息都要有独立的总线协议芯片和信号调理电路，由于总线形式多样，路数多，因此硬件开销很大。
1．3 目前存在问题
    以上几种总线基本可以满足当前空空导弹研制需求，但是面对未来还存在以下几个方面的不足：
    (1)所用总线都是电介质，抗雷电、核爆、电子脉冲弹等强电磁干扰能力差，尤其是与载机通讯线缆部分外露，易受外部辐射干扰；
    (2)通讯过程中有线间干扰；
    (3)在高速比如百兆、千兆以上通讯时，易受地线、线间、外部等各种干扰，对传输线缆、端接、辐射等要求很高；
    (4)线缆粗重，不易布线，尤其是未来空空导弹小型化，内部空间小，传统金属导线线缆粗重，在弹内不易布线，结构设计困难；
    (5)总线协议、硬件构成、通讯速率不统一，硬件开销大，无法进行通用化、模块化、小型化设计；
    (6)测试设备复杂，长线传输存在串扰、感性负载影响等各种问题，电磁兼容试验故障隔离困难。

2 国内外光纤通讯总线及应用情况简介
    光纤通讯是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通讯方式。数字光纤通讯系统主要由光发射机、光纤、光接收机、光连接器组成。目前光纤通讯已建立多种军用标准，并在各类武器系统中应用。
    (1)MIL-STD-1773总线：支持光纤传输，1988年美国防部颁布，是MIL-STD-1553的光纤版本，顶层协议与MIL-STD-1553相同，已应用于美军航空、航天、海军、F-18、山猫等飞机；
    (2)AS4074-2总线：1988年美国自动工程师协会颁布，光纤分布式数据接口，具有定时令牌协议特性，为环形网，可以动态分配网络带宽，主要应用于海军；
    (3)STANAG3910总线：欧洲标准，光纤传输，传输速率20 Mb／s，指令响应协议；应用战机EFA、RAFALE；
    (4)SFODB标准总线：又称为IEE1393标准，NASA和美国防部颁布，支持最低200 Mb／s，应用于美国航天，采用环形拓扑结构，由主控端和通讯端口两部分组成；
    (5)Fiber Channel：又名光纤通道，美国国家标准委员会颁布，通讯速率为133 Mb／s～4 Gb／s，2007年形成FC-AE-1553标准，可以与MIL-STD-1553桥接映射；应用于Apache，B1，U2，F15升级型等；
    (6)而国内在航空方面也制定了相应的光纤总线标准，对应FC-AE-1553。
    通过以上可以看出，光纤通讯已经在国外的军工领域广泛应用，在国内光纤通讯已应用于地面车辆、火箭、飞机等领域，同时应用光纤作为物理层映射1394、1553等多种高速总线的方式也不断出现。因此光纤通讯必定是未来军事领域高速有线通讯的首选方式。
    目前各种基于光纤通讯的标准中拓扑形式、通讯协议、通讯方式多样，由于协议复杂，通讯量大，对物理层及信息处理能力要求很高。空空导弹内外通讯相对信息量少，且处理器运算能力有限，如果将这些协议直接应用到空空导弹系统中，会给空空导弹飞控系统硬件设计带来很大困难，同时造成资源浪费。因此必须设计适合空空导弹自身的总线拓扑结构和通讯协议，并在此基础上设计合理的硬件系统。

3 空空导弹飞控系统光纤通讯总线系统设计
3．1 通讯方式设计
    控制系统与各系统的通讯方式决定了硬件系统的构成。控制系统对外通讯可以采用遍寻方式和随机中断方式，这要根据飞控系统的工作模式和通讯需求来决定。
    随机中断方式是现行飞控系统的通讯方式，与各系统可以随时通讯，在光路上、电路上信息可以同时存在，响应时间快，控制系统不必不停地对其他系统进行访问。若仍采用中断方式，在光路、连接器、电路上均要将各路分开设计，因此硬件资源开销很大，不利于未来小型化、低成本设计，因此不建议采用。
    飞控系统对外通讯数据量不是很大，相对控制系统控制对外访问周期来说，信息传输时间可以忽略，因此为遍寻方式提供了基础。
    采用遍寻方式时，飞控系统作为主控端负责发起通讯，各系统在无飞控指令的情况下不能对飞控系统发送数据。控制系统在每个周期内对各系统进行顺序访问，也可多次访问，发送指令、数据或者查询分系统是否有发送数据请求或其他任务要求，然后进行相应处理。采用遍寻方式优点足：可以共用信息调理电路、降低FPGA规模要求和编程难度，便于小型化设计；缺点是当其他系统有紧急通讯需求时，响应时间将会滞后，因此飞控系统须对外须高速遍寻，才能解决这个问题。
3．2 通讯协议设计
    飞控系统相对载机是一个分系统，因此总线形式要服从载机的通讯标准。在现有的通讯标准中，与载机通讯主要是1533B总线，而FC-AE-1553是载机悬挂通讯的发展方向，因此选用FC-AE-1553总线协议是惟一选择，因此不再详细论述。
    空空导弹各分系统内部空间非常有限，信息处理电路不易太复杂、太昂贵。若空空导弹内部通讯完全采用FC-AE-1553标准，则对各系统硬件设计带来困难，成本将大大增加。在光纤物理层上根据实际情况映射其他总线协议或者自行制定简单易行的通讯协议，可以作为空空导弹内部通讯的一种方式。
    制定通讯协议要考虑以下几个方面：
    (1)模块化：FPGA和软件设计尽量可以模块化，编程简单，可复制共用，检查、检验方便；
    (2)扩展性：同样的硬件，随意扩展通汛协议，增加或者减少功能，满足产品研制过程中的更改，尤其是产品研制后期，硬件已验证充分，状态固化，软件更改是许多功能更高的首选方式，因此协议的扩展性和调整性必须要考虑；
    (3)自测性：通信协议一定要考虑通讯过程中误码、乱码的识别和剔除，因此必须具备自校验功能；
    (4)可移植性：因为不同系统的科技进步速度不同，因此产品的升级和算法的借用经常发生，因此通讯协议要适合多种硬件系统，方便移植。
    基于以上四方面考虑，结合实际情况和未来发展需求，并借鉴成熟总线协议，制定了适合空空导弹飞控系统的总线协议方式。通讯协议分为两层：软协议和硬协议，软协议是飞控系统与各系统之间处理功能的协议，由飞控系统软件实现，根据产品的具体功能自行定义；
硬协议主要是实现系统间信息传输功能，由FPGA或者专用芯片实现。硬协议属于底层协议，直接与物理层结合，本文的协议设计指硬协议设计。
    通讯协议采用数据帧的方式，一帧数据包含如下内容：帧号、地址、模式代码、帧数据长度、数据字、校验字，如图2所示。

    帧号：在数据传输过程中可以根据数量的大小分组传输，一组数据为1帧，为后续发展和升级预留空间。在高实时性、突发中断较多、大数据量情况下，此方式可以提供更多的数据打包方式；
    地址：代表发送和接收的分系统地址，依据地址可以判断当前通讯的终端；通过此种地址方式，可以实现组网、点对点等拓扑结构，各系统可以根据地址判断数据是否来源，并确定数据是否是发送给本系统；
    模式代码(也可为命令代码)：发送命令、接收命令、状态字、广播方式，方便不同条件下的使用；
    帧数据长度：当前一帧数据字的个数，根据不同的系统未来技术发展空间，设置字长上限，可根据实际情况随意设置；
    数据字：通讯数据，可自行设置含义；
    校验字：可根据实际情况选择校验方式，比如和校验、差校验、奇偶校验等，可由系统间协议自行制定。
    此协议与1553B总线通讯比较接近，将3种字合并在一帧数据中，降低了FPGA的设计难度，在实现协议的时候依据地址和帧数据长度来对数据进行编码、解码，根据命令发送数据，其余功能均由软件来实现，给软件设计带来多种选择。
3．3 硬件系统设计
    如果采用遍寻方式，则总线系统上同时只能有一种数据存在，这样硬件系统设计就很简单，可以大大减少硬件资源的开销，可以做到小型化的设计，原理如图3所示。

    其中DSP负责飞控系统导航制导、稳定、时序调度等各种运算；FPGA负责与DSP进行信息交换、通讯协议转换、1553B的终端接收协议转换、数据转存等功能；
    相对载机来说导弹的控制系统是一个终端，而相对于弹内来说控制系统是总控端，因此为了避免与载机光路干扰，弹内外在光路上进行隔离，采用专用的信息处理电路、光路与载机通讯。
    弹内采用自定义通用通讯协议，因此采用一路双向处理电路对信号进行调理驱动，对外是1个光纤连接器和1个分光器，由分光器将一路光信号分为多路，随着型号的发展、对外系统的增加，可以通过更换分光器和软件来实现，控制系统内部硬件系统不需进行更改。因此此方案具备通用性，若各类空空导弹均采用此方式，则控制系统的通用化将成为可能，将大大提高设计效率，降低成本。
3．4 光通路设计要求
    光通路主要包括光纤、光分路器、光连接器、光收发电路几个方面。
    控制系统光纤传输在应用中有以下几个特点和要求：
    (1)距离属于超短距，因此光纤的损耗要求可以忽略，不受限制，对发光器的功率要求也很低；
    (2)在光路中不会同时出现多路信息共存，因此单模、多模光纤均可采用；对光收发模块的激光频率漂移等参数要求不高；
    (3)环境条件要求苛刻且可靠性要求高，对于空空导弹来说，环境使用要求和可靠性要求是最基本的要求，也是各种新技术、新材料在应用过程中要克服的主要困难。同时对温度、振动、冲击、气压、高湿等条件均有严格要求。
    光纤选择：光纤按材料分主要有全塑光纤、石英光纤。石英光纤在长距离通信中已占主导地位，其损耗低，适合长距离传输，但是因芯径小，在μm级别，连接中要求较高的对准精度，从而给连接带来不便，成本较高；而聚合物光纤(POF)具备高信噪比、连接方便、重量
轻、可靠性好、价格低廉的特点，且满足工业级要求，因此选用聚合物光纤作为传输介质；
    光连接器：光纤连接器在选择中主要考虑连接的可靠性和多次插拔的要求，连接须满足大过载情况下的可靠连接，比如20倍重力加速情况下不能有瞬断，插拔次数大于1000。

4 结语
    通过分析研究，应用光纤通讯可以解决未来空空导弹发展面临的电磁兼容、高速通讯、小型化、通用性等问题。根据空空导弹内外通讯特点和要求，给出了拓扑结构、通讯协议、信息交换方式、硬件系统原理的解决方案。