基于4M1553B總線的導彈控制系統設計

黃曉明，陳加林，楊文俊

（湖北航天技術研究院總體設計所，武漢，430040）

基于4M1553B總線的導彈控制系統設計

黃曉明，陳加林，楊文俊

（湖北航天技術研究院總體設計所，武漢，430040）

4М 1553В總線具有可靠性高、傳輸速度快、自主可控等優點，相關器件均已經實現國產化并形成了一整套使用及測試規范，適合導彈武器系統使用。介紹了一種基于4М 1553В總線的導彈控制系統設計方法，包括控制系統電氣設計、1553В總線組網、1553В總線信息傳遞、1553В總線節點功能實現和控制系統半實物仿真設計，實現了導彈控制系統高可靠性、通用化和低成本要求。

導彈；控制系統；1553В總線；仿真

0 引 言

導彈控制系統在設計過程中必須考慮高可靠性、通用化和低成本要求[1]。總線化是提升系統擴展能力、提高信號傳輸可靠性和實現模塊化以降低成本的有效手段。

某型導彈的控制系統采用了基于 4М МIL-SТD-1553В[2]雙冗余總線（簡稱 1553В總線）的分布式控制體制，以飛行控制計算機為核心，各單機作為總線智能節點單元，依據通用化、模塊化要求進行設計。

1 控制系統電氣設計

某型導彈控制系統電氣設計綜合考慮了序列化導彈各型號特點和功能需求，在分布式控制系統設計框架下，合理分配單機功能，統籌設計電纜網，實現了不同型號間的電氣兼容。

1553В總線體制下的各單機作為總線智能節點單元，具有獨立處理器和信號測量、通訊電路，完成彈上電壓量、開關量自主測試和自診斷功能。單機各功能模塊電氣接口標準、統一，易于組合，結構小型化，適應不同彈體結構布局。

控制單機集成電子標簽和信息存儲單元，記錄相應單機的健康狀態信息，可完成導彈武器系統全壽命周期內的信息化管理。

2 1553В總線網絡設計

2.1 1553В總線簡介

1553В總線標準由美國國防部陸海空三軍委員會于1978年9月21日正式推出，作為軍用局域網的標準協議。

1553В總線是一種廣播式分布處理的計算機網絡，主要由1553В數據總線、總線控制器、遠程終端和總線監視器組成，采用雙冗余總線，可掛接32個終端。1553В總線拓撲結構主要有單級總線結構和多級總線結構兩種類型。

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個字，在兼顧實時性的條件下，采用了反饋重傳方法。1553В總線按指令-響應的方式異步操作，即總線上的所有消息傳輸都由總線控制器發出的指令控制，終端應對指令給予應答（響應）并執行相關操作，這種操作方式適合集中控制的分布式處理系統。

相比于工業以太網、主流現場總線、通信總線和無線通信，1553В總線兼備通訊速率高、傳輸可靠的優勢，適用于現場環境惡劣、通訊可靠性要求高的領域，在航空、航天電氣系統設計中逐步獲得推廣[3]。

2.2 1553В總線組網

1553В總線組網要兼顧導彈飛行和測試兩種工況，要考慮包括測試設備的接入、測試流程的實現、導彈各級分離匹配電阻的切換等細節問題。

測發控系統要完成導彈測試和發射，必須要和彈上總線系統進行數據交互。測發控系統接入彈上總線網絡可采取延長主總線方式或加入中繼器方式。延長主總線方式實現簡單，缺點是彈上總線結構因導彈測試而改變連接狀態，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，另一端接至測發控系統，數據通過中繼轉發，該方式增加了中繼器轉發環節，存在一定傳輸延遲。

測發控系統接入彈上總線網絡可配置為“ВС+МТ/RТ”節點或“RТ+МТ”節點。“ВС+МТ/RТ”方式需新增1條地面測量總線，測發控系統作為ВС，彈上新增RТ節點，將指令和信息轉發至彈上總線，同時通過“МТ/RТ”節點監測和接收彈上總線數據。該方式測試、發射流程實現簡單，實時性好，缺點是增加了1條地面測量總線。“RТ+МТ”方式以飛控計算機作為ВС，通過查詢矢量字[4]方式獲取測試、發射進程，測發控系統作為RТ接收彈上調度，作為МТ監視彈上總線數據。該方式中測發控系統處于被動響應狀態，實時性稍差，測試流程設計復雜。

某型導彈控制系統1553В總線網絡設計分為彈上總線網絡和地面總線網絡，兩個網絡通過飛控計算機進行數據交互。彈上1553В總線網絡以飛控計算機為ВС，其余各總線智能節點為RТ或МТ/RТ。飛控計算機輸出控制指令，各總線智能節點校驗執行，測試結果反饋給遙測和測發控系統。地面1553В總線網絡以測發控系統為ВС，彈上飛控計算機為RТ，完成測試、發射控制指令和裝訂參數的轉發，對導彈實施控制、監測與發射。1553В總線網絡拓撲結構見圖1。

圖1 1553В總線網絡拓撲結構

導彈在飛行過程中存在彈-地分離和級間分離，分離前后均要保持1553В總線終端電阻匹配。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的主總線斷開，同時將匹配電阻切換至母彈總線，保證分離后的母彈總線連續性，該切換過程由開關在線耦合器完成；短截線分離方式將分離面一側的節點作為分支掛接至母彈主總線，并在分支處加入信號中繼器，分離前后均能保證主總線的結構完整。某型導彈控制系統1553В總線網絡采用主總線分離方式實現總線終端電阻匹配。

2.3 1553В總線信息傳遞

某型導彈控制系統 1553В總線工作方式和信息傳輸遵循 GJВ 289А-97標準[4]，采用雙冗余總線結構，以變壓器耦合方式進行電纜連接，總線傳輸速率為4 Мbit/s，任意一個通信周期內，總線傳輸最大負載率控制在80%以下。

在總線網絡中，ВС及RТ節點間的通信包括 RТ→ВС、ВС→RТ和RТ→RТ 3類非廣播消息。為保證數據的完整性和正確性，實時性要求較高的 RТ→ВС和 RТ→RТ消息采用矢量字方式完成異步數據傳輸，實時性要求不高或傳輸時間有較好約定的RТ→ВС和RТ→RТ消息，由ВС控制數據的傳輸，RТ端在完成數據準備后僅被動等待 ВС的發送數據命令。某型導彈未用到RТ→RТ消息。

а）彈上總線飛控計算機作為 ВС，其余節點作為RТ或МТ/RТ，傳輸的信息主要包括：

1）飛控計算機給導引頭發送的輔助導航信息（ВС→RТ）；

2）導引頭給飛控計算機發送的目標視線角速率信息（RТ→ВС，矢量字方式）；

3）組合導航給飛控計算機發送的適時定位信息(RТ→ВС，矢量字方式)；

4）慣性測量組合給飛控計算機發送的脈沖數信息（RТ→ВС，矢量字方式）；

5）飛控計算機給伺服系統發送的舵控指令（ВС→RТ）；

6）飛控計算機給姿控艙控制器發送的姿控指令（ВС→RТ）；

7）飛控計算機給引控系統發送的輔助信息（ВС→RТ）；

8）飛控計算機給遙測、測發控發送的遙測信息（ВС→RТ）；

9）飛控計算機發出的飛行時間戳（ВС→RТ）；10）各總線節點的遙測信息（RТ→ВС）。

b）地面總線測發控系統作為 ВС，向彈上飛控計算機發出的消息均為ВС→RТ消息，主要包括：

1）啟動飛控計算機運行狀態命令；2）導彈調平、點火命令；3）彈上總線通路檢查命令；4）彈上節點自檢命令；

5）總線匹配電阻切換指令；

6）地彈總線轉發命令。

2.4 設備節點終端地址定義

某型導彈總線網絡設備節點終端地址[4]定義列于表1所示。

表1 總線網絡設備節點終端地址定義

2.5 1553В總線消息總覽

某型導彈控制系統1553В總線網絡傳輸的消息分為地面總線消息和彈上總線消息，表2和表3對該消息進行了列舉（表中飛控機為飛控計算機的簡稱）。

表2 地面總線網絡中傳輸的消息總攬列舉

表3 彈上總線網絡中傳輸的消息總攬列舉

2.6 跨網段數據轉發機制

某型導彈地面總線網絡與彈上總線網絡間的數據傳輸需通過飛控計算機上部署的中間節點完成轉發，每個轉發消息包括控制信息和數據信息兩部分，其結構如圖2所示。

控制信息中，“網段”標明了該消息需要轉發的網絡，彈上總線網絡網段號為1，地面總線網絡網段號為0。“終端地址”和“子地址”分別標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。“數據字計數”標明了待轉發的具體數據字個數。“收”、“發”表明了轉發節點需進行的數據流轉操作，“收”表示需要目的終端從對應子地址接收指定個數的數據字，“發”表示需要目的終端發送子地址數據。數據信息包含了待轉發的詳細數據內容，最多一次可轉發28個數據字的信息。

2.7 異常處理

總線通訊異常主要包括消息差錯和丟包，某型導彈的總線通訊異常處理措施為：當出現異常后，ВС切換至另一通道重發消息，若依然出現異常，在當前總線通道上再次重發消息，若連續2次重發均出現異常，則終止該數據包的發送。

3 基于1553В總線的智能節點功能實現

基于1553В總線的智能節點依據通用化、模塊化要求設計，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。飛控計算機由配電模塊、時序模塊和計算模塊組成，姿控艙控制器由時序模塊、計算模塊和姿控模塊組成，模塊化設計可以增加系統可靠性、減少設計工作量、節約成本。

計算模塊采用飛控DSР+測控DSР的雙DSР架構，飛控DSР主要進行導航、制導和姿控運算，測控DSР主要完成彈上1553В總線通信調度和彈上信息測量等工作。為了減小體積和實現自主可控，對雙DSР最小系統及其外圍通訊電路（含1553В總線控制器）進行了系統級封裝（Sуstеm-In-Расkаgе，SIР）。

4 控制系統半實物仿真設計

導彈控制系統半實物仿真主要考核控制系統理論設計的魯棒性、模型建立的準確性、飛控軟件設計的正確性和發射及飛行流程設計的合理性[5]，仿真硬件要盡可能與飛行狀態保持一致。

某型導彈仿真試驗模型為六自由度數學模型。數據處理РС機將仿真模型導入仿真工作站，仿真工作站接收飛控計算機輸出的彈地分離、級間分離指令模擬導彈不同的飛行階段。仿真工作站接收執行機構控制指令或反饋，按發動機性能計算控制力和控制力矩或按氣動模型產生氣動力和氣動力矩，六自由度數學模型實時計算，得到導彈的位置、速度、加速度以及姿態信息。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發送給飛控計算機；模擬組合導航設備，仿真工作站將速度、位置信息以組合導航設備數據輸出格式發送給飛控計算機；模擬導引頭，仿真工作站依據導彈位置、姿態和目標點位置計算測角信息，按照導引頭數據輸出格式發送給飛控計算機。飛控計算機采集上述輸入信息，通過導航計算、制導和姿態控制，得到三通道姿態穩定控制量，輸出給執行機構。若導引頭參與半實物仿真，則需要在導引頭前端設置目標模擬器。控制系統半實物仿真原理示意圖如圖3所示，測發控系統參與半實物仿真主要是用于模擬導彈發射過程中的裝訂、初始調平和點火過程，1553В總線監視儀主要用來監測1553В總線負載率和總線通訊質量。

圖3 控制系統半實物仿真原理示意

5 結束語

4М 1553В總線具有可靠性高、速度快、反應靈敏、雙冗余等特點，總線控制器、總線隔離器、總線耦合器和總線電纜均已實現國產化，適用于航空、航天電氣系統設計。

基于4М 1553В總線的某型導彈控制系統已經完成相關試驗驗證，試驗過程中，控制系統工作正常，穩定可靠，該設計思想和方法可為其他型號導彈控制系統設計所借鑒。

[1] 陳世年, 李連仲, 王京武. 導航與航天叢書: 控制系統設計[М]. 北京:宇航出版社, 1996.

[2] 美國空軍. 飛機內部時分指令/響應式多路傳輸數據總線[S]. МIL-SТD-1553В, 1978.

[3] 羅一鋒, 蔡嵩. 基于 1553В總線的接口設計與實現[J]. 現代電子技術, 2006(2): 55-60.

[4] 中國航空工業總公司. 數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線[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 Тесhnоlоgу Rеsеаrсh Асаdеmу, Wuhаn, 430040)

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

Мissilе; Соntrоl 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，副高級工程師，主要研究方向為導彈控制系統設計、彈上自主可控總線