基于1553B總線的航電系統半實物仿真遠程級聯

■ 惠言 錢忠洋 周亞光 張剛/江蘇金陵機械制造總廠

1 半實物仿真系統

航空電子系統是現代軍用飛機信息化的核心，是信息感知、顯示處理和武器交聯中心，其性能和技術水平直接決定和影響飛機的整體性能和作戰效能。在飛機的全生命周期內，航電系統的功能、性能在研制、加改裝以及維修保障期間均有可能發生變化，如何有效評估航電系統的功能和性能是精準定位缺陷和故障、提升飛機戰斗力的重要保證。

半實物仿真通過將待測裝備加入由計算機軟件、數學模型和物理效應設備組成的仿真系統中，可有效評價裝備的性能和功能[1，2]。航電系統半實物仿真系統主要包括仿真控制中心、射頻仿真實驗室和光電仿真實驗室，具體描述如下。

1）仿真控制中心由試驗控制系統、航電裝備仿真器、配套支持設備組成[3]。試驗控制系統承擔試驗設計、任務加載、仿真管理、狀態監控和性能評估等任務；航電裝備仿真器可替代真實裝備接入航電總線，構造航電綜合試驗環境；配套支持設備指綜合試驗環境中支持測試任務執行的輔助產品，包括供電、電纜（含總線）、設備臺架等。

2）射頻仿真實驗室由微波暗室、目標生成系統、轉臺系統及相關控制計算機組成[4，5]。微波暗室為獨立空間內敷設吸波材料，形成1個近似無回波區的內場環境；目標生成系統主要由信號產生系統、目標陣列系統、陣列目標饋電系統組成，用于模擬生成雷達、電抗系統所需的目標信號，包括目標的距離、速度、微多普勒、雷達散射截面積起伏特性，以檢驗雷達、電抗系統的作戰能力；轉臺系統用于安裝雷達、電抗系統實物，通過高精度機械設備模擬載機俯仰、滾轉、航向3個姿態角的變化。

3）光電仿真實驗室由五軸轉臺、目標模擬器和圖像生成計算機組成[6]。五軸轉臺接收航電系統飛機和目標姿態數據，其中三軸部分安裝光電雷達（簡稱光雷），模擬飛行姿態，兩軸部分安裝目標模擬器并模擬目標相對運動；圖像生成計算機根據設置的場景信息生成視頻信號給目標模擬器；目標模擬器將視頻信號轉換成紅外波段光學信號，以仿真紅外目標、場景。

在航電系統的半實物仿真聯合試驗中，射頻仿真實驗室通過模擬電磁波在空間傳播的實際過程，結合雷達、電抗系統實裝構建貼近雷達、電抗系統的真實工作場景；光電仿真實驗室通過模擬目標與環境高動態紅外場景，結合光雷實裝構建可實現光電雷達真實的工作場景；仿真控制中心通過總線將雷達、光雷與其他航電子系統級聯，實現航電系統作戰效能的閉環測試。由于1553B總線通信存在距離限制[8]，超過極限距離后遠程終端將無法上線、響應超時，本文通過分析1553B總線協議，總結影響傳輸距離的原因，提出采用光電轉換和單模光纖來突破1553B總線的傳輸極限距離，實現航電設備遠程級聯。

2 1553B總線協議解析

1553B總線指符合MIL-STD-1553B標準的數據總線，具有分布處理、集中控制和實時響應等特點，MIL-STD-1553B標準由美國軍方頒布，目前已廣泛用于飛機綜合航電系統、外掛物管理系統[7]。GJB-289A總線標準[8]是MILSTD-1553B的國內標準。

2.1 總線系統組成

1553B總線系統由終端設備和傳輸介質兩部分組成，其中傳輸介質分主線和支線，為增強傳輸可靠性，航電系統通常采用A、B兩條總線，互為余度，如圖1所示。總線上的終端設備按功能差異分為總線控制器（BC）、總線監視器（BM）和遠程終端（RT），區別如下：

圖1 某型飛機航電系統總線拓撲結構

1）BC是總線系統中組織信息傳輸的設備，負責發送指令，參與數據傳輸，接收狀態響應和監控系統的狀態，在任意時刻只能有1個終端對總線系統實行控制；

2）BM是總線系統中接收并記錄傳輸信息的設備，記錄的信息可供飛行測試、維修記錄和任務分析等脫機分析使用；

3）RT是總線系統中不作為BC和BM的所有終端，響應來自BC的指令字，并按指令規定的方式進行操作。

2.2 總線數據格式及響應時間要求

1553B總線數據由20位字長的消息字組成，采用曼徹斯特編碼，位傳輸速率為1Mb/s，消息字格式包括指令字、數據字和狀態字。1553B總線的一則完整消息由指令字、數據字和狀態字組合而成，每則消息均由BC發出的指令字開始。其中對信息傳輸有響應時間要求的包括兩類：

1）BC向總線發出指令，并要求指定RT在規定時間內返回狀態字；協議要求BC測量從其傳輸的最后一個數據位中間過零點到RT返回的狀態字同步頭中間過零點的時間，當超過14μs時[8]作無響應處理；

2）BC向RT1發出接收指令，向RT2發出發送指令，RT2需在規定時間內發出狀態字及數據字；RT1在收到BC發出的接收指令后，需在54μs內收到RT2發出的有效數據字[9]，否則將作無響應處理。該時間包括BC向RT2發出發送指令字時間、RT2發出狀態字時間和RT2響應時間。因指令字和狀態字傳輸時間固定為20μs，RT2的響應時間為14μs。

響應時間由處理時間和傳輸時延組成。其中處理時間由接入總線的航電子系統決定，影響因素包括硬件電路、處理算法；傳輸時延由1553B總線的傳輸介質決定，滿足材質要求的1553B電纜傳輸延時為5.25ns/m。

2.3 總線波形失真分析

總線網絡要求以最小失真傳輸數據波形，1553B總線線纜為帶護套、雙絞屏蔽電纜，每米不少于13絞[8]，影響信號波形質量的主要失真源為反射和耗散，失真程度影響信號傳輸距離。

2.3.1反射畸變

支線電纜通過短截線直接耦合或變壓器耦合接入主線電纜，當產生的負載阻抗與總線的阻抗不匹配時造成信號反射，反射系數可通過式（1）計算。

假定數據波形的電壓幅度為V，負反射信號電壓V·Cr疊加到主信號造成衰減；傳輸信號V·Ct經短截線末端反射（ 為∞，反射系數為1）后，在主線和短截線連接點處，有V·Ct·Ct的信號傳輸到主總線上。如采用直接耦合，信號反射會不斷發生，直到瞬態能力全部被終端電阻吸收，如圖2所示；如采用變壓器耦合，通過設置變壓器匝數比、增加隔離電阻，使得支線的阻抗與主線匹配，可避免二次反射。

圖2 短截線耦合引起的反射畸變

2.3.2波形畸變

1553B雙絞屏蔽電纜存在電阻、串聯電感，線纜間存在并聯電容，會造成信號幅度和頻率衰減，引起波形畸變。

1）當曼徹斯特波形信號加載到1553B總線時，電容在波形電壓驅動下，與電纜阻抗構成了RC低通濾波。在波形傳輸過程中，高頻分量（主要集中在跳變沿）相對含量隨著傳輸距離增加逐漸減少；電纜阻抗除改變信號形狀外，還均勻衰減了信號，衰減程度與傳輸距離成正比。圖3為初始波形和耗散整形后的波形對比，在長距離傳輸后，梯形波的形狀和幅度均發生了較大變化。

圖3 與傳輸距離相關的波形失真

2）典型的1553B波形由4種基波 頻 率（1MHz、500kHz、333kHz和250kHz）加上諧波混合組成。高頻能量的衰減使得傳播波形的上升（下降）時間變長，當上升（下降）時間大于脈寬時，電壓在到達滿幅前就開始跳變，造成衰減。圖4描述了耗散對波形的影響，不同基頻的脈沖在幅度上的差異造成總線波形上的瞬間電壓偏移，從而造成波形的過零點偏移。

圖4 信號過零點偏移

3 1553B終端通信距離延長方案

3.1 改造方案

綜上分析，響應時間和波形質量（振幅、過零點偏移）會影響總線的傳輸距離。響應時間可通過修改航電產品軟件、硬件來調整，不在本文考慮范圍。波形質量可通過改變傳輸介質實現，單模光纖采用激光作為信號源，具有損耗低、抗電磁干擾能力強等優點[10]，能克服雙絞線傳輸存在的信號串擾、衰減等問題。

典型的1553B總線網路由主線、支線、變壓耦合器、終端連接器和終端電阻組成（見圖5）。總線延長可分為主線延長和支線延長，其中主線延長一方面會增加所有終端的通信時間，另一方面無法滿足航電系統終多個終端同時遠程級聯的需要。因此，只能通過對支線進行延長實現航電系統半實物仿真。

圖5 1553B總線網絡組成

1553B總線的終端通過分支線和變壓耦合器接入主總線，可對變壓耦合器的支路輸出端進行改造，將耦合器輸出的雙絞線電信號轉換為光信號，通過單模光纖實現遠距離傳輸，利用相應的光電轉換設備將光信號還原成電信號[11]，航電系統總線改造后的拓撲結構如圖6所示。

圖6 航電系統總線改造后拓撲圖

3.2 方案分析

由于光纖傳輸具有良好的屏蔽干擾能力，遠程終端改造后的1553B支線可實現遠距離通信。作為光纖通信的信號，光在介質中的傳播速度為c/n，c為真空光速，n為介質的折射率，一般光纖纖芯材料為摻鍺石英，折射率約為1.50[12]，因此光纖傳輸因距離增加產生的延時T可按式（2）計算：

式中，c為光速300m/μs，L為光纖長度，n為折射率，數據采用應答方式傳輸，故系數為2。每增加100m光纖，傳輸時間增加1μs。

由于指令字、數據字和狀態字的起始狀態不同，為確保轉換后信號的準確，需對波形進行濾波，即監測1553B信號同步頭中間的邊沿信號[13，14]，待捕獲到上升沿或下降沿且低/高電平持續時間達到同步頭長度一半時，判斷為有效的曼徹斯特波形。增加濾波后，傳輸延時按式（3）計算：

式中，常量1.5單位為μs，為同步頭半時長。傳輸延時在增加固定轉換延時3μs的基礎上，每增加100m光纖，傳輸時間增加1μs。

4 總結

本文基于光電轉換設備和單模光纖線纜提出了改造1553B航電總線的方法，終端的通信距離可以獲得一定程度的延伸，為航電系統分布式級聯奠定了基礎。在該方法中，參與內場仿真試驗的航電裝備（如雷達、光雷、電抗）利用實驗室內的轉臺、目標模擬器等設施，模擬在戰場環境下工作，通過總線和仿真網絡將試驗信息實時傳遞至仿真控制中心，完成航電系統的半實物仿真試驗。

采用光纖對1553B總線網絡進行改造時，受網絡分布和光電轉換延時影響，總線的通訊距離存在一定限制，進一步提升總線傳輸距離的方法包括減少光電轉換時間、修改所有參與通信的終端設備響應時間限制等。