彈間協(xié)同制導(dǎo)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈集成設(shè)計(jì)方法*

蔡文龍，張爍，張偉，林金永，張春俠，董文杰

(1.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854；2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；3.中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是以網(wǎng)絡(luò)為中心的戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)外的不同武器裝備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，構(gòu)成陸、海、空、天、網(wǎng)電一體化的綜合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)體系[1-3]。現(xiàn)有導(dǎo)彈面臨信息保障、抗干擾、突防等作戰(zhàn)困境，利用體系化對(duì)抗的思想，把相同功能和不同功能的導(dǎo)彈進(jìn)行編隊(duì)和分工，通過(guò)相互協(xié)作，進(jìn)行分布式探測(cè)和信息共享，以及多彈密切配合對(duì)目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同攻擊，實(shí)現(xiàn)提高整體突防的目的，達(dá)到提高抗干擾能力和對(duì)目標(biāo)多方向的精確打擊能力的效果，將成為在體系對(duì)抗條件下的必然選擇和發(fā)展方向[4-5]。

戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的變化不但對(duì)武器裝備信息化、作戰(zhàn)保障信息化提出了要求，而且對(duì)建設(shè)適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求的一體化信息系統(tǒng)提出了迫切要求[6]。在世界范圍內(nèi)，面向任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈等跨平臺(tái)的自組網(wǎng)和衛(wèi)星輔助組網(wǎng)是信息化作戰(zhàn)的重要發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)達(dá)國(guó)家的作戰(zhàn)飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和部分導(dǎo)彈武器系統(tǒng)甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的寬帶組網(wǎng)[7]?？栈?天基平臺(tái)組網(wǎng)不僅傳輸實(shí)時(shí)的指揮、控制和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，而且還可傳輸語(yǔ)音、圖像甚至視頻等海量信息[8]。彈間協(xié)同組網(wǎng)的典型例子是俄羅斯的“花崗巖”系列導(dǎo)彈，其采用獨(dú)有的“編隊(duì)攻擊”方式，指揮彈將目標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)彈間無(wú)線通信網(wǎng)傳輸給在低空飛行的其他導(dǎo)彈，以保持低空導(dǎo)彈的隱蔽性，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的協(xié)同打擊[9-11]。美軍“戰(zhàn)斧Block4多任務(wù)導(dǎo)彈”已實(shí)現(xiàn)星彈雙向數(shù)據(jù)鏈通信，其彈上終端可實(shí)時(shí)回傳戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估數(shù)據(jù)，并接收從衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)、無(wú)人機(jī)和岸基通訊設(shè)備上發(fā)的重新確定打擊目標(biāo)命令和數(shù)據(jù)，在飛行過(guò)程中迅速改變方向，攻擊新的目標(biāo)[12]。

協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)擴(kuò)展彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈功能，可以有效解決協(xié)同信息的動(dòng)態(tài)交互與協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的閉環(huán)控制問(wèn)題[13-15]，具備以下優(yōu)勢(shì)：①可減少附加設(shè)備數(shù)量，減小對(duì)平臺(tái)的負(fù)擔(dān)并降低成本；②可減少信息流轉(zhuǎn)回路與延時(shí)，以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，降低系統(tǒng)復(fù)雜度；③可實(shí)時(shí)利用控制系統(tǒng)導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制信息，建立與飛行器間的相對(duì)位置、速度以及自身的姿態(tài)信息緊耦合的定向通信鏈路，保證系統(tǒng)性能，并提升信息安全性；④可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈自組織網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)飛行控制，完成多任務(wù)多目標(biāo)在線動(dòng)態(tài)分配、多彈協(xié)同目標(biāo)實(shí)時(shí)定位、精確目標(biāo)指示、協(xié)同抗干擾、協(xié)同攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)。

本文研究了彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈集成設(shè)計(jì)的方法，包括協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成及信息流向、自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)方案、產(chǎn)品架構(gòu)以及飛行試驗(yàn)驗(yàn)證等，可為彈群實(shí)現(xiàn)體系化協(xié)同攻擊提供基礎(chǔ)信息保障。

1 協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成與信息流向

1.1 協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成

協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成如圖1所示，它由傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)以及彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈2部分組成。傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)一般由導(dǎo)航設(shè)備、目標(biāo)敏感器、彈上信息處理與控制中心、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備以及控制系統(tǒng)軟件等組成，用來(lái)控制獨(dú)立導(dǎo)彈的飛行軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈一般由基于無(wú)線自組網(wǎng)架構(gòu)的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈彈載通信終端、自組網(wǎng)協(xié)議棧等組成。

1.2 協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)信息流

協(xié)同制導(dǎo)信息可分為2類:一類是導(dǎo)彈自主信息，包括導(dǎo)彈自行獲取、產(chǎn)生、處理、應(yīng)用的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制信息，指令信息，健康狀態(tài)信息等；另一類是導(dǎo)彈協(xié)同信息，包括遙控指令、目標(biāo)屬性(圖像、位置、數(shù)量、危險(xiǎn)等級(jí)等)、威脅環(huán)境、節(jié)點(diǎn)身份、節(jié)點(diǎn)定位及網(wǎng)絡(luò)連通等信息。

導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)信息流如圖2所示，導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)與外部節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)。其中，導(dǎo)彈自主信息通過(guò)內(nèi)部總線依次經(jīng)過(guò)彈上信息處理與控制中心、自組網(wǎng)控制器、終端處理機(jī)和收發(fā)信機(jī)，再由天線組合發(fā)送給外部節(jié)點(diǎn)。

導(dǎo)彈協(xié)同信息通過(guò)天線組合接收，再依次通過(guò)收發(fā)信機(jī)、終端處理機(jī)傳輸給自組網(wǎng)控制器，由自組網(wǎng)控制器判斷從天線組合接收到的信息是否是中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，若是中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)則回傳到天線組合轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)，若不是中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)則通過(guò)總線傳輸給彈上信息處理與控制中心進(jìn)行信息集成。

圖1 協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of missile cooperative guidance system

圖2 導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)控制系統(tǒng)信息流向Fig.2 Information flow of missile cooperative guidance system

2 彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈集成方案

2.1 數(shù)據(jù)鏈路

彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)包含彈間通信鏈路，可兼?zhèn)鋸?地通信鏈路、彈-星或彈-機(jī)通信鏈路等一類或多類，能夠?qū)崿F(xiàn)快速組網(wǎng)、可靠通信，如圖3所示。各類鏈路應(yīng)至少具備如下功能：

(1) 彈間通信鏈路，即不同導(dǎo)彈之間的通信鏈路，用于實(shí)現(xiàn)各協(xié)同作戰(zhàn)導(dǎo)彈間的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)、功能狀態(tài)、目標(biāo)信息等數(shù)據(jù)的交互、融合、共享；

(2) 通過(guò)彈、星、機(jī)、艦、地等中繼節(jié)點(diǎn)，建立彈間通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、融合、共享；

圖3 彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路組成Fig.3 Communication links of ad-hoc network data link system of missile

(3) 通過(guò)彈、星、機(jī)、艦、地等中間節(jié)點(diǎn)，或直接與指控中心之間建立通信鏈路，用于接收控制信息。

2.2 總體方案

(1) 組網(wǎng)方案

具備彈間自組網(wǎng)功能，能形成一個(gè)快速組網(wǎng)、自主式、高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的通信系統(tǒng)；一般可采用射頻綜合方法，充分利用彈上現(xiàn)有的其他無(wú)線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信功能，同時(shí)兼顧信息傳輸速率與天線口面大小等使用需求，選用合適的天線類型，如定向天線或全向天線。

(2) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及底層節(jié)點(diǎn)，滿足快速組網(wǎng)、自主式、高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求，多個(gè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中依據(jù)特定協(xié)議自主組網(wǎng)，能自主形成功能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行分層或分布式管理；網(wǎng)絡(luò)具備動(dòng)態(tài)性，允許網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)變化，節(jié)點(diǎn)能夠不斷地加入或退出；多個(gè)網(wǎng)絡(luò)能依據(jù)特定的協(xié)議進(jìn)行融合，形成一個(gè)多層網(wǎng)絡(luò)(如彈間-彈星-彈地網(wǎng)絡(luò))；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層等四層結(jié)構(gòu)。

(3) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)角色分配、頻譜分配等內(nèi)容。

(4) 組網(wǎng)接入機(jī)制

根據(jù)組網(wǎng)吞吐量、時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等要求，選擇合適的組網(wǎng)接入機(jī)制，如為保證公平性采用基于調(diào)度的組網(wǎng)接入機(jī)制，為保證時(shí)延采用基于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先級(jí)的組網(wǎng)接入機(jī)制等。

(5) 通信體制

自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通信終端需要按照使用要求選擇合適的雙工體制，如全雙工與半雙工體制，如果收發(fā)采用一個(gè)頻段，一般采用TDD半雙工體制，如果收發(fā)頻段分開，可以采用FDD全雙工體制。

(6) 時(shí)頻統(tǒng)一機(jī)制

按照任務(wù)要求完成時(shí)頻統(tǒng)一機(jī)制的設(shè)計(jì)，如采用授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)自同步等。

(7) 功能與性能

自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈方案還需考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型以及抗毀性、抗干擾、抗截獲等功能設(shè)計(jì)，以及組網(wǎng)工作時(shí)長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、通信距離、通信工作頻段和帶寬、通信數(shù)據(jù)率以及系統(tǒng)傳輸鏈路等性能設(shè)計(jì)。

2.3 彈載通信終端硬件方案

彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈彈載通信終端包括自組網(wǎng)控制器、終端處理機(jī)、收發(fā)信機(jī)以及天線組合等模塊(圖4)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)信息的收發(fā)與處理，各模塊功能如下：

(1) 自組網(wǎng)控制器一般包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和信息預(yù)處理模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及鏈路層協(xié)議等功能，應(yīng)具備高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)建立、維護(hù)與控制能力；

(2) 終端處理機(jī)主要實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議功能，一般包括由調(diào)制與解調(diào)、編碼與解碼、擴(kuò)頻與解擴(kuò)、同步等；

(3) 收發(fā)信機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上下變頻功能；

(4) 天線組合主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)發(fā)送與接收功能，一般包括天線、天線控制器、功放與低噪放等。

圖4 彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈通信終端組成Fig.4 Composition of communication terminal

自組網(wǎng)控制器一般采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)+可編程邏輯器件(FPGA)的硬件架構(gòu)；終端處理機(jī)由信號(hào)處理軟件與相應(yīng)硬件資源組成，采用可編程邏輯器件(FPGA)硬件平臺(tái)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于承載信號(hào)處理軟件的快速有效運(yùn)行；信號(hào)處理軟件完成基帶信號(hào)的計(jì)算處理，一般包含加擾解擾、信道編譯碼、組幀和幀同步、擴(kuò)頻和解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)等模塊；收發(fā)信機(jī)主要包含上下變頻模塊、頻綜等射頻功能模塊；天線組合由天線、天線控制器、功放與低噪放等組成。天線組合的設(shè)計(jì)考慮了天線形式、天線體積、波束覆蓋范圍、帶寬、駐波比、極化方式(如圓極化還需考慮軸比)、波束指向及誤差、天線增益、等效各向同性輻射功率(EIRP)、品質(zhì)因數(shù)(G/T)、接收功率等因素。

2.4 協(xié)議棧與算法

自組網(wǎng)協(xié)議棧一般包括4個(gè)層次：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層。協(xié)議層次安排及相互間關(guān)系如圖5所示。

圖5 協(xié)議棧模型Fig.5 The communication protocol stack

(1) 應(yīng)用層

應(yīng)用層根據(jù)面向協(xié)同飛行控制的體系協(xié)同信息應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)執(zhí)行飛行時(shí)序流程、基于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度機(jī)制的協(xié)議模型，設(shè)計(jì)指控指令、目標(biāo)圖像、協(xié)同制導(dǎo)信息的交換與融合以及波束指向及互鎖等算法。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)管理與網(wǎng)絡(luò)路由等功能。網(wǎng)絡(luò)管理主要根據(jù)入/退網(wǎng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間、時(shí)延等要求，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)建立/關(guān)閉、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)(重新配置、新節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入、節(jié)點(diǎn)的退出等)等算法；網(wǎng)絡(luò)路由主要設(shè)計(jì)采用的路由策略與算法等，為源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送建立一條或多條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。

(3) 鏈路層

鏈路層主要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)控制與邏輯鏈路控制等功能。介質(zhì)訪問(wèn)控制根據(jù)系統(tǒng)連通性、資源分配、吞吐量及時(shí)延等要求，設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)式、預(yù)約式或混合式的媒體訪問(wèn)控制方法，將有限的資源分配給多個(gè)用戶，從而使得在眾多用戶之間實(shí)現(xiàn)公平、有效地共享有限的帶寬資源；實(shí)現(xiàn)各用戶間良好的連通性，獲得盡可能高的系統(tǒng)吞吐量、以及盡可能低的系統(tǒng)時(shí)延。邏輯鏈路控制一般包括數(shù)據(jù)流的復(fù)用、數(shù)據(jù)幀的檢測(cè)、分組的確認(rèn)、優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、差錯(cuò)控制和流量控制等算法設(shè)計(jì)。

(4) 物理層

物理層主要包括信息的編碼與譯碼、組幀與幀同步、擴(kuò)(跳)頻與解擴(kuò)(跳)、調(diào)制與解調(diào)、加擾與解擾等。需根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)速率和業(yè)務(wù)類型等要求，考慮編碼效率、編碼增益、編碼時(shí)延、編/譯碼器的復(fù)雜度、信道特性、干擾和噪聲等因素，選擇合適的編譯碼方式；根據(jù)數(shù)據(jù)率、時(shí)延、多普勒頻移及變化率以及業(yè)務(wù)需求等要求設(shè)計(jì)組幀方式和幀同步方法；根據(jù)需求與約束采用合適的擴(kuò)頻體制，考慮處理增益和抗干擾容限等參數(shù)；考慮頻譜效率、功率效率、誤碼率、帶寬等參數(shù)，綜合選取合適的調(diào)制解調(diào)方式；如有特殊需求，根據(jù)具體的情況設(shè)計(jì)加擾解擾控制器，一般采用偽隨機(jī)序列進(jìn)行隨機(jī)化處理，根據(jù)加擾和解擾方案的需求可采用不同的偽隨機(jī)序列。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 內(nèi)場(chǎng)測(cè)試

(1) 通信終端算法驗(yàn)證試驗(yàn)

通信終端算法驗(yàn)證試驗(yàn)包括捕獲、跟蹤、同步算法，高效編譯碼，網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)路由，介質(zhì)訪問(wèn)控制、邏輯鏈路控制等核心算法正確性及有效性的測(cè)試與驗(yàn)證。

(2) 有線對(duì)接試驗(yàn)

通過(guò)有線對(duì)接的形式，驗(yàn)證物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層協(xié)議的正確性，以及數(shù)據(jù)率、誤碼率、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等性能。

(3) 抗干擾試驗(yàn)

通過(guò)注入或輻射各種樣式的干擾，驗(yàn)證彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力。

(4) 指標(biāo)滿足性測(cè)試

按照系統(tǒng)要求構(gòu)建綜合工作環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。一般包括波形、增益、輻射功率、軸比、駐波比、多普勒頻偏適應(yīng)范圍、接收靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲系數(shù)等參數(shù)的性能測(cè)試，驗(yàn)證指標(biāo)滿足性。

(5) 微波暗室性能測(cè)試

在暗室的環(huán)境下，對(duì)自組網(wǎng)物理層、鏈路層協(xié)議以及數(shù)據(jù)鏈通信終端的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的極限工作情況和理想條件下鏈路指標(biāo)滿足性。

3.2 外場(chǎng)測(cè)試

(1) 拉距試驗(yàn)和動(dòng)中通試驗(yàn)

在外場(chǎng)多徑無(wú)遮擋或移動(dòng)通信條件下，驗(yàn)證自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作可靠性以及通信能力，包括鏈路性能指標(biāo)及余量等。

(2) 掛飛試驗(yàn)

在飛機(jī)掛飛動(dòng)態(tài)工作環(huán)境下，驗(yàn)證自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作可靠性以及通信能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈集成設(shè)計(jì)的方法，已在型號(hào)彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，可有效指導(dǎo)導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)信息組網(wǎng)及彈間自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)，為彈群體系化協(xié)同攻擊提供基礎(chǔ)信息保障。