基于無(wú)人平臺(tái)的空地導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁嘉琪，邙 強(qiáng)

（陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司，西安 710025）

0 引言

2018 年8 月，委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)遭無(wú)人機(jī)突襲。2019 年9 月，沙特油田遭多個(gè)無(wú)人機(jī)攻擊。2020 年1 月3 日，美軍無(wú)人機(jī)精確打擊伊朗指揮官。這些事件的發(fā)生，充分說(shuō)明無(wú)人機(jī)在局部精確打擊中顯示出了巨大的優(yōu)越性，目前現(xiàn)有發(fā)射控制系統(tǒng)，只能用于一種型號(hào)的載機(jī)，針對(duì)多種載機(jī)平臺(tái)增加了研發(fā)時(shí)間和成本，且只完成了基本的武器發(fā)射控制功能，如數(shù)據(jù)傳輸、武器發(fā)射等功能，由于大量數(shù)據(jù)高速計(jì)算以及通訊傳輸耗時(shí)可能造成的數(shù)據(jù)傳輸延遲，導(dǎo)致武器發(fā)射精度降低。

同種武器，面對(duì)不同的載機(jī)，適應(yīng)貫標(biāo)和非貫標(biāo)載機(jī)懸掛物接口，多種平臺(tái)兼用，對(duì)武器質(zhì)量控制、模塊化設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)定型都具有重要意義；作為武器系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)射控制系統(tǒng)如何提高武器數(shù)據(jù)傳輸精度，保障武器安全發(fā)射顯得尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)精確打擊目標(biāo)，減少研發(fā)成本，適應(yīng)各種型號(hào)無(wú)人機(jī)發(fā)射某種武器，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)某種激光制導(dǎo)空地導(dǎo)彈的發(fā)射控制系統(tǒng)，作為機(jī)載火控系統(tǒng)的重要組成部分。

1 總體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)空地導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)用于多種載機(jī)平臺(tái)與某型號(hào)空地導(dǎo)彈供電、通信，并完成武器自檢、懸掛物管理、參數(shù)裝訂以及點(diǎn)火控制等功能。

綜上，發(fā)射控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下功能：

1）與無(wú)人機(jī)相匹配的電氣接口；

2）為某空地導(dǎo)彈供電功能；

3）與載機(jī)和導(dǎo)彈通訊功能；

4）I/O 采集功能；

5）輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)功能；

6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；

7）火工品保護(hù)功能。

無(wú)人機(jī)空地導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)采用DSP 為主處理器，F(xiàn)PGA 作為協(xié)處理器。DSP 用于數(shù)據(jù)解算及流程控制，F(xiàn)PGA 用于通信接口擴(kuò)展、離散量輸出控制、數(shù)字量及模擬信號(hào)采集。整系統(tǒng)包括綜合管理模塊、1553B 通訊模塊、RS422 通訊模塊、電源模塊、點(diǎn)火模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

發(fā)射控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)包含自身電源供電系統(tǒng)，以及為每枚導(dǎo)彈空地導(dǎo)彈提供兩路可控制的供電電源。

載機(jī)有兩路電源對(duì)發(fā)控系統(tǒng)供電，供電特性符合GJB181A 中規(guī)定的直流電源特性，其代號(hào)分別為DC1（主直流1）和DC2（主直流2），供電電壓為28.5 V，組合電流為10 A。其中，DC1 為非關(guān)鍵用電，用于發(fā)控系統(tǒng)供電和彈上部件供電，DC2 為關(guān)鍵用電，用于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及電池激活，電源設(shè)計(jì)原理框圖如圖1 所示。

圖1 電源設(shè)計(jì)原理框圖

導(dǎo)彈供電要求為兩路24 V～32 V，一路為導(dǎo)彈提供控制用電，一路為導(dǎo)彈提供功率用電。

為了滿足載機(jī)GJB1188A 中關(guān)于供電電源防反、浪涌、瞬斷以及電磁兼容的要求，如圖1 所示加入防反二極管，浪涌抑制器、儲(chǔ)能電容以及濾波電路。

發(fā)控系統(tǒng)包含2 路對(duì)導(dǎo)彈供電，分別為控制供電及功率供電，其中，控制供電為外供28 V 電源經(jīng)過(guò)濾波及隔離后輸出電源，功率供電為外供28 V 濾波后輸出電源，濾波及隔離均在電源板實(shí)現(xiàn)，輸入濾波電路由共模電感、差模電感和濾波電容組成，對(duì)輸入噪聲進(jìn)行抑制，減少干擾，提高電磁兼容性能。

導(dǎo)彈供電均由MOS 驅(qū)動(dòng)器LTC4364 和MOS管IPT015 方式實(shí)現(xiàn)，其中，LTC4364 具備防反、欠壓、過(guò)流等保護(hù)功能，IPT015 的過(guò)流能力為100 A，滿足某空地導(dǎo)彈供電需求。

發(fā)控系統(tǒng)自身供電經(jīng)計(jì)算其所需功率為7.8 W，經(jīng)第一級(jí)濾波后，選用5 V，2 A 輸出DC-DC 為2 次電源，并增加差模抑制電路和濾波電路，然后將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V、1.5 V、1.2 V 等3 次電源供CPU 及其他芯片使用。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了完成大數(shù)據(jù)量的高速高精度傳輸以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)故障分析等功能，如下頁(yè)圖2 所示，控制系統(tǒng)采用TI 的DSP TMS570LS20216 為主處理器，通過(guò)EMIF 總線與FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成導(dǎo)彈流程控制，對(duì)準(zhǔn)參數(shù)傳遞，發(fā)射諸元裝訂，故障上報(bào)等功能，F(xiàn)PGA 作為協(xié)處理器，選用Xilinx 公司的Spartan-3AN 系列器件完成輸入I/O 采集，輸出控制信號(hào)，模擬數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊以及存儲(chǔ)。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2.1 USART 接口設(shè)計(jì)

發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5 路雙向隔離RS422 通訊接口，分別實(shí)現(xiàn)與載機(jī)、導(dǎo)彈數(shù)據(jù)通信。

選用ADI 公司的隔離RS422 接口芯片ADM2582E 與FPGA 共同實(shí)現(xiàn)5 路RS422 通訊功能。ADM2582E 工作電壓為+3.3 V，包含發(fā)送、接收使能控制引腳，可以直接連入FPGA 中。

發(fā)射控制系統(tǒng)的RS422 接口具備硬件自檢功能，額外增加了2 路ADM2582E，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與載機(jī)、懸掛物的422 接口自檢功能，如圖3 所示。

圖3 串口回環(huán)自檢

串口回環(huán)自檢如圖3 所示，導(dǎo)彈處于不加電狀態(tài)，導(dǎo)彈RS422 接收端口無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將自環(huán)芯片使能，從而使RS422 進(jìn)行自環(huán)測(cè)試。自檢完畢后，為保證環(huán)回芯片的發(fā)送端不會(huì)影響接收芯片正常接收，將DE 為無(wú)效狀態(tài)，使環(huán)回芯片的輸出端保持三種狀態(tài)。

2.2.2 1M 1553B 總線設(shè)計(jì)

1M 1553B 總線使用DDC 公司生產(chǎn)的BU-61580總線控制器實(shí)現(xiàn)，將曼碼調(diào)制解調(diào)模塊集成在FPGA 內(nèi)部以完成協(xié)議處理功能。電路完整實(shí)現(xiàn)了1553B 協(xié)議中規(guī)定的總線控制器（BC）、遠(yuǎn)置單元（RT）、總線監(jiān)視器（MT）協(xié)議，內(nèi)置16 K×22 bit 的存儲(chǔ)器。

載機(jī)端1553B 為總線控制器BC，發(fā)控系統(tǒng)1553B 為RT，F(xiàn)PGA 采集RT 地址信號(hào)，通過(guò)EMIF總線傳輸至DSP，完成RT 的初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、故障處理等功能。

2.2.3 輸入開(kāi)關(guān)量采集

發(fā)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)完成導(dǎo)彈分離檢測(cè)、關(guān)鍵信號(hào)監(jiān)測(cè)等功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了21 路輸入開(kāi)量采集。

選用AVAGO 公司的光耦HCPL-063L，該芯片工作電壓+3.3 V，可以直接與FPGA 的I/O 引腳相連，采樣頻率為15 MHz，SO-8 表貼封裝，輸入端發(fā)光二極管工作電流10 mA，開(kāi)關(guān)量輸入接口電路原理如圖4 所示。

圖4 開(kāi)關(guān)量輸入接口電路原理圖

2.2.4 存儲(chǔ)模塊

為了確保在大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，不影響載機(jī)、發(fā)控系統(tǒng)和導(dǎo)彈之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，選用NAND FLASH，由FGPGA 對(duì)數(shù)據(jù)包打包，寫(xiě)入以及擦除，DSP進(jìn)行存儲(chǔ)流程控制。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別為ADC 數(shù)據(jù)，RS422 總線數(shù)據(jù)，1553B 總線數(shù)據(jù)，關(guān)鍵信號(hào)等數(shù)據(jù)。

選用MT29F128G08 為存儲(chǔ)芯片，共128 Gbit，3.3 V 供電系統(tǒng)。其一共16 384 塊，每塊128 頁(yè)，在DSP 主控程序完成NandFlash 復(fù)位、頁(yè)編寫(xiě)、塊擦除、壞塊管理等功能，在執(zhí)行程序過(guò)程中無(wú)等待，只做流程判斷，滿足程序?qū)崟r(shí)性要求和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量要求。

2.3 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)主要完成火工品保護(hù)和點(diǎn)火的功能，如圖5、圖6 所示。在未收到點(diǎn)火指令時(shí)，火工品處于點(diǎn)火短路狀態(tài)，收到點(diǎn)火指令時(shí)且導(dǎo)彈流程正確時(shí)，由DSP+FPGA 控制輸出100 ms、10 A～14 A 的點(diǎn)火電流。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火示意圖

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制電磁繼電器示意圖

由于載機(jī)DC2 關(guān)鍵電壓的電流為10 A，所以利用DC-DC 進(jìn)行了降壓輸出，采用MOSFET 和電磁繼電器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)火工品保護(hù)和點(diǎn)火。當(dāng)收到點(diǎn)火指令時(shí)，首先控制電磁繼電器撤銷短路保護(hù)狀態(tài)，避免大電流通過(guò)繼電器，再控制MOS 管打開(kāi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。

3 軟件設(shè)計(jì)

發(fā)控系統(tǒng)的軟件主要完成載機(jī)平臺(tái)下對(duì)1～3枚某空地導(dǎo)彈的發(fā)射控制、參數(shù)傳遞、故障處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。軟件流程圖如圖7 所示，包含發(fā)射控制以及存儲(chǔ)控制。發(fā)射控制主要包含3 枚某導(dǎo)彈的發(fā)射控制，參數(shù)傳遞，故障處理等功能，包含初始化，導(dǎo)彈上電控制，串口數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，部件狀態(tài)查詢等功能。其關(guān)鍵部分為載機(jī)數(shù)據(jù)接收處理、導(dǎo)彈流程控制，以及導(dǎo)彈查詢及故障處理。存儲(chǔ)部分包含掉電管理，NandFlash 存儲(chǔ)控制（包含數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)、擦、壞塊管理），數(shù)據(jù)下載，索引表管理等部分。

圖7 軟件流程圖

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，保障導(dǎo)彈的對(duì)準(zhǔn)精度，整部分軟件以對(duì)準(zhǔn)參數(shù)傳遞為最高優(yōu)先級(jí)，提高導(dǎo)彈的對(duì)準(zhǔn)精度和命中精度，在無(wú)數(shù)據(jù)傳遞時(shí)進(jìn)行其他功能處理。

針對(duì)重要目標(biāo)攻擊時(shí)，軟件可以響應(yīng)多發(fā)武器連射保證目標(biāo)可靠摧毀，武器準(zhǔn)備及發(fā)射無(wú)延遲，與載機(jī)交互友好。

4 測(cè)試

4.1 1553B 總線測(cè)試

1553B 總線接線關(guān)系示意圖如圖8 所示，通過(guò)USB 轉(zhuǎn)1553B 作為模擬載機(jī)的BC，利用耦合器連接后，模擬載機(jī)進(jìn)行了1553B 總線的收發(fā)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，1553B 收發(fā)無(wú)丟幀，通訊正常。

圖8 1553B 總線接口示意圖

如圖9 所示，1553B 各引腳與FPGA 和1553B隔離變壓器相連，DSP 所有的操作都是通過(guò)EMIF總線向寄存器里讀寫(xiě)完成1553BRT 初始化，接收，發(fā)送數(shù)據(jù)。分別對(duì)硬件地址線（5 個(gè)地址線，1 個(gè)地址回線，一個(gè)奇校驗(yàn)線）進(jìn)行了測(cè)試，程序能正常讀取地址線，并配置正確。

圖9 1553BRT 地址示意圖

4.2 發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試

當(dāng)收到導(dǎo)彈發(fā)射指令時(shí)，發(fā)控系統(tǒng)判斷導(dǎo)彈準(zhǔn)備正常后進(jìn)入發(fā)射流程。測(cè)試方法為利用模擬載機(jī)系統(tǒng)使導(dǎo)彈準(zhǔn)備好，在點(diǎn)火信號(hào)兩端加入模擬火工品電阻，阻值0.3 Ω～2 Ω，功率10 W，發(fā)送導(dǎo)彈發(fā)射指令，火工品兩端輸出波形見(jiàn)圖10，可以看出輸出電壓6.5 V，持續(xù)100 ms 的脈沖，此時(shí)輸出電流為13 A，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖10 火工品點(diǎn)火波形圖

4.3 整系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

利用示波器監(jiān)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)發(fā)送至導(dǎo)彈的指令周期如圖11 所示，載機(jī)慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)周期40 ms。如圖12 所示，1 號(hào)為飛機(jī)數(shù)據(jù)，2 號(hào)為控制盒發(fā)送至彈上數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，控制盒收到飛機(jī)數(shù)據(jù)后，立即向?qū)椦b訂數(shù)據(jù)，裝訂周期為80 ms，處理時(shí)間為400 μs，滿足彈上傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)性要求。

圖11 載機(jī)/導(dǎo)彈串口數(shù)據(jù)周期

圖12 控制盒處理數(shù)據(jù)時(shí)間

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種通用無(wú)人機(jī)平臺(tái)空地導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)，適應(yīng)GJB1188A 規(guī)定的《飛機(jī)/懸掛物電氣連接系統(tǒng)接口需求》，可兼容兩種載機(jī)通訊接口1553B 總線和RS422 總線，只需要更換DSP 主控軟件，就可以完成多種載機(jī)平臺(tái)下某種空地導(dǎo)彈發(fā)射，保證了硬件設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了新型號(hào)的研制周期。

該型發(fā)控系統(tǒng)解決了發(fā)射控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量高精度高速傳輸?shù)膯?wèn)題，提高了導(dǎo)彈的對(duì)準(zhǔn)精度；解決了發(fā)射控制實(shí)時(shí)性高與大量飛行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)耗時(shí)長(zhǎng)之間的矛盾，存儲(chǔ)的飛行數(shù)據(jù)不僅可以獲取大量的飛行數(shù)據(jù)以便工程分析，而且可以嵌入機(jī)載火控系統(tǒng)，減少任務(wù)員的操作難度；同時(shí)系統(tǒng)解決了導(dǎo)彈狀態(tài)采集、發(fā)射流程、時(shí)序控制等關(guān)鍵問(wèn)題，提供了可靠的供電方案、控制系統(tǒng)方案、發(fā)射系統(tǒng)方案。模塊化的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)其他型號(hào)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了思路。