引信电子安全系统的发展_孙晓波

引信电子安全系统的发展孙晓波,曹旭平,李世义,李　杰(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)摘　要:首先对国外电子安全系统的发展进行了系统概述,介绍了电子安全系统的结构组成;其次对电子安全系统的技术应用进行了分析,重点介绍了环境信息识别的类型及应用;最后对其发展的有关技术问题进行了讨论。

关键词:电子安全系统;环境信息;冲击片雷管;引信制导一体化中图分类号:TJ 43　文献标识码:A 文章编号:1008-1194(2003)02-0046-040　引言现代战争作战环境日益复杂,对武器系统的性能提出了更高的要求。

为了达到“武器系统整体效能最优”,各子系统之间的功能渗透、信息融合更为积极主动。

新型定向战斗部与多功能战斗部的研制,使得ESAD 功能得到进一步的扩展,ESAD 的应用将日趋广泛。

1　国外的发展电子安全系统自20世纪70年代在美国首次公开以来,引起了国内外引信界的普遍关注。

电子安全系统在国外的发展大体可以概括为三个阶段:概念形成阶段、理论和技术成熟阶段和功能扩展阶段。

1.1　概念形成阶段1976年美国劳伦斯・利沃莫尔国家实验室的约翰・斯特劳斯于美国战备协会弹药技术部引信分部年会上公布了一种新型雷管——slapper 雷管。

此种雷管又被称作EFI (exploding fo il initiator ),能用高压能量(J 量级)起爆内装的纯感炸药。

此能量很难在自然环境中重现,所以其安全性高,可靠性高。

电子安全系统便是以此为核心部件建立起来的。

80年代初由美国Sandia 国家实验室和Harr y Diamm and 实验室提出了系统组成的一般模式。

采用两个物理独立控制芯片、三个能量隔离开关实现冗余保险,至今仍作为电子安全系统研究的基本框架。

1.2　理论和技术成熟阶段80年代末90年代初,微电子半导体技术的飞速发展,使得电子元器件集成度大幅提高,成本稳步下降。

ESA 的设计思想和设计专利不断提出,从而推动了ESA 系统的发展和成熟。

1985年由S .E .fow ler 发表的专利——“自检解保发火控制器”,采用微处理器和一组逻辑网络用于状态控制,使得电子安全机构的安全性和可靠性从技术实现上达到了所要求的水平。

1991年由Will 等发表的“模块化电子安全与解保装置”,对电子安全机构的通用化进行了研究。

使用标准的电路机构,将装置模块化,分为逻辑模块、通用的电压控制模块和通用的高能发火模块。

逻辑模块是采用时序逻辑设计和只读存储器状态机。

1993年Hunter 发表的——“通用电子安全与解保系统”,将专用集成电路(ASIC )引入电子安全装置,用于状态控制。

将一些分立的逻辑器件,如智能与门、锁存器、指令解保寄存器、可编程计数器等集成到一块芯片内,提高了系统集成度,提高了通用性,从而可以针对不同的武器系统,选用不同的I/O 接口电路,进行应用。

　第25卷第2期2003年6月探测与控制学报Journal of Detection &C ontrol Vol.25.No.2Jun.2003X 收稿日期:2002-12-01作者简介:孙晓波(1978—),男,山东潍坊人,北京理工大学机电工程学院在读研究生,研究方向为电子安全系统。

1.3　功能扩展阶段在近几年美国引信年会上,M EMS 技术的引入,可编程逻辑器件的运用,以及制导引信一体化(GIF)思想的指导,使得ESAD 向着微型化、低成本以及应用于更加广泛的武器系统发展。

在1999年美国第43届年会上,SANDIA 国家实验室的VictorC.Rimkus 就电子安全与解保装置的微型化发展做了介绍,指出了ESAD 的发展方向——微型化、低成本,以便将来应用于迫弹、反坦克导弹,使电子安全系统彻底低成本化,已经启用的技术包括:低能冲击片雷管、固态高压开关、高压陶瓷电容,电子元件功能日益强大,体积缩小。

他们研制了ESAD-FY 系列,1997年FY97型的体积为:18.4cm 3(1.25in 3),到1999年FY 99型已将体积缩小到12.3cm 3(0.75in 3)。

2　ESA D 环境信息分析环境信息识别,即如何将预定发射周期内所规定的环境激励与非环境激励或非正常发射环境激励正确地区分开,是电子安全系统设计的一个重点,包含两方面设计:一是如何从环境信息中提取出用作解除保险的环境信号,如何确定此信号的有效性和完整性;二是解除保险决策过程的建立,从而正常启动解保过程。

2.1　环境信号类型对于发射周期内多种环境信息,解除保险信号的选择取决于传感器输入的有效性,信号的独立性以及达到预期安全性合成的能力。

其目的是要从独立的信息源中为引信选择输入信号,这些信息源显示了武器的独特飞行环境,主要分为载机接口信息源(如离架信号)、弹药自己产生信号源(如过载信号)和制导系统计算机产生的控制信号(合成信号或智能信号)。

第一类信号主要是敏感环境信息的传感器未滤波或未处理的原始信息,同时还包括一些单路的电压阶跃信号。

此类型在引信设计中被普遍采用。

第二类信号主要是武器系统发射环境下产生的具有一定动态特性的信号,如由涡轮机上的电动机所产生的信号、尾翼打开信号、助推器脱落信号等等。

这类信号需具备一定的安全特性,能像其他解保激励信号特征一样,检测并验证时间相关特性。

选用这类信号取决于其信号特征是否唯一以及其动态特性是如何产生的。

第三类信号实际上是通过弹上计算机产生的动态信号,如计算机自产生定时信号等。

因为安全特性无法对产生此类信号的计算机程序的输入信号进行有效性判断,所以一般不应使用这种信号。

这种信号仅在无其他可用的环境信号时使用。

第四类信号主要是指电子安全系统通过编码信息验证其有效性的合成信号。

如必须使用远程传感器时,且预期信号特性不可检验时,使用这种附加复杂装置是必要的。

第五类信号因其可用于将来分散装定、子弹药应用以及指令解保装置而具有唯一性,如解保指令、目标基信息等。

信号的安全特性已经在外部作用模块得到验证,通过编码确保在发送、传输和接收过程中的有效性。

2.2　信号传输的安全性与可靠性对于不同的电子安全机构设计,其结构设计显得相对重要时,环境信息传感器的位置会相应变化,从而导致环境信号类型的不同,信号传输的安全性和可靠性也会不同。

下面对两种典型结构分别进行分析。

图1是传统电子安全系统的结构,也体现了传统机械安全系统设计的思想:由电子安全机构内部的环境传感器确定外部环境信号的有效性和完整性是最好的方法。

电子安全系统本身包含着作为引信组件一部分的环境传感器,它不依靠灵巧武器的其他任何部分来决定是否解除保险。

引信唯一的输入信号是来自于制导计算机的数据链接,因而具有较高的可靠性和安全性。

存在的问题是造成弹上资源的浪费,以及机构设计成本的提高。

图2所示系统结构中,传感器位于制导部分,电子安全系统与制导计算机共用传感器。

指导计算机47孙晓波等:引信电子安全系统的发展对来自环境传感器的独特信息进行编码,产生第四类型环境信号,电子安全系统依照附加信息或通讯协议对环境信号的完整性和有效性进行验证。

这种方法提高了资源利用率,应使用编码信号进行传输,同时对编码技术安全性和可靠性要求更高,以避免制导计算机误操作产生环境编码信号。

图1　传统电子安全系统——传感器位于安全系统图2　计算机处理后的环境信息(独特编码)3　安全与解除保险决策及实现方式在环境信息识别的基础上,解除保险决策的设计是安全系统研究的关键。

电子安全系统的解除保险逻辑是基于多个环境激励识别的决策,通常从导弹上取弹上电源、离架信号等信号作为启动决策信号。

解除保险程序启动后,电子安全系统依靠控制芯片强大的状态控制能力,对于发射后才产生的具有一定特点的多个环境信号,以及制导计算机一些状态转换指令,有着相当严格的逻辑要求以及时序判断确保弹道安全。

一旦某信号出现不正常或环境信号之间发生时序上的混乱,就转入故障保险状态,锁死解除保险程序,转入瞎火或自炸等故障模式。

图3　模式Ⅰ图4　模式Ⅱ3.1　安全与解除保险逻辑实际设计中,电子安全系统采用三个环境激励控制三个保险开关解除保险逻辑方式。

现举两种比较典型的逻辑模式,对其安全性进行分析。

如图3模式I,环境激励1出现使开关K 1闭合,环境激励2在K 1闭合之后出现,并且在$t 时间窗内出现才能使K 2闭合。

环境激励3在K 2之后出现使K 3闭合。

三个开关闭合有先后顺序,且三个环境激励的出现也有先后顺序。

表1　二种逻辑模式的概率结构模式解除保险概率P Ⅰ 6.05×10-9Ⅱ 6.04×10-11如图4模式Ⅱ,环境激励1和2共同作用闭合电子开关K 1,环境激励2和3共同作用闭合开关K 2和K 3,其中激励1和激励2、激励2和激励3之间加时间窗$t 控制。

对于上述两种安全与状态转换逻辑模式,计算的解除保险概率见表1。

通过以上的分析,可以得出,同样三个环境信息,三个电子开关,不同的解除保险逻辑结构,系统解除保险的概率不同。

模式Ⅱ的解除保险概率明显低于模式Ⅰ。

3.2　状态控制电路的实现解除保险逻辑用状态控制电路实现,状态控制电路的硬件实现主要分为两类:以专用集成电路(ASIC)为主的硬件控制器和以微处理器(L C)为主的软件控制器两种,它们各有长处。

在完成系统逻辑48探测与控制学报设计、功能扩展、环境信息处理和系统自检等任务时,硬件控制器在状态监测、运行速度、抗干扰能力、可靠性设计、系统集成度和潜在成本等方面,ASIC 有明显的优势。

而以微处理器为主的软件控制器在适应背景要求,变换控制过程等方面有一定的优势。

但是微处理器的软件安全性与可靠性检测与评估是一件复杂的事,在电子安全系统中需慎重使用。

可编程逻辑器件(CPLD /FPGA )可以说是ASIC 的一个重要分支,具有集成度高、可重复编程、设计灵活方便等特点,大大缩短了设计周期,降低了设计成本,作为ASIC 的替代品,在电子安全系统中也得到应用。

CPLD (Complex Pr ogram mable Logic Dev ice )实现的工艺有EPROM 技术、闪烁EPROM 技术和E 2PROM 技术,可实现重复擦写,无需外部ROM 。

其内部结构采用连续互联方式,即用固定长度的金属线实现逻辑单元之间的互联。

这种连续互联结构能够方便地预测设计时序,保证了CPLD 的高速性能。

因而CPLD 在时序逻辑设计具有一定优势。

相对于CPLD ,FPGA (Field Prog rammable Gate Array )是一种触发器密集型可编程器件。

一般采用CM OS 工艺技术,基于SRAM 编程,其信息存放在外部存储器上,系统断电后编程数据将丢失。

其内部结构采用分段互联方式,具有走线灵活,便于复杂功能的多级实现,FPGA 触发器资源十分丰富,规模一般较CPLD 大,在数据处理上具有优势。