一种GNC控制高性能计算与通信数据链一体机及控制方法与流程

本技术属于飞行器控制，尤其是涉及一种一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机及控制方法。

背景技术：

1、小型无人机、巡飞平台和其他飞行器装备通常同时配置飞控计算机、导航计算机、任务计算机以及独立通信数据链设备。不同设备分别具有处理器、存储器、电源转换电路、外部连接器和散热结构，设备之间通过以太网、串行总线或离散接口交换状态和控制数据。该分离式架构占用设备安装空间，整机堆叠后系统体积、外形尺寸大，难以适配微型巡飞弹、小型飞行器狭小载荷安装空间；硬件资源大量重复冗余，整机总功耗偏高；设备时钟、处理逻辑相互独立，无法实现制导-导航-控制（guidance-navigation-control，gnc）飞行状态与数据链通信状态实时联动，链路干扰、飞行器姿态变化时无法自适应调整工作参数，编队协同与抗干扰性能受限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术旨在提出一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机及控制方法，在同一机载设备内集成gnc计算、基带处理、射频收发和组网通信，并使飞行控制与通信链路控制基于同一状态快照进行协同决策和关联执行，能够在有限算力、功率和飞行安全约束下，将gnc控制资源和通信控制资源作为同一链路风险下的可替代或可联合资源，完成候选生成、预测评估、安全筛选、关联执行和反馈校正。

2、为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：

3、本技术提供一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机，包括设置于同一壳体内的基带板和射频板，基带板包括融合片上系统，融合片上系统包括处理系统分区和可编程逻辑分区，射频板设有与可编程逻辑分区连接的射频收发链路；处理系统分区被配置为获取飞行状态数据和由可编程逻辑分区形成的通信状态数据，基于同一决策周期内的飞行状态数据和通信状态数据形成状态快照，针对状态快照生成至少包括射频单独调整候选、gnc单独调整候选和gnc与射频联合调整候选的多个控制候选，对各控制候选进行候选链路状态预测和飞行安全约束筛选，从通过筛选的控制候选中确定目标控制候选，并将目标控制候选中的gnc控制量和射频控制量封装为具有关联生效关系的联合控制事务；处理系统分区和可编程逻辑分区分别对联合控制事务进行执行条件检查，并在检查通过时按照关联生效关系执行对应的gnc控制量和射频控制量；处理系统分区还被配置为根据携带联合控制事务的决策标识的执行反馈，对候选链路状态预测结果进行验证，并根据验证结果更新后续决策周期使用的链路预测参数或重新生成控制候选。

4、由此，通过在同一机载设备内集成gnc计算、基带处理、射频收发和组网通信，并使飞行控制与通信链路控制基于同一状态快照进行协同决策和关联执行，实现了将gnc控制资源和通信控制资源作为同一链路风险下的可替代或可联合资源，避免通信链路控制与飞行控制相互独立导致的局部最优或控制冲突，提高了动态干扰环境下多节点跳频参数更新的一致性；并使链路预测能够利用实际执行结果进行受约束校正。

5、进一步的，处理系统分区用于执行gnc解算、状态快照生成、控制候选生成、安全约束判断、联合控制事务管理和链路预测参数更新；可编程逻辑分区用于执行基带调制解调、信道编解码、跳频控制、时分多址组网、链路测量、射频控制量预检查和射频控制量加载；处理系统分区与可编程逻辑分区通过片内高速总线和结构化共享存储区交换数据，共享存储区中的每一状态快照和控制事务均包括版本标识、时间戳、有效标识和完整性校验信息。

6、进一步的，飞行状态数据至少包括位置、速度、姿态、角速度、剩余能源和飞行安全约束集合；通信状态数据至少包括接收信号强度、信噪比、误包率、往返时延、同步偏差、功率检波值、锁相状态、频点占用状态和数据时龄中的两种以上。

7、进一步的，处理系统分区根据基础链路余量、测量波动程度、姿态引起的天线方向图损耗、同步偏差、数据时龄和链路裕量变化趋势确定用于控制候选生成的有效链路余量，并在数据时龄超过阈值或测量置信度不足时限制航迹控制权限。

8、进一步的，射频单独调整候选的可调整量包括发射功率、调制编码方式、接收增益、业务速率和跳频集合中的至少一种；gnc单独调整候选的可调整量包括航向、高度、速度和允许姿态量中的至少一种；gnc与射频联合调整候选包括至少一个射频单独调整候选的可调整量和至少一个gnc单独调整候选的可调整量；当射频单独调整候选、gnc单独调整候选和gnc与射频联合调整候选均不可行时，生成降级候选；其中，降级候选包括返航、悬停、中继保持或非关键业务降级。

9、进一步的，候选链路状态预测包括：根据控制候选对应的候选航迹确定预测时域内的节点距离和候选姿态，根据节点距离确定路径损耗，根据候选姿态查询天线方向图以确定姿态损耗，并结合候选发射功率、干扰损耗、实现损耗及候选调制编码方式对应的最低接收功率，得到控制候选在预测时域内的预测链路裕量；飞行安全约束筛选用于剔除违反飞行包线、避障约束、禁飞区约束、任务走廊约束、能源约束、功率约束、温度约束或频谱许可约束的控制候选。

10、进一步的，对通过飞行安全约束筛选的控制候选按照分层选择规则确定目标控制候选，分层选择规则包括：优先选择在预测时域内满足安全链路门限的控制候选；在满足安全链路门限的控制候选中，优先选择相对于当前任务航迹和当前射频配置的改变量较小的控制候选；在改变量满足预设接近条件时，再根据预测断链风险、航迹偏差、增量能耗、配置切换次数和非关键业务降级程度中的至少两项进行比较。

11、进一步的，联合控制事务至少包括决策标识、状态快照版本、通信配置版本、gnc控制量、射频控制量、通信生效帧、关联控制周期、事务有效期和完整性校验值；处理系统分区用于对gnc控制量执行飞行安全预检查，可编程逻辑分区用于对射频控制量执行功率、温度、锁相、频点及帧资源预检查；当两侧预检查均通过时，在通信生效帧加载射频控制量并在关联控制周期执行gnc控制量，当状态快照过期、版本不连续、完整性校验失败、任一侧预检查失败或事务超时时，保持上一有效的gnc控制量与射频控制量组合。

12、进一步的，执行反馈至少包括实际gnc控制量、实际姿态、功率检波值、锁相状态、实际通信配置版本、误包率和执行后的实测链路裕量；处理系统分区根据实测链路裕量与对应控制候选的预测链路裕量之间的残差，对姿态损耗修正量、路径损耗参数、实现损耗或同步惩罚量中的至少一种进行有界更新，并仅在执行反馈完整、链路测量有效且干扰状态未发生突变时允许有界更新；处理系统分区还按照快速时间尺度、中速时间尺度和慢速时间尺度分别控制功率微调、调制编码或业务分配调整以及航迹调整。

13、进一步的，可编程逻辑分区还被配置为根据多个频点的接收能量、误包率、占用持续时间和最近使用时间确定频点质量，基于频点质量形成候选跳频集合；为候选跳频集合设置新版本号和未来生效帧，在准备阶段广播候选跳频集合的摘要、新版本号和未来生效帧，并在确认节点满足预设确认条件后广播提交消息，以使各节点在未来生效帧同步切换，在未满足预设确认条件、摘要校验失败或生效前同步偏差超过阈值时取消切换并继续使用旧版本跳频集合。

14、本技术还提供了一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机的控制方法，包括：获取同一决策周期内的飞行状态数据和通信状态数据并形成状态快照；针对状态快照生成射频单独调整候选、gnc单独调整候选以及gnc与射频联合调整候选；对各控制候选进行预测时域内的候选链路状态预测，并基于飞行安全约束和射频安全约束剔除不可行的控制候选；从剩余控制候选中按照安全链路门限优先和改变量较小优先的规则确定目标控制候选；将目标控制候选中的gnc控制量与射频控制量封装为具有关联生效关系的联合控制事务；分别对gnc控制量和射频控制量进行执行条件检查，在检查均通过时按照关联生效关系执行gnc控制量和射频控制量，并在检查未通过时保持上一有效控制组合；获取携带联合控制事务的决策标识的执行反馈，对候选链路状态预测结果进行验证，并根据验证结果更新后续决策周期使用的链路预测参数或重新生成控制候选。

15、本技术还提供了一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现上述一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机的控制方法的步骤。

16、本技术还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时实现上述一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机的控制方法的步骤。

17、本技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机的控制方法的步骤。

18、本技术的一种gnc控制高性能计算与通信数据链一体机及控制方法通过使用同一融合片上系统和片内共享存储区承载gnc与通信处理，能够减少重复处理器、存储器、外部连接器和线束，并缩短跨设备数据传输路径；通过射频单独调整、gnc单独调整和联合调整候选在同一预测口径下比较，且飞行安全硬约束先于链路性能优化，可以避免为了提高通信收益而违反避障、飞行包线要求；通过采用最小干预选择时，在射频侧能够恢复链路的情况下不改变任务航迹；仅当射频侧受功率、温度或频谱条件限制时才开放gnc调整，从而降低不必要的航迹偏差和飞行能耗；通过通过联合控制事务绑定状态版本、gnc控制量、射频控制量及其关联生效时刻，能够降低处理系统分区（ps）和可编程逻辑分区（pl）依据不同状态分别执行所导致的跨域控制失配；通过利用执行反馈修正链路预测模型，可以使后续候选评估逐步适应实际机体安装、遮挡和天线方向图误差，同时通过更新条件、步长上限和参数边界避免异常测量污染模型；通过跳频参数采用新版本、未来生效帧、节点确认和旧版本回退机制，可降低动态频点更新期间多节点参数不一致导致的临时失联风险。