長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄒 瑩，王 勇，趙 欣，趙 耀

（北京航天自動(dòng)控制研究所，北京，100854）

0 引 言

在運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)研制過程中，試驗(yàn)是研制各個(gè)階段不可缺少的組成部分。對(duì)于姿態(tài)控制性能和制導(dǎo)性能的研究，僅僅依靠解析方法是不夠的，還需要進(jìn)行仿真試驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)仿真是建立在控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程試驗(yàn)，根據(jù)仿真系統(tǒng)中是否加入實(shí)物，分為數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真[1]。運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真是指在數(shù)學(xué)仿真基礎(chǔ)上，把部分?jǐn)?shù)學(xué)仿真模型用實(shí)物代替的一種實(shí)時(shí)仿真方法，又稱硬件在回路中的仿真（Hardware In The Loop Simulation，HILS）。半實(shí)物仿真比數(shù)學(xué)仿真更接近實(shí)際狀態(tài)，對(duì)運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的考核更加全面、真實(shí)有效，因此成為研究過程一個(gè)重要環(huán)節(jié)和手段[2]。

長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭是中國(guó)非常成熟的運(yùn)載火箭系列，其控制系統(tǒng)方案的不斷改進(jìn)均經(jīng)過了半實(shí)物仿真試驗(yàn)的驗(yàn)證。由于長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)箭上計(jì)算機(jī)和相關(guān)單機(jī)設(shè)備的控制信號(hào)、交互的數(shù)據(jù)存在模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)混雜的情況，使得半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中的試驗(yàn)信號(hào)流、數(shù)據(jù)流也存在模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)混雜的情況，原有集中型試驗(yàn)室布局缺點(diǎn)非常明顯，無法適應(yīng)后續(xù)的試驗(yàn)需求。因此需要構(gòu)建一套新的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，以有效避免試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)易受干擾、試驗(yàn)設(shè)備難于監(jiān)控、地面設(shè)備無法遠(yuǎn)控、試驗(yàn)過程難于監(jiān)控的問題，具備不同試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)規(guī)模狀態(tài)下，對(duì)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證的能力。

1 基于反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)

1.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)流

運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的控制信號(hào)，根據(jù)其來源可分為箭上控制信號(hào)和試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的控制信號(hào)。箭上控制信號(hào)主要來自于箭上計(jì)算機(jī)，主要用來完成對(duì)火箭的控制。試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的控制信號(hào)主要包括：控制地面專用設(shè)備工作的開機(jī)、關(guān)機(jī)指令，地面專用設(shè)備的模式狀態(tài)指令，地面專用設(shè)備的數(shù)據(jù)設(shè)置指令，仿真計(jì)算機(jī)發(fā)出的時(shí)序指令等。試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的控制信號(hào)尤其是針對(duì)地面專用設(shè)備的控制信號(hào)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，通常是試驗(yàn)開始前對(duì)地面專用設(shè)備的操作指令。

運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流，根據(jù)數(shù)據(jù)流向主要分為箭上設(shè)備向箭上計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的地面設(shè)備與仿真計(jì)算機(jī)交互的數(shù)據(jù)，以及故障仿真中由仿真計(jì)算機(jī)注入的故障信息數(shù)據(jù)、試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。

通過對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的控制信號(hào)及數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，可以將系統(tǒng)的控制信號(hào)及數(shù)據(jù)流分強(qiáng)實(shí)時(shí)性和非強(qiáng)實(shí)時(shí)性兩類。

1.2 反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)

反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是面向具有實(shí)時(shí)性要求領(lǐng)域的專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，一般采用基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享存儲(chǔ)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。它除了具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可觀測(cè)性外，還具有速度高、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、宿主機(jī)負(fù)載輕、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、支持中斷信號(hào)的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[3]。

目前，主要的共享內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品只是在性能指標(biāo)上有些差異。通用分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中采用GE公司的VMIC-5565系列產(chǎn)品。

VMIC-5565系列產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)：

a）高速易用的光纖網(wǎng)絡(luò)（2.12 G串行波特率）；

b）最多256個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的識(shí)別數(shù)，從0～255；

c）多模光纖的連接距離可達(dá)300 m，單模光纖的連接距離可達(dá)10 km；

d）動(dòng)態(tài)包的大小，從4到64字節(jié)數(shù)據(jù)；

e）傳輸率達(dá)47.1 MB/s（4個(gè)字節(jié)的包）到174 MB/s（64字節(jié)的包）；

f）64 MB或128 MB SDRAM映像內(nèi)存；

g）兩個(gè)獨(dú)立直接內(nèi)存存取（Direct Memory Access，DMA）通道；

h）通過簡(jiǎn)單的命令，網(wǎng)上任何節(jié)點(diǎn)可以對(duì)其它或所有網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生中斷；

i）錯(cuò)誤檢測(cè)以及冗余傳輸模式，用于抑制額外錯(cuò)誤；

j）處理器無系統(tǒng)開銷。

在整個(gè)運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)分布式半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中，由于運(yùn)載火箭仿真模型需要具備極高精度，因此整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)仿真數(shù)據(jù)流需要滿足傳輸?shù)脱舆t、時(shí)間確定性、傳輸可靠性這3個(gè)基本要求。共享內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品特別適用于試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

由于半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)及控制信號(hào)分為強(qiáng)實(shí)時(shí)性和非強(qiáng)實(shí)時(shí)性兩類，因此在進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，確立了以仿真機(jī)為核心的兩套試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。其中強(qiáng)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)及控制信號(hào)通過反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，非強(qiáng)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)及控制信號(hào)通過以太網(wǎng)進(jìn)行交互。系統(tǒng)兩套試驗(yàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)主要包括：仿真計(jì)算機(jī)與慣組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜、箭上控制信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸、擺角測(cè)量系統(tǒng)的輸出均在反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

以太網(wǎng)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)主要包括：仿真計(jì)算機(jī)對(duì)各級(jí)功率電源的控制信號(hào)、仿真計(jì)算機(jī)對(duì)液壓加載系統(tǒng)的控制信號(hào)，仿真控制臺(tái)對(duì)液壓加載系統(tǒng)的控制信號(hào)及監(jiān)控信號(hào)、仿真控制臺(tái)對(duì)電源陣列的控制信號(hào)及監(jiān)控信號(hào)等。

通過兩套試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)控制信號(hào)及數(shù)據(jù)流均實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字式傳輸，試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，從而解決了原有半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)混雜、信號(hào)易受干擾、很難對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控的困難。這種試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展性好，能夠很好地適應(yīng)第3代、第4代控制系統(tǒng)方案驗(yàn)證的需求[5]，尤其在進(jìn)行控制系統(tǒng)冗余方案的驗(yàn)證時(shí)，試驗(yàn)規(guī)模可根據(jù)任務(wù)需要靈活地進(jìn)行調(diào)整[6,7]。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware-in-the-loop-simulation Network Structure

2 通用分布式仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及原理

由仿真軟件實(shí)現(xiàn)箭體運(yùn)動(dòng)方程，并通過仿真計(jì)算機(jī)將慣組脈沖以數(shù)據(jù)包的形式通過光纖同時(shí)傳給慣組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)A，慣組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)B將慣組實(shí)物信號(hào)與仿真計(jì)算機(jī)經(jīng)慣組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)A的數(shù)據(jù)根據(jù)仿真軟件發(fā)送的合成指令進(jìn)行重新合成并送入箭機(jī)。箭上計(jì)算機(jī)將解算出的控制信號(hào)經(jīng)遠(yuǎn)程控制傳輸系統(tǒng)經(jīng)還原成D/A信號(hào)送伺服系統(tǒng)，由伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噴管擺動(dòng)，噴管上安裝有光柵尺線位移拉桿式傳感器、光柵碼盤式傳感器得到擺角信息，仿真計(jì)算機(jī)通過共享內(nèi)存讀取擺角測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的擺角、擺角加速度信號(hào)，并進(jìn)行擺角合成，將合成后的舵擺角代入箭體運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行解算，模擬箭體運(yùn)動(dòng)，由此構(gòu)成姿控系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理Fig.2 Hardware-in-the-loop-simulation System Schematic Diagram

整個(gè)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中由仿真機(jī)管理并控制整個(gè)仿真試驗(yàn)軟硬件系統(tǒng)，包括對(duì)試驗(yàn)流程、試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行管理，對(duì)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和處理。通過分散在轉(zhuǎn)臺(tái)間、控制間、負(fù)載間的監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)獲取半實(shí)物仿真試驗(yàn)情況，并通過大屏顯示系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而達(dá)到對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的全流程管理和監(jiān)控。

2.2 反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

在半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，仿真計(jì)算機(jī)通過反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為了有效地調(diào)度及管控共享內(nèi)存區(qū)讀寫沖突的發(fā)生，仿真計(jì)算機(jī)需要與慣組遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備、擺角測(cè)量系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互協(xié)議的設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)交互協(xié)議主要包括：數(shù)據(jù)交互的模式控制指令、基地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采用握手信號(hào)防止讀寫沖突的流程。仿真計(jì)算機(jī)的擺角采集軟件處理流程和擺角采集系統(tǒng)的軟件處理流程如圖3所示。擺角采集系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)周期為 300 μs，仿真計(jì)算機(jī)采集的頻率為1 ms，可以保證仿真軟件讀取的擺角信息滿足需要。

圖3 數(shù)據(jù)交互協(xié)議Fig.3 Data Interaction Protocol

2.3 分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的靜態(tài)增益

試驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)增益測(cè)試是一種分析半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)所引入干擾和誤差對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)影響的方法，試驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)增益偏差越小，半實(shí)物仿真的試驗(yàn)結(jié)果就越接近運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況。其測(cè)試方法為通過飛行軟件分別將俯仰、偏航、滾動(dòng)通道的姿態(tài)角偏差置為一個(gè)合理的角度，并進(jìn)行俯仰、偏航、滾動(dòng)主通道的校正網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，箭上計(jì)算機(jī)將輸出控制指令控制伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過擺角測(cè)量系統(tǒng)使仿真軟件獲得伺服機(jī)構(gòu)的擺角，采集到的擺角為實(shí)測(cè)值，最終通過將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較得出試驗(yàn)系統(tǒng)的靜態(tài)增益誤差。

原有半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混雜，在復(fù)雜試驗(yàn)室環(huán)境下，試驗(yàn)系統(tǒng)的增益測(cè)試結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)靜態(tài)增益偏差在±4%左右。

圖4 系統(tǒng)靜態(tài)增益Fig.4 System Static Gain Test

分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，由于采用全數(shù)字量傳輸，相對(duì)于原有試驗(yàn)系統(tǒng)中信號(hào)所受的干擾更小。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)增益偏差小于±2.0%，分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)增益測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在測(cè)試穩(wěn)定的相同時(shí)間段內(nèi)，整個(gè)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)所受的干擾更小。

圖5 系統(tǒng)靜態(tài)增益Fig.5 System Static Gain Test

2.4 半實(shí)物仿真全試驗(yàn)流程的自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)

在運(yùn)載火箭半實(shí)物仿真中由于參試設(shè)備非常多，試驗(yàn)流程又非常復(fù)雜，因此半實(shí)物仿真試驗(yàn)的全流程無人員操作自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)一直是個(gè)難點(diǎn)。在分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用仿真計(jì)算機(jī)通過UDP指令與各級(jí)電源設(shè)備中繼電器單元進(jìn)行通訊的方式，通過對(duì)電源的控制達(dá)到對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的起、?？刂?，仿真軟件中將試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置及仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件操作流程相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了全試驗(yàn)流程的自動(dòng)運(yùn)行，其軟件流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行軟件流程Fig.6 Automated Running Software Flow

3 結(jié) 論

長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭分布式全數(shù)字半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，已經(jīng)完成了某狀態(tài)半實(shí)物仿真試驗(yàn)，取得了良好的效果。使用兩套試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)的全數(shù)字量傳輸及試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)控，具備對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和試驗(yàn)應(yīng)急處理的技術(shù)條件。半實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)采集、傳輸、還原，電氣特性和原信號(hào)一致，該仿真系統(tǒng)穩(wěn)定、易監(jiān)控、不易受干擾、系統(tǒng)重復(fù)性好，仿真結(jié)果置信度高。采用控制間的集中遠(yuǎn)控方式及遠(yuǎn)程設(shè)備故障自動(dòng)警示功能，減少了 30%的參試人員數(shù)量，降低了試驗(yàn)的人力成本。由于仿真流程能對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)各地面單機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，因此實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物全仿真試驗(yàn)流程的自動(dòng)運(yùn)行。仿真系統(tǒng)控制信號(hào)及數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，使遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備更具備通用性，能夠在多個(gè)運(yùn)載型號(hào)之間共用。長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭全數(shù)字量傳輸?shù)脑囼?yàn)系統(tǒng)解決了分布式跨域協(xié)同仿真中全數(shù)字信號(hào)傳輸及遠(yuǎn)控系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)難點(diǎn)。