基于快速原型的空空導(dǎo)彈總體測試技術(shù)研究

劉鑫　崔顥　馬秋

摘要：? ? ? 針對空空導(dǎo)彈傳統(tǒng)測試方法的弊端，設(shè)計了一種基于快速原型的空空導(dǎo)彈總體性能驗證系統(tǒng)， 介紹了總體性能快速原型驗證系統(tǒng)的軟硬件組成、 設(shè)計思想以及實際應(yīng)用中的各種測試模式。 該系統(tǒng)利用快速原型的方法， 實現(xiàn)了虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)的互相連接， 解決導(dǎo)彈性能測試與驗證的覆蓋度和測試深度， 提高總體集成效率， 提升總體性能試驗?zāi)芰退健?最后對該系統(tǒng)的特點與難點以及解決方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：? ? ?導(dǎo)彈武器系統(tǒng); 快速原型; 實時性; VPM（虛擬樣機(jī)）; 測試技術(shù)

中圖分類號：? ? ? TJ760.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0064-07

0引言

當(dāng)前， 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展速度越來越快， 其開發(fā)和研究的困難程度也越來越高， 而日益復(fù)雜的國際大環(huán)境又對武器的研制周期提出了更加苛刻的要求， 這一要求與武器系統(tǒng)技術(shù)的全面性和復(fù)雜性之間產(chǎn)生了突出的矛盾， 所以設(shè)計、 實現(xiàn)、 測試、 生產(chǎn)同時進(jìn)行的并行工程[1-3]在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展中將處于越來越重要的地位。

武器系統(tǒng)的發(fā)展[4-5]對導(dǎo)彈總體研發(fā)能力提出了較高的要求， 多種新技術(shù)應(yīng)用也對導(dǎo)彈總體設(shè)計及驗證能力帶來了新的挑戰(zhàn)。 如何提升設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率、 縮短設(shè)計周期是型號成功研制必須解決的問題。 導(dǎo)彈性能[6-7]驗證是設(shè)計工作中較為重要的一個環(huán)節(jié)， 其驗證工作更是制約研制周期的瓶頸之一。 目前， 對于測試人員而言， 導(dǎo)彈系統(tǒng)測試缺乏方便而又快捷的途徑， 傳統(tǒng)測試耗時、 費力。? 當(dāng)武器系統(tǒng)的某一組件或分系統(tǒng)生產(chǎn)完成后， 而其他組件或者分系統(tǒng)還在科研或者生產(chǎn)階段不能夠構(gòu)成一個完整的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)， 亦或者是無法找到相應(yīng)實物， 就難以進(jìn)行早期的全彈總體性能測試。 為此， 本文采用快速原型方法， 對導(dǎo)彈的總體測試技術(shù)開展研究。

1快速原型技術(shù)

1.1快速原型概念及發(fā)展現(xiàn)狀

快速原型概念最開始在工業(yè)制造以及機(jī)械加工中產(chǎn)生， 而后應(yīng)用在軟件工程學(xué)方面， 并在電子技術(shù)領(lǐng)域擁有了新的涵義。? 在實際產(chǎn)品的研發(fā)早期， 快速構(gòu)建產(chǎn)品各組件的數(shù)學(xué)模型， 然后通過多次的實驗， 對所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型測試仿真， 從而驗證早期系統(tǒng)的軟硬件方案是否可行， 最后對代碼進(jìn)行生成以及下載， 這就是整個快速原型研發(fā)的全過程[8]。

快速原型概念是20世紀(jì)90年代由國外汽車公司創(chuàng)新性提出。 當(dāng)時美國福特汽車公司出于降低車用控制器的研制成本及時間， 首次提出了快速原型的設(shè)計思想， 并將這一設(shè)計思想應(yīng)用到其產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)上。 快速原型的優(yōu)勢在于減少產(chǎn)品的開發(fā)時間以控制產(chǎn)品的研制成本， 所以很多國外商業(yè)公司開始了對快速原型的研究， 并且很快推出了快速原型實時仿真的開發(fā)軟件， 例如Opal-RT公司開發(fā)的RT_LAB， dSPACE公司開發(fā)的dSPACE等。 其中由于RT_LAB的接口具有良好兼容性及可擴(kuò)展性， 其應(yīng)用也越來越廣泛[8]。

1.2國內(nèi)快速原型研究現(xiàn)狀

國內(nèi)快速原型開展的時間比較晚， 主要進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的研究。 清華大學(xué)使用快速原型來測試無刷直流電機(jī)， 并進(jìn)行了基于MATLAB的車用快速原型軟件平臺的研究和實現(xiàn)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用快速原型開發(fā)出六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)， 并設(shè)計基于dSPACE的衛(wèi)星控制實時仿真系統(tǒng)。 西北工業(yè)大學(xué)分析了快速原型的概念及其與虛擬樣機(jī)的區(qū)別和聯(lián)系， 并設(shè)計了針對飛行控制系統(tǒng)的快速原型方案。 同濟(jì)大學(xué)建立了以RTLinux（AReal-Time Linux）為實時操作系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)。 上海交通大學(xué)介紹了xPC目標(biāo)以及基于xPC的快速原型設(shè)計方法， 并介紹了dSPACE實時系統(tǒng)以及基于dSPACE的快速原型設(shè)計方法， 同時介紹了RT-LAB快速控制原型在隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用。 南京航天航空大學(xué)提出了直升機(jī)飛行動力學(xué)建模和飛行控制設(shè)計環(huán)境集成的想法[8]。

可以看出， 雖然國內(nèi)快速原型的研究起步比較晚， 但是由于快速原型在航空航天領(lǐng)域的重要意義， 國內(nèi)各個高校紛紛加快了快速原型的研究和探索， 并且在快速原型針對目標(biāo)實時仿真方面取得了不錯的發(fā)展。

2導(dǎo)彈總體快速原型系統(tǒng)

導(dǎo)彈總體性能快速原型驗證系統(tǒng)是在現(xiàn)有成熟的虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上， 實現(xiàn)真實物理樣機(jī)與仿真模型的快速交聯(lián)。 在單個或多個組件設(shè)計完成后， 或者在設(shè)計技術(shù)狀態(tài)更改后， 快速原型驗證系統(tǒng)可迅速完成設(shè)計驗證， 對可能存在的設(shè)計缺陷進(jìn)行識別并完成風(fēng)險評估， 極大地提高了總體集成效率， 縮短了研制周期。

總體性能快速原型驗證系統(tǒng)利用快速原型的方法， 打通性能虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)接口， 實現(xiàn)性能設(shè)計和性能測試的綜合、 技術(shù)狀態(tài)設(shè)計與技術(shù)狀態(tài)驗證的閉合， 解決導(dǎo)彈性能測試與驗證的覆蓋度和測試深度， 提高總體集成效率、 提升總體性能測試水平。

導(dǎo)彈總體性能快速原型驗證系統(tǒng)將半實物仿真與產(chǎn)品測試相結(jié)合。 未來將用于導(dǎo)彈單個或多個組件及全彈的功能、 性能驗證， 完成全彈系統(tǒng)聯(lián)試、 故障或問題的早期識別及定位， 進(jìn)而快速驗證和評估導(dǎo)彈總體性能是否滿足設(shè)計要求。

3導(dǎo)彈總體快速原型的實現(xiàn)

航空兵器2020年第27卷第2期劉鑫， 等： 基于快速原型的空空導(dǎo)彈總體測試技術(shù)研究導(dǎo)彈總體性能快速原型開發(fā)平臺是為快速構(gòu)建滿足功能和性能要求的軟硬件提供環(huán)境支撐， 實現(xiàn)全彈原型樣機(jī)、 算法快速原型、 硬件在回路實時仿真三種不同層次的仿真應(yīng)用[9]。 具體實現(xiàn)方式如圖1所示。

（1）? 算法快速原型

（1） 控制管理程序

用于完成系統(tǒng)工作模式控制、 試驗條件設(shè)置、 外部模型程序調(diào)度、 系統(tǒng)自檢、 試驗狀態(tài)監(jiān)控。

（2） 模型計算程序

模型計算程序指模擬真實使用情況運用所需的各種數(shù)學(xué)模型， 主要包括： 載機(jī)模型計算程序、 目標(biāo)模型計算程序; 導(dǎo)引頭模型計算程序、 導(dǎo)彈目標(biāo)相對運動學(xué)模型、 飛控模型計算程序、 導(dǎo)彈動力學(xué)運動學(xué)模型、 引信模型、 數(shù)據(jù)鏈模型、 舵機(jī)模型、 傳感器模型等。

（3） 數(shù)據(jù)管理及試驗分析程序

對各種試驗信息、 試驗結(jié)果存儲管理， 以及對試驗結(jié)果進(jìn)行分析判讀。

4系統(tǒng)實現(xiàn)的若干問題

4.1設(shè)計思想

4.1.1基于VMIC網(wǎng)絡(luò)的仿真與測試

為快速構(gòu)建仿真測試系統(tǒng)， 基于VPM軟件或者M(jìn)ATLAB/Simulink構(gòu)建實時快速原型， 提高測試深度， 通過接入VMIC網(wǎng)絡(luò)的兩臺計算機(jī)共同來實現(xiàn)。 分布式快速原型驗證系統(tǒng)如圖3所示。

考慮到模型的繼承性， 本系統(tǒng)通過引入RTX系統(tǒng)， 對VPM進(jìn)行實時性改造， 使其能夠基于現(xiàn)有模型構(gòu)成實時仿真能力。

同時， 提供基于Simulink實時化方案。 采用商業(yè)軟件Higale構(gòu)建快速原型， 其仿真模型直接下載到下位機(jī)實時運行， 直接控制數(shù)據(jù)采集板卡， 模擬彈上組件。

基于圖3的架構(gòu)， 通過NI實時測控前端， 與參試產(chǎn)品連接， 根據(jù)發(fā)控流程， 向產(chǎn)品產(chǎn)生激勵信號并采集產(chǎn)品的輸出， 激勵信號從VMIC讀取， 該信號來自于VPM快速原型實時仿真機(jī); 采集的產(chǎn)品輸出信號寫入VMIC網(wǎng)絡(luò)， 由運行在工作站內(nèi)的VPM快速原型程序讀取。 不同的測試構(gòu)型需要不同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)， 其過程如圖4所示。

4.1.2PXI主控計算機(jī)的多重設(shè)計

本文的快速原型驗證系統(tǒng)設(shè)計， 是基于成熟的VPM軟件實時化改造和Simulink商業(yè)軟件共同完成驗證系統(tǒng)的搭建。 系統(tǒng)也支持Simulink軟件獨立完成快速原型驗證任務(wù)， 即不再由VPM軟件產(chǎn)生模型數(shù)據(jù)， 通過Simulink環(huán)境中建立或者導(dǎo)入VPM模型， 構(gòu)建全套虛擬樣機(jī)模型獨立運行[12]。 兩者之間關(guān)系如圖5所示。

PXI主控計算機(jī)安裝兩個操作系統(tǒng)， 啟動時可選擇進(jìn)入不同的模式， 以完成不同的仿真測控任務(wù)。

（1）? 與VPM聯(lián)合的快速原型仿真測試模式。 該模式下， PXI主控計算機(jī)進(jìn)入Windows+RTX操作系統(tǒng)， 作為信號采集和測控的前端， 與VPM計算機(jī)通過VMIC通訊， 共同完成快速原型仿真測試。

（2） 基于Simulink模型的快速原型仿真測試模式。 該模式下， PXI主控計算機(jī)進(jìn)入QNX實時操作系統(tǒng)， 快速原型計算機(jī)通過MATLAB/Simulink環(huán)境開發(fā)快速原型系統(tǒng)， 通過編譯形成實時目標(biāo)代碼， 下載到PXI下位機(jī)進(jìn)行實時運行。

4.2試驗?zāi)Ｊ皆O(shè)計

4.2.1基本模式

結(jié)合VPM快速原型實時化改造， 構(gòu)建全彈虛擬樣機(jī)數(shù)學(xué)模型， 設(shè)計與PXI主控計算機(jī)之間VMIC通訊協(xié)議， 通過VMIC驅(qū)動PXI主控計算機(jī)中與彈上組件對應(yīng)的電氣接口， 實現(xiàn)多種仿真模式， 靈活切換實物和快速原型。 VPM軟件本身不限制所運行模型的數(shù)量， 結(jié)合硬件選型， 支持超過10個模型調(diào)度[13]。 該模式下， 支持以下功能：

（1） 搭建全彈原型樣機(jī);

（2） 硬件在回路的實時仿真測試。

4.2.2擴(kuò)展模式

快速原型計算機(jī)預(yù)留了三路VMIC擴(kuò)展接口， 通過VMIC板卡與仿真轉(zhuǎn)臺/舵機(jī)負(fù)載模擬器等系統(tǒng)進(jìn)行連接， 進(jìn)一步實現(xiàn)更多的仿真模式， 如圖6和表1所示。

4.3原型設(shè)計中的重點和難點

（1） 模型的構(gòu)建

建模是仿真、 設(shè)計的基礎(chǔ)， 設(shè)計過程的大部分工作量均在建模過程。 模型構(gòu)建的重點在于如何構(gòu)建與實際產(chǎn)品參數(shù)完全一致的數(shù)學(xué)模型[14-15]。

建模過程采用層次化、 結(jié)構(gòu)化的建模方法， 可以將一個復(fù)雜的大系統(tǒng)分解為若干個小系統(tǒng)， 還可根據(jù)功能將整個系統(tǒng)分解為若干個分系統(tǒng)， 從而不僅能夠有效降低建模難度， 還可實現(xiàn)多部門、? 多人員的協(xié)同建模， 同時采用測試驗證和迭代驗證以保證模型的參數(shù)與實際產(chǎn)品完全一致。

（2） 仿真的實時性

由于Windows系統(tǒng)不具備實時性能， 給實時仿真帶來很大難度。 目前可采用兩種技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種是在Windows平臺上通過多核或多CPU資源獨占方式; 另一種是基于RTX嵌入式實時平臺， 完成VPM的實時仿真設(shè)計。 由于VPM平臺涵蓋建模、 仿真等功能， 而RTX對MFC類庫的支持不足， 因而基于RTX內(nèi)核的實時化給平臺改造帶來很大技術(shù)難度和工作量。 綜合考慮兩種方式的實時性能， 擬采用Windows平臺上通過多核或多CPU資源獨占方式實現(xiàn)VPM的實時化[15]。

（3） 模型轉(zhuǎn)換或模型與硬件實物之間的切換

為實現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)換或與硬件之間的切換， 首先應(yīng)該提高對產(chǎn)品的理解以打通軟硬件之間環(huán)節(jié)。 其次對數(shù)學(xué)模型的數(shù)字量通過編譯、 調(diào)理轉(zhuǎn)換成硬件實時信號， 最后將硬件實時信號轉(zhuǎn)換成總線信號。

5導(dǎo)彈總體快速原型驗證系統(tǒng)的應(yīng)用

本文所設(shè)計的導(dǎo)彈總體快速原型驗證系統(tǒng)分為兩個機(jī)柜， 共同形成快速原型測試功能， 其架構(gòu)如圖7所示。

該驗證系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型空空導(dǎo)彈產(chǎn)品的性能測試驗證中， 原型樣機(jī)具有與該型號相同的功能、 邏輯時序。 在此原型樣機(jī)基礎(chǔ)上， 實現(xiàn)了對全彈時序、 功能和性能的初步測試以及評估， 原型樣機(jī)同時具有與實物相對應(yīng)的接口， 可以和對應(yīng)的產(chǎn)品實物進(jìn)行互換。

在某型導(dǎo)彈的早期測試驗證中， 對全彈原型樣機(jī)進(jìn)行仿真驗證， 結(jié)果顯示， 原型樣機(jī)滿足全彈時序發(fā)射要求。

在該型導(dǎo)彈部分組件生產(chǎn)完成后， 將導(dǎo)彈飛控組件以及舵機(jī)連接到虛擬樣機(jī)仿真回路中， 對飛控組件以及舵機(jī)在回路的初步時序和性能進(jìn)行驗證， 通過驗證可以看出飛控組件和舵機(jī)性能良好， 滿足全彈時序發(fā)射要求。

6結(jié)束語

本文介紹了一種基于快速原型的導(dǎo)彈驗證系統(tǒng)， 該系統(tǒng)用于導(dǎo)彈單個或多個組件及全彈的功能、 性能驗證， 完成全彈系統(tǒng)聯(lián)試、 故障或問題的早期識別及定位， 進(jìn)而可以快速驗證和評估導(dǎo)彈總體性能是否滿足設(shè)計要求。 實驗表明， 該系統(tǒng)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制中能夠有效縮短研制周期， 減少研制成本， 解決導(dǎo)彈性能測試與驗證的覆蓋度和測試深度不足的問題， 并且提高了總體集成效率、 提升總體性能試驗?zāi)芰退健?/p>

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Abstract： For the problem of traditional airtoair missile testing methods， a rapid prototypebased airtoair missile overall performance verification system is designed. The software and hardware composition， design idea and various test modes in practical application of the overall performance rapid prototype verification system are also introduced. The system uses the rapid prototype method to realize the interconnection between the? virtual prototype and the physical prototype， improve the coverage and test depth of missile performance test and verification， improve the overall integration efficiency and enhance the overall performance test capability and level. Finally， the characteristics， difficulties and solutions of the system are analyzed.

Key words： missile weapon system; rapid prototype; real time; VPM; testing technology