基于快速原型的空空导弹总体测试技术研究

刘鑫　崔颢　马秋

摘要：      針对空空导弹传统测试方法的弊端，设计了一种基于快速原型的空空导弹总体性能验证系统， 介绍了总体性能快速原型验证系统的软硬件组成、 设计思想以及实际应用中的各种测试模式。 该系统利用快速原型的方法， 实现了虚拟样机与物理样机的互相连接， 解决导弹性能测试与验证的覆盖度和测试深度， 提高总体集成效率， 提升总体性能试验能力和水平。 最后对该系统的特点与难点以及解决方法进行了分析。

关键词：     导弹武器系统; 快速原型; 实时性; VPM（虚拟样机）; 测试技术

中图分类号：      TJ760.6文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2020）02-0064-07

0引言

当前， 导弹武器系统的发展速度越来越快， 其开发和研究的困难程度也越来越高， 而日益复杂的国际大环境又对武器的研制周期提出了更加苛刻的要求， 这一要求与武器系统技术的全面性和复杂性之间产生了突出的矛盾， 所以设计、 实现、 测试、 生产同时进行的并行工程[1-3]在导弹武器系统的发展中将处于越来越重要的地位。

武器系统的发展[4-5]对导弹总体研发能力提出了较高的要求， 多种新技术应用也对导弹总体设计及验证能力带来了新的挑战。 如何提升设计质量和设计效率、 缩短设计周期是型号成功研制必须解决的问题。 导弹性能[6-7]验证是设计工作中较为重要的一个环节， 其验证工作更是制约研制周期的瓶颈之一。 目前， 对于测试人员而言， 导弹系统测试缺乏方便而又快捷的途径， 传统测试耗时、 费力。  当武器系统的某一组件或分系统生产完成后， 而其他组件或者分系统还在科研或者生产阶段不能够构成一个完整的导弹武器系统， 亦或者是无法找到相应实物， 就难以进行早期的全弹总体性能测试。 为此， 本文采用快速原型方法， 对导弹的总体测试技术开展研究。

1快速原型技术

1.1快速原型概念及发展现状

快速原型概念最开始在工业制造以及机械加工中产生， 而后应用在软件工程学方面， 并在电子技术领域拥有了新的涵义。  在实际产品的研发早期， 快速构建产品各组件的数学模型， 然后通过多次的实验， 对所构建的数学模型测试仿真， 从而验证早期系统的软硬件方案是否可行， 最后对代码进行生成以及下载， 这就是整个快速原型研发的全过程[8]。

快速原型概念是20世纪90年代由国外汽车公司创新性提出。 当时美国福特汽车公司出于降低车用控制器的研制成本及时间， 首次提出了快速原型的设计思想， 并将这一设计思想应用到其产品的研发及生产上。 快速原型的优势在于减少产品的开发时间以控制产品的研制成本， 所以很多国外商业公司开始了对快速原型的研究， 并且很快推出了快速原型实时仿真的开发软件， 例如Opal-RT公司开发的RT_LAB， dSPACE公司开发的dSPACE等。 其中由于RT_LAB的接口具有良好兼容性及可扩展性， 其应用也越来越广泛[8]。

1.2国内快速原型研究现状

国内快速原型开展的时间比较晚， 主要进行一些基础性的研究。 清华大学使用快速原型来测试无刷直流电机， 并进行了基于MATLAB的车用快速原型软件平台的研究和实现。 哈尔滨工业大学利用快速原型开发出六自由度并联机器人控制系统， 并设计基于dSPACE的卫星控制实时仿真系统。 西北工业大学分析了快速原型的概念及其与虚拟样机的区别和联系， 并设计了针对飞行控制系统的快速原型方案。 同济大学建立了以RTLinux（AReal-Time Linux）为实时操作系统的快速原型系统。 上海交通大学介绍了xPC目标以及基于xPC的快速原型设计方法， 并介绍了dSPACE实时系统以及基于dSPACE的快速原型设计方法， 同时介绍了RT-LAB快速控制原型在随动系统中的应用。 南京航天航空大学提出了直升机飞行动力学建模和飞行控制设计环境集成的想法[8]。

可以看出， 虽然国内快速原型的研究起步比较晚， 但是由于快速原型在航空航天领域的重要意义， 国内各个高校纷纷加快了快速原型的研究和探索， 并且在快速原型针对目标实时仿真方面取得了不错的发展。

2导弹总体快速原型系统

导弹总体性能快速原型验证系统是在现有成熟的虚拟样机技术基础上， 实现真实物理样机与仿真模型的快速交联。 在单个或多个组件设计完成后， 或者在设计技术状态更改后， 快速原型验证系统可迅速完成设计验证， 对可能存在的设计缺陷进行识别并完成风险评估， 极大地提高了总体集成效率， 缩短了研制周期。

总体性能快速原型验证系统利用快速原型的方法， 打通性能虚拟样机与物理样机接口， 实现性能设计和性能测试的综合、 技术状态设计与技术状态验证的闭合， 解决导弹性能测试与验证的覆盖度和测试深度， 提高总体集成效率、 提升总体性能测试水平。

导弹总体性能快速原型验证系统将半实物仿真与产品测试相结合。 未来将用于导弹单个或多个组件及全弹的功能、 性能验证， 完成全弹系统联试、 故障或问题的早期识别及定位， 进而快速验证和评估导弹总体性能是否满足设计要求。

3导弹总体快速原型的实现

航空兵器2020年第27卷第2期刘鑫， 等： 基于快速原型的空空导弹总体测试技术研究导弹总体性能快速原型开发平台是为快速构建满足功能和性能要求的软硬件提供环境支撑， 实现全弹原型样机、 算法快速原型、 硬件在回路实时仿真三种不同层次的仿真应用[9]。 具体实现方式如图1所示。

（1）  算法快速原型

（1） 控制管理程序

用于完成系统工作模式控制、 试验条件设置、 外部模型程序调度、 系统自检、 试验状态监控。

（2） 模型计算程序

模型计算程序指模拟真实使用情况运用所需的各种数学模型， 主要包括： 载机模型计算程序、 目标模型计算程序; 导引头模型计算程序、 导弹目标相对运动学模型、 飞控模型计算程序、 导弹动力学运动学模型、 引信模型、 数据链模型、 舵机模型、 传感器模型等。

（3） 数据管理及试验分析程序

对各种试验信息、 试验结果存储管理， 以及对试验结果进行分析判读。

4系统实现的若干问题

4.1设计思想

4.1.1基于VMIC网络的仿真与测试

为快速构建仿真测试系统， 基于VPM软件或者MATLAB/Simulink构建实时快速原型， 提高测试深度， 通过接入VMIC网络的两台计算机共同来实现。 分布式快速原型验证系统如图3所示。

考虑到模型的继承性， 本系统通过引入RTX系统， 对VPM进行实时性改造， 使其能够基于现有模型构成实时仿真能力。

同时， 提供基于Simulink实时化方案。 采用商业软件Higale构建快速原型， 其仿真模型直接下载到下位机实时运行， 直接控制数据采集板卡， 模拟弹上组件。

基于图3的架构， 通过NI实时测控前端， 与参试产品连接， 根据发控流程， 向产品产生激励信号并采集产品的输出， 激励信号从VMIC读取， 该信号来自于VPM快速原型实时仿真机; 采集的产品输出信号写入VMIC网络， 由运行在工作站内的VPM快速原型程序读取。 不同的测试构型需要不同的产品数据， 其过程如图4所示。

4.1.2PXI主控计算机的多重设计

本文的快速原型验证系统设计， 是基于成熟的VPM软件实时化改造和Simulink商业软件共同完成验证系统的搭建。 系統也支持Simulink软件独立完成快速原型验证任务， 即不再由VPM软件产生模型数据， 通过Simulink环境中建立或者导入VPM模型， 构建全套虚拟样机模型独立运行[12]。 两者之间关系如图5所示。

PXI主控计算机安装两个操作系统， 启动时可选择进入不同的模式， 以完成不同的仿真测控任务。

（1）  与VPM联合的快速原型仿真测试模式。 该模式下， PXI主控计算机进入Windows+RTX操作系统， 作为信号采集和测控的前端， 与VPM计算机通过VMIC通讯， 共同完成快速原型仿真测试。

（2） 基于Simulink模型的快速原型仿真测试模式。 该模式下， PXI主控计算机进入QNX实时操作系统， 快速原型计算机通过MATLAB/Simulink环境开发快速原型系统， 通过编译形成实时目标代码， 下载到PXI下位机进行实时运行。

4.2试验模式设计

4.2.1基本模式

结合VPM快速原型实时化改造， 构建全弹虚拟样机数学模型， 设计与PXI主控计算机之间VMIC通讯协议， 通过VMIC驱动PXI主控计算机中与弹上组件对应的电气接口， 实现多种仿真模式， 灵活切换实物和快速原型。 VPM软件本身不限制所运行模型的数量， 结合硬件选型， 支持超过10个模型调度[13]。 该模式下， 支持以下功能：

（1） 搭建全弹原型样机;

（2） 硬件在回路的实时仿真测试。

4.2.2扩展模式

快速原型计算机预留了三路VMIC扩展接口， 通过VMIC板卡与仿真转台/舵机负载模拟器等系统进行连接， 进一步实现更多的仿真模式， 如图6和表1所示。

4.3原型设计中的重点和难点

（1） 模型的构建

建模是仿真、 设计的基础， 设计过程的大部分工作量均在建模过程。 模型构建的重点在于如何构建与实际产品参数完全一致的数学模型[14-15]。

建模过程采用层次化、 结构化的建模方法， 可以将一个复杂的大系统分解为若干个小系统， 还可根据功能将整个系统分解为若干个分系统， 从而不仅能够有效降低建模难度， 还可实现多部门、  多人员的协同建模， 同时采用测试验证和迭代验证以保证模型的参数与实际产品完全一致。

（2） 仿真的实时性

由于Windows系统不具备实时性能， 给实时仿真带来很大难度。 目前可采用两种技术方案实现： 一种是在Windows平台上通过多核或多CPU资源独占方式; 另一种是基于RTX嵌入式实时平台， 完成VPM的实时仿真设计。 由于VPM平台涵盖建模、 仿真等功能， 而RTX对MFC类库的支持不足， 因而基于RTX内核的实时化给平台改造带来很大技术难度和工作量。 综合考虑两种方式的实时性能， 拟采用Windows平台上通过多核或多CPU资源独占方式实现VPM的实时化[15]。

（3） 模型转换或模型与硬件实物之间的切换

为实现模型的转换或与硬件之间的切换， 首先应该提高对产品的理解以打通软硬件之间环节。 其次对数学模型的数字量通过编译、 调理转换成硬件实时信号， 最后将硬件实时信号转换成总线信号。

5导弹总体快速原型验证系统的应用

本文所设计的导弹总体快速原型验证系统分为两个机柜， 共同形成快速原型测试功能， 其架构如图7所示。

该验证系统已经应用于某型空空导弹产品的性能测试验证中， 原型样机具有与该型号相同的功能、 逻辑时序。 在此原型样机基础上， 实现了对全弹时序、 功能和性能的初步测试以及评估， 原型样机同时具有与实物相对应的接口， 可以和对应的产品实物进行互换。

在某型导弹的早期测试验证中， 对全弹原型样机进行仿真验证， 结果显示， 原型样机满足全弹时序发射要求。

在该型导弹部分组件生产完成后， 将导弹飞控组件以及舵机连接到虚拟样机仿真回路中， 对飞控组件以及舵机在回路的初步时序和性能进行验证， 通过验证可以看出飞控组件和舵机性能良好， 满足全弹时序发射要求。

6结束语

本文介绍了一种基于快速原型的导弹验证系统， 该系统用于导弹单个或多个组件及全弹的功能、 性能验证， 完成全弹系统联试、 故障或问题的早期识别及定位， 进而可以快速验证和评估导弹总体性能是否满足设计要求。 实验表明， 该系统在导弹武器系统的研制中能够有效缩短研制周期， 减少研制成本， 解决导弹性能测试与验证的覆盖度和测试深度不足的问题， 并且提高了总体集成效率、 提升总体性能试验能力和水平。

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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