長三甲系列運載火箭分布式全數字半實物仿真試驗系統設計與實現

鄒 瑩，王 勇，趙 欣，趙 耀

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

0 引 言

在運載火箭控制系統研制過程中，試驗是研制各個階段不可缺少的組成部分。對于姿態控制性能和制導性能的研究，僅僅依靠解析方法是不夠的，還需要進行仿真試驗。控制系統仿真是建立在控制系統模型的基礎之上的控制系統動態過程試驗，根據仿真系統中是否加入實物，分為數學仿真和半實物仿真[1]。運載火箭控制系統半實物仿真是指在數學仿真基礎上，把部分數學仿真模型用實物代替的一種實時仿真方法，又稱硬件在回路中的仿真（Hardware In The Loop Simulation，HILS）。半實物仿真比數學仿真更接近實際狀態，對運載火箭控制系統的考核更加全面、真實有效，因此成為研究過程一個重要環節和手段[2]。

長三甲系列運載火箭是中國非常成熟的運載火箭系列，其控制系統方案的不斷改進均經過了半實物仿真試驗的驗證。由于長三甲系列運載火箭控制系統箭上計算機和相關單機設備的控制信號、交互的數據存在模擬信號及數字信號混雜的情況，使得半實物仿真試驗系統中的試驗信號流、數據流也存在模擬信號及數字信號混雜的情況，原有集中型試驗室布局缺點非常明顯，無法適應后續的試驗需求。因此需要構建一套新的半實物仿真試驗系統架構，以有效避免試驗系統內的信號易受干擾、試驗設備難于監控、地面設備無法遠控、試驗過程難于監控的問題，具備不同試驗目的、試驗規模狀態下，對控制系統性能進行評估和驗證的能力。

1 基于反射內存實時網絡和以太網的試驗數據網

1.1 半實物仿真系統的控制信號和數據流

運載火箭半實物仿真試驗系統內的控制信號，根據其來源可分為箭上控制信號和試驗系統內的控制信號。箭上控制信號主要來自于箭上計算機，主要用來完成對火箭的控制。試驗系統內的控制信號主要包括：控制地面專用設備工作的開機、關機指令，地面專用設備的模式狀態指令，地面專用設備的數據設置指令，仿真計算機發出的時序指令等。試驗系統內的控制信號尤其是針對地面專用設備的控制信號對實時性要求不高，通常是試驗開始前對地面專用設備的操作指令。

運載火箭半實物仿真試驗系統內的數據流，根據數據流向主要分為箭上設備向箭上計算機發送的數據，半實物仿真試驗系統的地面設備與仿真計算機交互的數據，以及故障仿真中由仿真計算機注入的故障信息數據、試驗系統內的監控數據等。

通過對半實物仿真試驗系統內的控制信號及數據流進行分析，可以將系統的控制信號及數據流分強實時性和非強實時性兩類。

1.2 反射內存實時網絡

反射內存實時網絡是面向具有實時性要求領域的專用網絡通信技術，一般采用基于高速網絡的共享存儲器技術實現。它除了具有嚴格的傳輸確定性和可觀測性外，還具有速度高、通信協議簡單、宿主機負載輕、軟硬件平臺適應性強、支持中斷信號的傳輸等特點[3]。

目前，主要的共享內存實時網絡產品只是在性能指標上有些差異。通用分布式全數字半實物仿真試驗系統中采用GE公司的VMIC-5565系列產品。

VMIC-5565系列產品具有如下特點：

a）高速易用的光纖網絡（2.12 G串行波特率）；

b）最多256個節點，每個節點具有唯一的識別數，從0～255；

c）多模光纖的連接距離可達300 m，單模光纖的連接距離可達10 km；

d）動態包的大小，從4到64字節數據；

e）傳輸率達47.1 MB/s（4個字節的包）到174 MB/s（64字節的包）；

f）64 MB或128 MB SDRAM映像內存；

g）兩個獨立直接內存存取（Direct Memory Access，DMA）通道；

h）通過簡單的命令，網上任何節點可以對其它或所有網上節點產生中斷；

i）錯誤檢測以及冗余傳輸模式，用于抑制額外錯誤；

j）處理器無系統開銷。

在整個運載火箭控制系統分布式半實物仿真試驗系統的環節中，由于運載火箭仿真模型需要具備極高精度，因此整個試驗系統內仿真數據流需要滿足傳輸低延遲、時間確定性、傳輸可靠性這3個基本要求。共享內存實時網絡產品特別適用于試驗系統內對實時性要求強的數據傳輸[4]。

1.3 試驗數據網絡

由于半實物仿真試驗系統內數據及控制信號分為強實時性和非強實時性兩類，因此在進行半實物仿真試驗系統架構設計過程中，確立了以仿真機為核心的兩套試驗網絡。其中強實時性數據及控制信號通過反射內存實時網絡進行交互，非強實時性數據及控制信號通過以太網進行交互。系統兩套試驗數據網絡結構如圖1所示。

反射內存實時網絡主要包括：仿真計算機與慣組遠程傳輸系統、仿真計算機與三軸轉臺控制柜、箭上控制信號的遠程傳輸、擺角測量系統的輸出均在反射內存實時網絡內進行數據的實時交互。

以太網試驗網絡主要包括：仿真計算機對各級功率電源的控制信號、仿真計算機對液壓加載系統的控制信號，仿真控制臺對液壓加載系統的控制信號及監控信號、仿真控制臺對電源陣列的控制信號及監控信號等。

通過兩套試驗網絡，半實物仿真試驗系統內控制信號及數據流均實現了全數字式傳輸，試驗設備實現了遠程控制，從而解決了原有半實物仿真試驗系統內模擬信號與數字信號混雜、信號易受干擾、很難對試驗系統進行有效監控的困難。這種試驗網絡架構的半實物仿真試驗系統擴展性好，能夠很好地適應第3代、第4代控制系統方案驗證的需求[5]，尤其在進行控制系統冗余方案的驗證時，試驗規模可根據任務需要靈活地進行調整[6,7]。

圖1 試驗數據網絡結構Fig.1 Hardware-in-the-loop-simulation Network Structure

2 通用分布式仿真試驗系統

2.1 試驗系統構成及原理

由仿真軟件實現箭體運動方程，并通過仿真計算機將慣組脈沖以數據包的形式通過光纖同時傳給慣組遠程傳輸系統A，慣組遠程傳輸系統B將慣組實物信號與仿真計算機經慣組遠程傳輸系統A的數據根據仿真軟件發送的合成指令進行重新合成并送入箭機。箭上計算機將解算出的控制信號經遠程控制傳輸系統經還原成D/A信號送伺服系統，由伺服機構驅動噴管擺動，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，仿真計算機通過共享內存讀取擺角測量系統內的擺角、擺角加速度信號，并進行擺角合成，將合成后的舵擺角代入箭體運動方程進行解算，模擬箭體運動，由此構成姿控系統半實物仿真系統。系統原理如圖2所示。

圖2 半實物仿真系統原理Fig.2 Hardware-in-the-loop-simulation System Schematic Diagram

整個仿真試驗系統中由仿真機管理并控制整個仿真試驗軟硬件系統，包括對試驗流程、試驗狀態進行管理，對仿真試驗系統風險進行預判和處理。通過分散在轉臺間、控制間、負載間的監控攝像頭實時獲取半實物仿真試驗情況，并通過大屏顯示系統對試驗狀態進行實時監控，從而達到對半實物仿真試驗的全流程管理和監控。

2.2 反射內存實時網絡數據交互協議

在半實物仿真試驗系統內，仿真計算機通過反射內存實時網絡與系統內的設備進行數據交互，為了有效地調度及管控共享內存區讀寫沖突的發生，仿真計算機需要與慣組遠程傳輸設備、擺角測量系統等設備進行數據交互協議的設計。

數據交互協議主要包括：數據交互的模式控制指令、基地址、數據長度、采用握手信號防止讀寫沖突的流程。仿真計算機的擺角采集軟件處理流程和擺角采集系統的軟件處理流程如圖3所示。擺角采集系統更新數據周期為 300 μs，仿真計算機采集的頻率為1 ms，可以保證仿真軟件讀取的擺角信息滿足需要。

圖3 數據交互協議Fig.3 Data Interaction Protocol

2.3 分布式全數字半實物仿真試驗系統的靜態增益

試驗系統靜態增益測試是一種分析半實物仿真試驗系統各個環節所引入干擾和誤差對試驗系統影響的方法，試驗系統靜態增益偏差越小，半實物仿真的試驗結果就越接近運載火箭控制系統的實際工作狀況。其測試方法為通過飛行軟件分別將俯仰、偏航、滾動通道的姿態角偏差置為一個合理的角度，并進行俯仰、偏航、滾動主通道的校正網絡計算，箭上計算機將輸出控制指令控制伺服機構運動，再經過擺角測量系統使仿真軟件獲得伺服機構的擺角，采集到的擺角為實測值，最終通過將實測值與理論值進行比較得出試驗系統的靜態增益誤差。

原有半實物仿真試驗系統模擬信號和數字信號混雜，在復雜試驗室環境下，試驗系統的增益測試結果如圖4所示，系統靜態增益偏差在±4%左右。

圖4 系統靜態增益Fig.4 System Static Gain Test

分布式全數字半實物仿真試驗系統，由于采用全數字量傳輸，相對于原有試驗系統中信號所受的干擾更小。經測試系統靜態增益偏差小于±2.0%，分布式全數字半實物仿真試驗系統增益測試結果如圖5所示。在測試穩定的相同時間段內，整個仿真試驗系統所受的干擾更小。

圖5 系統靜態增益Fig.5 System Static Gain Test

2.4 半實物仿真全試驗流程的自動運行技術

在運載火箭半實物仿真中由于參試設備非常多，試驗流程又非常復雜，因此半實物仿真試驗的全流程無人員操作自動運行技術一直是個難點。在分布式全數字半實物仿真試驗系統設計過程中，采用仿真計算機通過UDP指令與各級電源設備中繼電器單元進行通訊的方式，通過對電源的控制達到對伺服機構的起、停控制，仿真軟件中將試驗狀態設置及仿真試驗系統的硬件操作流程相結合，從而實現了全試驗流程的自動運行，其軟件流程如圖6所示。

圖6 自動運行軟件流程Fig.6 Automated Running Software Flow

3 結 論

長三甲系列運載火箭分布式全數字半實物仿真試驗系統，已經完成了某狀態半實物仿真試驗，取得了良好的效果。使用兩套試驗網絡實現了對半實物仿真試驗系統信號的全數字量傳輸及試驗系統各個設備狀態的集中監控，具備對半實物仿真試驗的系統風險進行預判和試驗應急處理的技術條件。半實物試驗系統信號經采集、傳輸、還原，電氣特性和原信號一致，該仿真系統穩定、易監控、不易受干擾、系統重復性好，仿真結果置信度高。采用控制間的集中遠控方式及遠程設備故障自動警示功能，減少了 30%的參試人員數量，降低了試驗的人力成本。由于仿真流程能對試驗系統內各地面單機設備進行遠程實時控制，因此實現了半實物全仿真試驗流程的自動運行。仿真系統控制信號及數據流設計，極大地簡化了試驗系統設計的難度，使遠程傳輸設備更具備通用性，能夠在多個運載型號之間共用。長三甲系列運載火箭全數字量傳輸的試驗系統解決了分布式跨域協同仿真中全數字信號傳輸及遠控系統構建的技術難點。