基于快速原型的導彈系統試驗體系研究

陳之光

【摘 ?要】戰術導彈作為一型高精尖武器系統，目前其研制模式主要以實物試驗為主，通過實物的技術狀態迭代以不斷推進科研進程。該模式存在研制周期長，投入成本高，試驗覆蓋深度相對不足等問題。本文擬提出一種基于快速原型技術的系統測試體系，在科研階段通過軟硬件結合搭建高效的系統級快速性能驗證平臺，從而實現降本增效的工程價值，提高一次做好的科研效率。

【關鍵詞】戰術導彈;系統試驗;快速原型;試驗體系;

引言

戰術導彈系統作為國防工業中至關重要的一環，在領土安全和大國外交等方面發揮著舉足輕重的作用。當前國際環境風起云涌，國防軍備需求緊迫，如何在保證武器研制質量的前提下，進一步縮短研制周期和減少開發成本，形成武器產品性能的快速迭代和強大的供應能力，是當前國防工業內的一項研究重點。戰術導彈的科研定型是一項龐大的系統工程，在其性能的技術復雜性日新月異變化的同時，傳統的研制模式一定程度上束縛了不斷向前探索的研究步伐。本文提出一種基于快速原型技術的戰術導彈系統試驗體系設計，不同于現有的依靠大量實物試驗與迭代的傳統研制模式，在導彈系統試驗過程中引入快速原型設計理念，通過實物產品與數字虛擬樣機互聯，具備快速虛擬測試和評估能力，可以迅速積累大量試驗數據，及早暴露設計問題，快速完成設計迭代，完善實物樣機的性能設計，進而提高導彈系統的綜合設計能力，縮短研制周期，降低成本投入等研制目標。

1.導彈系統試驗體系分析

在導彈系統的研制中，試驗工作占據了非常重要的地位，導彈的研制過程是一個設計——試驗——改進設計——再次試驗——最終鑒定的過程。本文主要討論的是研制階段進行的導彈系統試驗。導彈系統試驗指的是在各分系統集成為全彈后，對導彈系統進行的開環測試，重點考核全彈的總體性能。導彈系統試驗貫穿型號研制的的各個階段，主要考核產品的性能和環境適應性，以及驗證設計結果的正確性，暴露設計中可能存在的問題。隨著型號研制的進展，產品功能不斷完善、性能指標逐漸達到設計要求，設計人員通過導彈系統試驗驗證產品總體性能指標與研制總要求的相符性。目前常用的系統試驗體系自下而上分為三層，分別是第一層的系統性能聯試，第二層的環境適應性測試和第三層的導彈武器系統聯試。系統性能聯試指的是在導彈各分系統首次集成全彈后，通過系統工作時序測試、任務書指標驗證測試等試驗項目對各系統間的通訊正確性、協同工作正確性、以及主要的制導和控制回路正確性等進行考核。環境適應性測試指的是通過模擬導彈真實工作環境，如高低溫、掛機振動等條件，進一步考核導彈真實工況下的功能性能表現。武器系統聯試指的是導彈與載機系統進行聯調，驗證二者通訊及指令響應的正確性，以確保后期飛行試驗的成功。

2導彈系統試驗快速原型技術的設計

2.1快速原型的簡介

快速原型（Rapid Prototyping，RP）是指在產品研制階段，將產品的原理模型和算法由硬件平臺與實物樣機相連，通過海量的實時和非實時測試以驗證產品設計結果，對設計進行不斷迭代完善直至最終確定技術狀態，完成產品設計研發的閉環。該技術1988年誕生于美國，最初應用于快速實現結構產品設計向三維實體模型的轉換，它的出現為裝備制造方法帶來了巨大的變革，無模制造、加工信息遠程傳遞制造等新技術應運而生。20世紀90年代初，美國福特公司提出了快速控制原型的概念，并在汽車研發設計中成功應用，極大縮短了研發時間和成本。緊接著美國MathWorks公司成功開發了RTW以實現Simulink模型向產品代碼的自動生成功能;加拿大OPAL-RT[1]公司研發了基于實時仿真平臺的快速原型開發系統RT-LAB。西工大為代表的一批國內高校在快速原型技術的復雜系統應用研究方面也取得了長足的進展。從最初的快速實物原型實現技術發展到概念原型實現技術，RP技術已經在包括航空航天、工業制造等各行各業中發揮著重要的作用

2.2快速原型平臺構成

導彈系統試驗快速原型平臺要能滿足下述三項功能。算法驗證快速原型，即提供全彈算法快速設計驗證的軟硬件環境;實現全彈原型樣機，即將各分系統數學模型集成為全彈工作回路;硬件在回路的實時仿真測試，原型樣機按照實際接口邏輯與實物互聯，實現全彈各系統在回路的功能及性能仿真。以功能需求為牽引，快速原型平臺由開發管理子系統、實時運行子系統和接口調理系統共三部分組成。

開發管理子系統主要負責通過Matlab/Simulink實時仿真管理軟件，主要完成全彈各分系統數學模型的開發、編譯和執行，以及完成系統試驗任務的管理和試驗數據的分析等功能。實時運行子系統具有實時RTX實時操作系統，主要負責根據已經建立好的全彈數學模型進行實時仿真閉環試驗。實時運行子系統與開發管理子系統之間通過以太網TCP/IP協議進行數據交互。

接口調理系統由高性能綜合電源、數據采集板卡等單元組成，主要負責向導彈實物供電完成物理樣機驅動，并提供軟硬件之間信號調理和接口適配的互聯功能。接口調理具有通用性和轉換功能，是實現數字模型與物理樣機交互的基礎和關鍵。在各種數模I/O信號轉換及隔離的基礎上，完成仿真輸入及驅動輸出。

2.3快速原型系統功能實現方式

為了滿足導彈系統試驗三個層次的仿真應用，分別是算法快速驗證、全彈原型樣機和硬件在回路實時仿真，本文提出了一種系統試驗快速原型的實現方式，見圖1。

全彈原型樣機是有各分系統數學模型共同構成的全彈工作回路，各數學模型分別對應不同的組部件，將各模型下載到快速原型開發平臺的實時仿真目標機，并按照實際接口協議互聯，形成全彈的原型樣機。原型樣機具備與真實實物產品相同的工作時序，在此基礎上可以實現對在產品研制階段，及早驗證全彈時序和功能性能的正確性。

在原型樣機建立后，算法快速原型驗證主要目的是驗證全彈制導回路和控制回路的正確性，集中考核導引組件和飛行控制組件的算法設計正確性。部分實物與平臺互聯后，通過目標機的實時仿真，可以驗證算法的工作時序、接口定義、AD精度以及數據傳輸等設計要求。

使用快速原型技術，可以使組部件在研制階段驗證軟件的正確性，當組部件實物交付后，配合全彈原型樣機，進行硬件在回路仿真測試。原型樣機各部分具有與實物相對應的硬件接口，可以和對應產品實物進行互換。比如，僅需要一個導引頭實物便可以進行全彈回路的實時系統仿真互聯，驗證該實物在全彈系統下的功能性能表現。

前四個步驟通過軟硬結合，實時仿真，可以對個分系統進行充足的設計驗證，使設計問題盡早暴露，推進設計改進效率。所以，在最終的全彈實物測試階段，各分系統經過了前期的充分驗證后，能有效提高產品研制交付一次做好的成功率。

2.4快速原型系統的數學模型

導彈數學模型是快速原型開發平臺的核心[2]，根據系統試驗的特點，建立合理的導彈數學模型是一項至關重要的任務。作為導彈進行外場飛行試驗前的質量考核試驗，導彈系統試驗重點考核全彈總體功能性能，確保全彈系統工作時序正常、環境適應能力正常和武器系統工作響應正常。以全彈系統工作時序為出發點，需要建立控制回路和制導回路的原理模型，包括導引系統模型、控制系統模型、伺服系統模型、動力學模型、彈體模型等。其中控制系統作為導彈正常工作時的核心算法，在開發過程中可以細分建立為彈載計算機模型和慣性測量模型。

作為核心的控制系統模型，其中的彈載計算機模型中包含了導彈使用的制導濾波算法、制導控制算法、穩定算法和導航算法等[3]，這些算法通過代碼實現生成彈載計算機的模型軟件。慣性測量模型則用于模擬生成彈上的加速度計和陀螺的測量值。控制系統模型通過接收其他模型的數據信號，按照設計的算法公式計算出導彈制導和控制回路的邏輯時序，控制導引頭系統和伺服系統進行相應的彈體姿態調整。

導引系統模型則是模擬導引頭在制導回路中的工作過程，根據實時仿真的彈目相對位置信息，計算得出彈目視線角速度等導引頭測量數據，相應的執行模擬執行隨動、截獲和自主跟蹤。

伺服系統模型則主要模擬舵機的工作過程，通過計算由控制系統模型發出的舵控指令等信息，按照自身算法輸出舵面的偏轉角度，同時向控制系統反饋執行結果，閉合控制回路。

彈體模型作為彈體的動力學模型，具備六自由度計算能力，可以根據導彈的動壓、攻角等信息，模擬輸出導彈的加速度和角加速度。

彈目相對運動學模型則根據試驗人員設計的試驗條件和場景，完成慣性坐標系、地球坐標系和導彈慣性坐標系等空間坐標系之間的轉換，計算出模擬載機、導彈和目標三者之間的相對運動關系，建立空間方位場。

3結束語

導彈系統試驗快速原型應用平臺有機的將產品設計開發和試驗驗證二合為一：

1）在產品設計開發階段，通過建立各分系統數學模型已經對應的控制對象接口調理系統，實現了產品原型樣機的軟件環境開發和硬件I/O平臺搭建，從而在產品實物控制對象與全系統數學模型之間建立了可實時仿真計算的硬件在回路平臺。

2）當某組部件完成實物制造后，可以通過快速原型平臺迅速完成全系統極的硬件在回路聯試，驗證工作時序、總線通訊以及其功能性能的正確性。從而在最終產品集成全彈進行總體性能交付試驗時，可以極大提高試驗效率，減少不必要的資源浪費，加快了研制項目的整體進展。

基于快速原型技術的導彈系統試驗體系設計具備了導彈原理樣機、電氣接口調理和硬件在回路仿真測試等多項技術手段優點，通過大量的系統聯試和硬件在回路仿真測試，可以盡早暴露設計問題，驗證設計結果，加快全彈實物產品的研制進度。同時，通過軟硬件結合，可以充分驗證導彈制導和控制算法的設計正確性，通過模擬仿真多種試驗條件，確保在內場研制過程中把試驗做到位，在外場飛行試驗時便能使用質量合格的產品，最大程度做到產品研制一次做好。這種試驗體系設計一方面繼承了傳統體系下嚴格考核產品功能性能的試驗方法，同時創新性使用軟硬件結合的方式實現了產品設計階段低成本的循環迭代設計改進，形成了導彈系統設計——仿真——設計的螺旋式穩定上升設計過程，推動項目研制的工程實現做的更快更好。

參考文獻：

[1] RT-LAB Users Manual [M].OPAL_RT Inc.，2008.

[2]楊滌，李立濤，楊旭等.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]泮斌峰.導彈制導控制系統快速原型研究，[學位論文]，西北工業大學，2007.3.

（作者單位：航空工業空空導彈研究院）