基于快速原型的導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)體系研究

陳之光

【摘 ?要】戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作為一型高精尖武器系統(tǒng)，目前其研制模式主要以實(shí)物試驗(yàn)為主，通過實(shí)物的技術(shù)狀態(tài)迭代以不斷推進(jìn)科研進(jìn)程。該模式存在研制周期長(zhǎng)，投入成本高，試驗(yàn)覆蓋深度相對(duì)不足等問題。本文擬提出一種基于快速原型技術(shù)的系統(tǒng)測(cè)試體系，在科研階段通過軟硬件結(jié)合搭建高效的系統(tǒng)級(jí)快速性能驗(yàn)證平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)降本增效的工程價(jià)值，提高一次做好的科研效率。

【關(guān)鍵詞】戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈;系統(tǒng)試驗(yàn);快速原型;試驗(yàn)體系;

引言

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)作為國(guó)防工業(yè)中至關(guān)重要的一環(huán)，在領(lǐng)土安全和大國(guó)外交等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。當(dāng)前國(guó)際環(huán)境風(fēng)起云涌，國(guó)防軍備需求緊迫，如何在保證武器研制質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步縮短研制周期和減少開發(fā)成本，形成武器產(chǎn)品性能的快速迭代和強(qiáng)大的供應(yīng)能力，是當(dāng)前國(guó)防工業(yè)內(nèi)的一項(xiàng)研究重點(diǎn)。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的科研定型是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，在其性能的技術(shù)復(fù)雜性日新月異變化的同時(shí)，傳統(tǒng)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(shù)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)體系設(shè)計(jì)，不同于現(xiàn)有的依靠大量實(shí)物試驗(yàn)與迭代的傳統(tǒng)研制模式，在導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)過程中引入快速原型設(shè)計(jì)理念，通過實(shí)物產(chǎn)品與數(shù)字虛擬樣機(jī)互聯(lián)，具備快速虛擬測(cè)試和評(píng)估能力，可以迅速積累大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及早暴露設(shè)計(jì)問題，快速完成設(shè)計(jì)迭代，完善實(shí)物樣機(jī)的性能設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力，縮短研制周期，降低成本投入等研制目標(biāo)。

1.導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)體系分析

在導(dǎo)彈系統(tǒng)的研制中，試驗(yàn)工作占據(jù)了非常重要的地位，導(dǎo)彈的研制過程是一個(gè)設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——改進(jìn)設(shè)計(jì)——再次試驗(yàn)——最終鑒定的過程。本文主要討論的是研制階段進(jìn)行的導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)。導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)指的是在各分系統(tǒng)集成為全彈后，對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)進(jìn)行的開環(huán)測(cè)試，重點(diǎn)考核全彈的總體性能。導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)貫穿型號(hào)研制的的各個(gè)階段，主要考核產(chǎn)品的性能和環(huán)境適應(yīng)性，以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，暴露設(shè)計(jì)中可能存在的問題。隨著型號(hào)研制的進(jìn)展，產(chǎn)品功能不斷完善、性能指標(biāo)逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)人員通過導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品總體性能指標(biāo)與研制總要求的相符性。目前常用的系統(tǒng)試驗(yàn)體系自下而上分為三層，分別是第一層的系統(tǒng)性能聯(lián)試，第二層的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試和第三層的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)聯(lián)試。系統(tǒng)性能聯(lián)試指的是在導(dǎo)彈各分系統(tǒng)首次集成全彈后，通過系統(tǒng)工作時(shí)序測(cè)試、任務(wù)書指標(biāo)驗(yàn)證測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)各系統(tǒng)間的通訊正確性、協(xié)同工作正確性、以及主要的制導(dǎo)和控制回路正確性等進(jìn)行考核。環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試指的是通過模擬導(dǎo)彈真實(shí)工作環(huán)境，如高低溫、掛機(jī)振動(dòng)等條件，進(jìn)一步考核導(dǎo)彈真實(shí)工況下的功能性能表現(xiàn)。武器系統(tǒng)聯(lián)試指的是導(dǎo)彈與載機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，驗(yàn)證二者通訊及指令響應(yīng)的正確性，以確保后期飛行試驗(yàn)的成功。

2導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)快速原型技術(shù)的設(shè)計(jì)

2.1快速原型的簡(jiǎn)介

快速原型（Rapid Prototyping，RP）是指在產(chǎn)品研制階段，將產(chǎn)品的原理模型和算法由硬件平臺(tái)與實(shí)物樣機(jī)相連，通過海量的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)測(cè)試以驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷迭代完善直至最終確定技術(shù)狀態(tài)，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的閉環(huán)。該技術(shù)1988年誕生于美國(guó)，最初應(yīng)用于快速實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)向三維實(shí)體模型的轉(zhuǎn)換，它的出現(xiàn)為裝備制造方法帶來了巨大的變革，無模制造、加工信息遠(yuǎn)程傳遞制造等新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)福特公司提出了快速控制原型的概念，并在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用，極大縮短了研發(fā)時(shí)間和成本。緊接著美國(guó)MathWorks公司成功開發(fā)了RTW以實(shí)現(xiàn)Simulink模型向產(chǎn)品代碼的自動(dòng)生成功能;加拿大OPAL-RT[1]公司研發(fā)了基于實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的快速原型開發(fā)系統(tǒng)RT-LAB。西工大為代表的一批國(guó)內(nèi)高校在快速原型技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用研究方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。從最初的快速實(shí)物原型實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展到概念原型實(shí)現(xiàn)技術(shù)，RP技術(shù)已經(jīng)在包括航空航天、工業(yè)制造等各行各業(yè)中發(fā)揮著重要的作用

2.2快速原型平臺(tái)構(gòu)成

導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)快速原型平臺(tái)要能滿足下述三項(xiàng)功能。算法驗(yàn)證快速原型，即提供全彈算法快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證的軟硬件環(huán)境;實(shí)現(xiàn)全彈原型樣機(jī)，即將各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型集成為全彈工作回路;硬件在回路的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試，原型樣機(jī)按照實(shí)際接口邏輯與實(shí)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全彈各系統(tǒng)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(tái)由開發(fā)管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng)和接口調(diào)理系統(tǒng)共三部分組成。

開發(fā)管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)通過Matlab/Simulink實(shí)時(shí)仿真管理軟件，主要完成全彈各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的開發(fā)、編譯和執(zhí)行，以及完成系統(tǒng)試驗(yàn)任務(wù)的管理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析等功能。實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)根據(jù)已經(jīng)建立好的全彈數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真閉環(huán)試驗(yàn)。實(shí)時(shí)運(yùn)行子系統(tǒng)與開發(fā)管理子系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

接口調(diào)理系統(tǒng)由高性能綜合電源、數(shù)據(jù)采集板卡等單元組成，主要負(fù)責(zé)向?qū)棇?shí)物供電完成物理樣機(jī)驅(qū)動(dòng)，并提供軟硬件之間信號(hào)調(diào)理和接口適配的互聯(lián)功能。接口調(diào)理具有通用性和轉(zhuǎn)換功能，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與物理樣機(jī)交互的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在各種數(shù)模I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離的基礎(chǔ)上，完成仿真輸入及驅(qū)動(dòng)輸出。

2.3快速原型系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式

為了滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)三個(gè)層次的仿真應(yīng)用，分別是算法快速驗(yàn)證、全彈原型樣機(jī)和硬件在回路實(shí)時(shí)仿真，本文提出了一種系統(tǒng)試驗(yàn)快速原型的實(shí)現(xiàn)方式，見圖1。

全彈原型樣機(jī)是有各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型共同構(gòu)成的全彈工作回路，各數(shù)學(xué)模型分別對(duì)應(yīng)不同的組部件，將各模型下載到快速原型開發(fā)平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)，并按照實(shí)際接口協(xié)議互聯(lián)，形成全彈的原型樣機(jī)。原型樣機(jī)具備與真實(shí)實(shí)物產(chǎn)品相同的工作時(shí)序，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在產(chǎn)品研制階段，及早驗(yàn)證全彈時(shí)序和功能性能的正確性。

在原型樣機(jī)建立后，算法快速原型驗(yàn)證主要目的是驗(yàn)證全彈制導(dǎo)回路和控制回路的正確性，集中考核導(dǎo)引組件和飛行控制組件的算法設(shè)計(jì)正確性。部分實(shí)物與平臺(tái)互聯(lián)后，通過目標(biāo)機(jī)的實(shí)時(shí)仿真，可以驗(yàn)證算法的工作時(shí)序、接口定義、AD精度以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍O(shè)計(jì)要求。

使用快速原型技術(shù)，可以使組部件在研制階段驗(yàn)證軟件的正確性，當(dāng)組部件實(shí)物交付后，配合全彈原型樣機(jī)，進(jìn)行硬件在回路仿真測(cè)試。原型樣機(jī)各部分具有與實(shí)物相對(duì)應(yīng)的硬件接口，可以和對(duì)應(yīng)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行互換。比如，僅需要一個(gè)導(dǎo)引頭實(shí)物便可以進(jìn)行全彈回路的實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真互聯(lián)，驗(yàn)證該實(shí)物在全彈系統(tǒng)下的功能性能表現(xiàn)。

前四個(gè)步驟通過軟硬結(jié)合，實(shí)時(shí)仿真，可以對(duì)個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行充足的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)問題盡早暴露，推進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)效率。所以，在最終的全彈實(shí)物測(cè)試階段，各分系統(tǒng)經(jīng)過了前期的充分驗(yàn)證后，能有效提高產(chǎn)品研制交付一次做好的成功率。

2.4快速原型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

導(dǎo)彈數(shù)學(xué)模型是快速原型開發(fā)平臺(tái)的核心[2]，根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)的特點(diǎn)，建立合理的導(dǎo)彈數(shù)學(xué)模型是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。作為導(dǎo)彈進(jìn)行外場(chǎng)飛行試驗(yàn)前的質(zhì)量考核試驗(yàn)，導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)重點(diǎn)考核全彈總體功能性能，確保全彈系統(tǒng)工作時(shí)序正常、環(huán)境適應(yīng)能力正常和武器系統(tǒng)工作響應(yīng)正常。以全彈系統(tǒng)工作時(shí)序?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，需要建立控制回路和制導(dǎo)回路的原理模型，包括導(dǎo)引系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)模型、伺服系統(tǒng)模型、動(dòng)力學(xué)模型、彈體模型等。其中控制系統(tǒng)作為導(dǎo)彈正常工作時(shí)的核心算法，在開發(fā)過程中可以細(xì)分建立為彈載計(jì)算機(jī)模型和慣性測(cè)量模型。

作為核心的控制系統(tǒng)模型，其中的彈載計(jì)算機(jī)模型中包含了導(dǎo)彈使用的制導(dǎo)濾波算法、制導(dǎo)控制算法、穩(wěn)定算法和導(dǎo)航算法等[3]，這些算法通過代碼實(shí)現(xiàn)生成彈載計(jì)算機(jī)的模型軟件。慣性測(cè)量模型則用于模擬生成彈上的加速度計(jì)和陀螺的測(cè)量值?？刂葡到y(tǒng)模型通過接收其他模型的數(shù)據(jù)信號(hào)，按照設(shè)計(jì)的算法公式計(jì)算出導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制回路的邏輯時(shí)序，控制導(dǎo)引頭系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的彈體姿態(tài)調(diào)整。

導(dǎo)引系統(tǒng)模型則是模擬導(dǎo)引頭在制導(dǎo)回路中的工作過程，根據(jù)實(shí)時(shí)仿真的彈目相對(duì)位置信息，計(jì)算得出彈目視線角速度等導(dǎo)引頭測(cè)量數(shù)據(jù)，相應(yīng)的執(zhí)行模擬執(zhí)行隨動(dòng)、截獲和自主跟蹤。

伺服系統(tǒng)模型則主要模擬舵機(jī)的工作過程，通過計(jì)算由控制系統(tǒng)模型發(fā)出的舵控指令等信息，按照自身算法輸出舵面的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)向控制系統(tǒng)反饋執(zhí)行結(jié)果，閉合控制回路。

彈體模型作為彈體的動(dòng)力學(xué)模型，具備六自由度計(jì)算能力，可以根據(jù)導(dǎo)彈的動(dòng)壓、攻角等信息，模擬輸出導(dǎo)彈的加速度和角加速度。

彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型則根據(jù)試驗(yàn)人員設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件和場(chǎng)景，完成慣性坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系和導(dǎo)彈慣性坐標(biāo)系等空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，計(jì)算出模擬載機(jī)、導(dǎo)彈和目標(biāo)三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立空間方位場(chǎng)。

3結(jié)束語

導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)快速原型應(yīng)用平臺(tái)有機(jī)的將產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證二合為一：

1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，通過建立各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型已經(jīng)對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象接口調(diào)理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品原型樣機(jī)的軟件環(huán)境開發(fā)和硬件I/O平臺(tái)搭建，從而在產(chǎn)品實(shí)物控制對(duì)象與全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間建立了可實(shí)時(shí)仿真計(jì)算的硬件在回路平臺(tái)。

2）當(dāng)某組部件完成實(shí)物制造后，可以通過快速原型平臺(tái)迅速完成全系統(tǒng)極的硬件在回路聯(lián)試，驗(yàn)證工作時(shí)序、總線通訊以及其功能性能的正確性。從而在最終產(chǎn)品集成全彈進(jìn)行總體性能交付試驗(yàn)時(shí)，可以極大提高試驗(yàn)效率，減少不必要的資源浪費(fèi)，加快了研制項(xiàng)目的整體進(jìn)展。

基于快速原型技術(shù)的導(dǎo)彈系統(tǒng)試驗(yàn)體系設(shè)計(jì)具備了導(dǎo)彈原理樣機(jī)、電氣接口調(diào)理和硬件在回路仿真測(cè)試等多項(xiàng)技術(shù)手段優(yōu)點(diǎn)，通過大量的系統(tǒng)聯(lián)試和硬件在回路仿真測(cè)試，可以盡早暴露設(shè)計(jì)問題，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，加快全彈實(shí)物產(chǎn)品的研制進(jìn)度。同時(shí)，通過軟硬件結(jié)合，可以充分驗(yàn)證導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制算法的設(shè)計(jì)正確性，通過模擬仿真多種試驗(yàn)條件，確保在內(nèi)場(chǎng)研制過程中把試驗(yàn)做到位，在外場(chǎng)飛行試驗(yàn)時(shí)便能使用質(zhì)量合格的產(chǎn)品，最大程度做到產(chǎn)品研制一次做好。這種試驗(yàn)體系設(shè)計(jì)一方面繼承了傳統(tǒng)體系下嚴(yán)格考核產(chǎn)品功能性能的試驗(yàn)方法，同時(shí)創(chuàng)新性使用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段低成本的循環(huán)迭代設(shè)計(jì)改進(jìn)，形成了導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)——仿真——設(shè)計(jì)的螺旋式穩(wěn)定上升設(shè)計(jì)過程，推動(dòng)項(xiàng)目研制的工程實(shí)現(xiàn)做的更快更好。

參考文獻(xiàn)：

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[3]泮斌峰.導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型研究，[學(xué)位論文]，西北工業(yè)大學(xué)，2007.3.

（作者單位：航空工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院）