弹载飞控综合测试系统设计*

马昀楷，胡 敏，王 萌，黎玉刚

(1 西安应用光学研究所，西安 710065；2 西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

弹载飞控系统是导弹的核心组成部分，负责导弹飞行过程中的导航、制导控制和信息处理，对导弹能否精确命中目标具有至关重要的作用。随着现代战争对导弹功能需求的提升，传统飞控系统硬件结构复杂、扩展能力差、体积大等缺点的影响越来越大，难以适应现代武器系统的需求[1]。为适应导弹智能化与轻量化的发展趋势，现代弹载飞控系统多采用集成化的设计方式，使各飞控组件相互渗透和有机融合，形成兼具信息处理、逻辑判断、时序控制等多种功能的综合单元[2]。

随着弹载飞控系统功能复杂度和集成化程度的提升，对飞控系统测试验证能力的要求也越来越高。美国等发达国家已经开始研制以计算机和虚拟仪器为主的导弹通用自动测试系统。美国陆军按照 “综合测试验证系统(IFTE)标准”研发的导弹飞控集成测试验证系统在导弹研制和生产中已得到推广应用[3]。目前国内弹载飞控系统测试验证工作大多仍在延续传统的组件独立测试方式，测试设备功能单一，无法实现飞控系统各组件的集成验证，降低了飞控系统的研发效率[4]。

文中设计了一套弹载飞控综合测试系统，依据弹载飞控系统集成测试的需求，能够模拟飞控系统的实际工作环境与信息交互场景，为飞控系统组件的性能验证以及系统集成后的测试验证提供有效手段，实现了飞控系统测试流程的优化，有效缩短了研制周期，提高了研发效率。

1 弹载飞控系统测试需求

1.1 弹载飞控系统交联关系

弹载飞控系统集成了飞控装置、惯性测量单元、卫星定位仪、高度计以及舵机等紧密关联的制导控制组件功能，实现了制导控制组件的功能综合与软硬件结合，提高了资源利用率，是一种智能化弹药信息处理系统。各飞控组件间根据需求采用弹上高速总线进行通信，并采用统一的电源设备进行供电。弹载飞控系统的信号交联关系如图1所示。

1.2 测试系统功能需求

本测试系统需要模拟弹载飞控系统的真实工作环境，对飞控装置、惯性测量单元、卫星定位仪、舵机和高度计等飞控系统组件的通信协议和工作时序等参数进行测试。主要完成以下功能：

1)模拟发控装置对飞控系统发送控制指令，按照导弹工作时序，引导飞控系统执行导弹的作战流程；

2)发送和接收RS422信息，模拟卫星定位仪、惯性测量单元、高度计与飞控装置进行通信，模拟飞控装置与其他飞控组件进行通信，构建飞控系统内组件间交互信息的测试环境；

3)发送和接收模拟量信息，实现对舵机控制回路的测试；

4)检测飞控组件间及飞控系统与发控装置间的通信数据，实现对飞控组件及飞控系统工作状态的监控与分析。

2 测试系统硬件设计

2.1 弹载飞控综合测试系统架构

根据弹载飞控系统的测试需求，结合测试系统兼容性、通用性的要求，文中设计的测试系统采用以中心仿真计算机和综合管理计算机为核心，扩展组件模拟器的分布式架构，如图2所示。

图2 弹载飞控综合测试系统架构

弹载飞控综合测试系统主要由中心仿真计算机、综合管理计算机、飞控组件模拟器、电源管理单元以及信号调理与适配单元组成。中心仿真计算机和综合管理计算机是测试系统数据运算与流程管理的核心单元；飞控组件模拟器用于构建飞控系统组件的虚拟样机，各个飞控组件模拟器通过信号调理与适配单元和被测飞控组件/系统组成闭环系统，实现飞控系统的闭环测试验证；电源管理单元为被测飞控组件/系统提供电源，并受测试系统控制，可实现自动化电源管理，模拟导弹武器系统的供电时序和电源切换过程。

系统支持分布式测试验证与实时并行运算，测试时中心仿真计算机和综合管理计算机可以根据需要与多个飞控组件模拟器相连，以适应对不同子系统进行测试的需求。

2.2 综合测试系统组成单元

1)中心仿真计算机。中心仿真计算机是测试系统的核心组成部分，是系统的实时数据处理与解算中心，采用NI公司的PXI平台，内部设有多核处理器模块、时序逻辑模块、开关量模块、总线模块等，能够针对测试需求实时产生测试方案所需的激励信号，模拟导弹飞行过程中的动态信号/数据，用于驱动各组件模拟器，实现接口数据的实时注入和采集。

中心仿真计算机用于搭建导弹时序流程、弹体动力学模型等，根据飞控系统真实组件或组件模拟器的收发数据实时进行数据处理并产生相应的激励信息。中心仿真计算机配置高性能多核处理器，以满足大量数据并发处理的需求，并通过以太网和组件模拟器进行实时通信，以满足飞控系统测试的实时性需求。

2)综合管理计算机。综合管理计算机是测试系统的上位机，负责系统测试流程管理。它通过以太网络与测试系统中的其他设备进行数据交互，可进行测试流程编制、变量配置和监控等。综合管理计算机承担的任务有：

①系统流程设计和管理：控制各设备的启停，并且通过自定义测试流程进行系统自动化测试；

②系统运行状态监控：与中心仿真计算机和组件模拟器进行通信，对设备间的收发数据进行在线监控。

3)飞控组件模拟器。飞控组件模拟器分别用于模拟飞控系统中的导引头、惯性测量单元、舵机、卫星定位仪、高度计、飞控装置等功能单元。飞控组件模拟器基于配置嵌入式实时操作系统的NI工控机箱进行设计，组件模拟器机箱中配有和真实飞控组件相同类型的通信板卡，板卡输出经信号调理单元转换后成为与真实产品规格一致的电气信号。在研发的不同阶段，可以根据需求由部分组件模拟器和真实组件共同组成完整的闭环系统进行测试验证，并可实现组件模拟器和真实组件的无缝替换。

4)信号调理与适配单元。信号调理与适配单元分为信号调理模块与信号适配模块两部分。信号调理模块用于对组件模拟器中标准板卡的输入/输出信号进行调理，使各模拟器具有和真实产品相同的电气规格。典型的信号调理模块如图3所示，由输入级、隔离级、输出级3部分组成。输入级进行信号的缓冲驱动；隔离级对模拟器板卡和产品进行隔离，实现对产品的保护；输出级实现对信号的功率放大输出。

图3 信号调理电路原理

信号适配模块用于进行线路连接和接口适配，实现真实组件、模拟器件、电源及其他线缆之间接口的匹配连接。

5)电源管理单元。电源管理单元由多台程控电源组成，可通过综合管理计算机将电源的通电、断电、拉偏等操作编制成自动化步骤。从而可以将电源操作融合进测试流程，实现多个系统通电流程的连续运行，最大限度实现测试用例的自动化运行。另一方面，由自动流程控制的电源操作也能更准确进行电源拉偏和多路电源切换等操作，实现对导弹工作流程的更为准确的模拟。

3 测试系统软件设计

3.1 测试系统软件架构

弹载飞控综合测试系统软件是基于数据分发服务(data distribution service，DDS)与公共对象网络结构(common object request broker architecture，CORBA)搭建的，系统将所有设备串联在同一个设备总线上，实现了设备之间的实时交互。

系统软件包含控制测试流程启停、模型载入、数据分析处理以及通信接口管理等多个功能模块，支持多模型并行运算，能够完成弹体模型、传感器模型等多模型的共同编译及同时运行，软件架构如图4所示。

图4 弹载飞控综合测试系统软件架构

3.2 系统测试流程

进行测试时，首先进行硬件初始化配置，加载测试主程序，完成飞控系统上电自检，自检通过后，测试人员通过参数配置进行测试。测试时根据需求利用测试系统可以编制多组测试用例并自动化运行，以实现对系统流程结构分支和参数范围的覆盖测试，系统测试流程如图5所示。

图5 系统测试流程

测试系统的工作状态与测试数据会显示在测试用例运行界面中，便于测试人员进行观测分析。图6所示为一个具体的测试用例运行界面，系统采用特定的指令控制组件模拟器和电源管理单元进行信息收发操作。图中Set型指令用于设置组件模拟器的发送信息以及电源输出电压，Get型指令用于接收测试对象的反馈信息及电源的实际输出。通过将指令进行组合，可方便地对飞控系统的逻辑功能和性能进行测试，每条指令的执行结果以色块的形式展示在运行界面中。由于指令中加入了电源操作，可以实现多次通电流程的连续运行，实现测试过程的全自动化运行。

图6 测试用例运行界面

图7所示为测试系统监测到的某型弹载飞控系统舵机的舵指令与舵反馈曲线，从曲线中可清晰的观测到1号舵指令与舵反馈曲线、2号舵指令与舵反馈曲线近似重合，表明舵机工作正常，性能稳定。

图7 某弹载飞控系统舵指令与舵反馈曲线

4 结论

文中根据当前弹载飞控系统的组成特点与测试需求设计了一种飞控综合测试系统。通过搭建以中心仿真计算机和综合管理计算机为核心的软硬件平台，实现了对弹载飞控系统的综合测试验证。实际运行结果显示，该测试系统具有自动化程度高、通用性强、易操作等优点，能够满足导弹飞控系统的测试要求，简化了弹载飞控系统的测试流程，有效提升了飞控系统的测试效率。