基于快速原型的导弹系统试验体系研究

陈之光

【摘  要】战术导弹作为一型高精尖武器系统，目前其研制模式主要以实物试验为主，通过实物的技术状态迭代以不断推进科研进程。该模式存在研制周期长，投入成本高，试验覆盖深度相对不足等问题。本文拟提出一种基于快速原型技术的系统测试体系，在科研阶段通过软硬件结合搭建高效的系统级快速性能验证平台，从而实现降本增效的工程价值，提高一次做好的科研效率。

【关键词】战术导弹;系统试验;快速原型;试验体系;

引言

战术导弹系统作为国防工业中至关重要的一环，在领土安全和大国外交等方面发挥着举足轻重的作用。当前国际环境风起云涌，国防军备需求紧迫，如何在保证武器研制质量的前提下，进一步缩短研制周期和减少开发成本，形成武器产品性能的快速迭代和强大的供应能力，是当前国防工业内的一项研究重点。战术导弹的科研定型是一项庞大的系统工程，在其性能的技术复杂性日新月异变化的同时，传统的研制模式一定程度上束缚了不断向前探索的研究步伐。本文提出一种基于快速原型技术的战术导弹系统试验体系设计，不同于现有的依靠大量实物试验与迭代的传统研制模式，在导弹系统试验过程中引入快速原型设计理念，通过实物产品与数字虚拟样机互联，具备快速虚拟测试和评估能力，可以迅速积累大量试验数据，及早暴露设计问题，快速完成设计迭代，完善实物样机的性能设计，进而提高导弹系统的综合设计能力，缩短研制周期，降低成本投入等研制目标。

1.导弹系统试验体系分析

在导弹系统的研制中，试验工作占据了非常重要的地位，导弹的研制过程是一个设计——试验——改进设计——再次试验——最终鉴定的过程。本文主要讨论的是研制阶段进行的导弹系统试验。导弹系统试验指的是在各分系统集成为全弹后，对导弹系统进行的开环测试，重点考核全弹的总体性能。导弹系统试验贯穿型号研制的的各个阶段，主要考核产品的性能和环境适应性，以及验证设计结果的正确性，暴露设计中可能存在的问题。随着型号研制的进展，产品功能不断完善、性能指标逐渐达到设计要求，设计人员通过导弹系统试验验证产品总体性能指标与研制总要求的相符性。目前常用的系统试验体系自下而上分为三层，分别是第一层的系统性能联试，第二层的环境适应性测试和第三层的导弹武器系统联试。系统性能联试指的是在导弹各分系统首次集成全弹后，通过系统工作时序测试、任务书指标验证测试等试验项目对各系统间的通讯正确性、协同工作正确性、以及主要的制导和控制回路正确性等进行考核。环境适应性测试指的是通过模拟导弹真实工作环境，如高低温、挂机振动等条件，进一步考核导弹真实工况下的功能性能表现。武器系统联试指的是导弹与载机系统进行联调，验证二者通讯及指令响应的正确性，以确保后期飞行试验的成功。

2导弹系统试验快速原型技术的设计

2.1快速原型的简介

快速原型（Rapid Prototyping，RP）是指在产品研制阶段，将产品的原理模型和算法由硬件平台与实物样机相连，通过海量的实时和非实时测试以验证产品设计结果，对设计进行不断迭代完善直至最终确定技术状态，完成产品设计研发的闭环。该技术1988年诞生于美国，最初应用于快速实现结构产品设计向三维实体模型的转换，它的出现为装备制造方法带来了巨大的变革，无模制造、加工信息远程传递制造等新技术应运而生。20世纪90年代初，美国福特公司提出了快速控制原型的概念，并在汽车研发设计中成功应用，极大缩短了研发时间和成本。紧接着美国MathWorks公司成功开发了RTW以实现Simulink模型向产品代码的自动生成功能;加拿大OPAL-RT[1]公司研发了基于实时仿真平台的快速原型开发系统RT-LAB。西工大为代表的一批国内高校在快速原型技术的复杂系统应用研究方面也取得了长足的进展。从最初的快速实物原型实现技术发展到概念原型实现技术，RP技术已经在包括航空航天、工业制造等各行各业中发挥着重要的作用

2.2快速原型平台构成

导弹系统试验快速原型平台要能满足下述三项功能。算法验证快速原型，即提供全弹算法快速设计验证的软硬件环境;实现全弹原型样机，即将各分系统数学模型集成为全弹工作回路;硬件在回路的实时仿真测试，原型样机按照实际接口逻辑与实物互联，实现全弹各系统在回路的功能及性能仿真。以功能需求为牵引，快速原型平台由开发管理子系统、实时运行子系统和接口调理系统共三部分组成。

开发管理子系统主要负责通过Matlab/Simulink实时仿真管理软件，主要完成全弹各分系统数学模型的开发、编译和执行，以及完成系统试验任务的管理和试验数据的分析等功能。实时运行子系统具有实时RTX实时操作系统，主要负责根据已经建立好的全弹数学模型进行实时仿真闭环试验。实时运行子系统与开发管理子系统之间通过以太网TCP/IP协议进行数据交互。

接口调理系统由高性能综合电源、数据采集板卡等单元组成，主要负责向导弹实物供电完成物理样机驱动，并提供软硬件之间信号调理和接口适配的互联功能。接口调理具有通用性和转换功能，是实现数字模型与物理樣机交互的基础和关键。在各种数模I/O信号转换及隔离的基础上，完成仿真输入及驱动输出。

2.3快速原型系统功能实现方式

为了满足导弹系统试验三个层次的仿真应用，分别是算法快速验证、全弹原型样机和硬件在回路实时仿真，本文提出了一种系统试验快速原型的实现方式，见图1。

全弹原型样机是有各分系统数学模型共同构成的全弹工作回路，各数学模型分别对应不同的组部件，将各模型下载到快速原型开发平台的实时仿真目标机，并按照实际接口协议互联，形成全弹的原型样机。原型样机具备与真实实物产品相同的工作时序，在此基础上可以实现对在产品研制阶段，及早验证全弹时序和功能性能的正确性。

在原型样机建立后，算法快速原型验证主要目的是验证全弹制导回路和控制回路的正确性，集中考核导引组件和飞行控制组件的算法设计正确性。部分实物与平台互联后，通过目标机的实时仿真，可以验证算法的工作时序、接口定义、AD精度以及数据传输等设计要求。

使用快速原型技术，可以使组部件在研制阶段验证软件的正确性，当组部件实物交付后，配合全弹原型样机，进行硬件在回路仿真测试。原型样机各部分具有与实物相对应的硬件接口，可以和对应产品实物进行互换。比如，仅需要一个导引头实物便可以进行全弹回路的实时系统仿真互联，验证该实物在全弹系统下的功能性能表现。

前四个步骤通过软硬结合，实时仿真，可以对个分系统进行充足的设计验证，使设计问题尽早暴露，推进设计改进效率。所以，在最终的全弹实物测试阶段，各分系统经过了前期的充分验证后，能有效提高产品研制交付一次做好的成功率。

2.4快速原型系统的数学模型

导弹数学模型是快速原型开发平台的核心[2]，根据系统试验的特点，建立合理的导弹数学模型是一项至关重要的任务。作为导弹进行外场飞行试验前的质量考核试验，导弹系统试验重点考核全弹总体功能性能，确保全弹系统工作时序正常、环境适应能力正常和武器系统工作响应正常。以全弹系统工作时序为出发点，需要建立控制回路和制导回路的原理模型，包括导引系统模型、控制系统模型、伺服系统模型、动力学模型、弹体模型等。其中控制系统作为导弹正常工作时的核心算法，在开发过程中可以细分建立为弹载计算机模型和惯性测量模型。

作为核心的控制系统模型，其中的弹载计算机模型中包含了导弹使用的制导滤波算法、制导控制算法、稳定算法和导航算法等[3]，这些算法通过代码实现生成弹载计算机的模型软件。惯性测量模型则用于模拟生成弹上的加速度计和陀螺的测量值。控制系统模型通过接收其他模型的数据信号，按照设计的算法公式计算出导弹制导和控制回路的逻辑时序，控制导引头系统和伺服系统进行相应的弹体姿态调整。

导引系统模型则是模拟导引头在制导回路中的工作过程，根据实时仿真的弹目相对位置信息，计算得出弹目视线角速度等导引头测量数据，相应的执行模拟执行随动、截获和自主跟踪。

伺服系统模型则主要模拟舵机的工作过程，通过计算由控制系统模型发出的舵控指令等信息，按照自身算法输出舵面的偏转角度，同时向控制系统反馈执行结果，闭合控制回路。

弹体模型作为弹体的动力学模型，具备六自由度计算能力，可以根据导弹的动压、攻角等信息，模拟输出导弹的加速度和角加速度。

弹目相对运动学模型则根据试验人员设计的试验条件和场景，完成惯性坐标系、地球坐标系和导弹惯性坐标系等空间坐标系之间的转换，计算出模拟载机、导弹和目标三者之间的相对运动关系，建立空间方位场。

3结束语

导弹系统试验快速原型应用平台有机的将产品设计开发和试验验证二合为一：

1）在产品设计开发阶段，通过建立各分系统数学模型已经对应的控制对象接口调理系统，实现了产品原型样机的软件环境开发和硬件I/O平台搭建，从而在产品实物控制对象与全系统数学模型之间建立了可实时仿真计算的硬件在回路平台。

2）当某组部件完成实物制造后，可以通过快速原型平台迅速完成全系统极的硬件在回路联试，验证工作时序、总线通讯以及其功能性能的正确性。从而在最终产品集成全弹进行总体性能交付试验时，可以极大提高试验效率，减少不必要的资源浪费，加快了研制项目的整体进展。

基于快速原型技术的导弹系统试验体系设计具备了导弹原理样机、电气接口调理和硬件在回路仿真测试等多项技术手段优点，通过大量的系统联试和硬件在回路仿真测试，可以尽早暴露设计问题，验证设计结果，加快全弹实物产品的研制进度。同时，通过软硬件结合，可以充分验证导弹制导和控制算法的设计正确性，通过模拟仿真多种试验条件，确保在内场研制过程中把试验做到位，在外场飞行试验时便能使用质量合格的产品，最大程度做到产品研制一次做好。这种试验體系设计一方面继承了传统体系下严格考核产品功能性能的试验方法，同时创新性使用软硬件结合的方式实现了产品设计阶段低成本的循环迭代设计改进，形成了导弹系统设计——仿真——设计的螺旋式稳定上升设计过程，推动项目研制的工程实现做的更快更好。

参考文献：

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

[2]杨涤，李立涛，杨旭等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]泮斌峰.导弹制导控制系统快速原型研究，[学位论文]，西北工业大学，2007.3.

（作者单位：航空工业空空导弹研究院）