馬昀楷，胡 敏，王 萌，黎玉剛

(1 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065；2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

彈載飛控系統(tǒng)是導(dǎo)彈的核心組成部分，負(fù)責(zé)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中的導(dǎo)航、制導(dǎo)控制和信息處理，對(duì)導(dǎo)彈能否精確命中目標(biāo)具有至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)導(dǎo)彈功能需求的提升，傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擴(kuò)展能力差、體積大等缺點(diǎn)的影響越來(lái)越大，難以適應(yīng)現(xiàn)代武器系統(tǒng)的需求[1]。為適應(yīng)導(dǎo)彈智能化與輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代彈載飛控系統(tǒng)多采用集成化的設(shè)計(jì)方式，使各飛控組件相互滲透和有機(jī)融合，形成兼具信息處理、邏輯判斷、時(shí)序控制等多種功能的綜合單元[2]。

隨著彈載飛控系統(tǒng)功能復(fù)雜度和集成化程度的提升，對(duì)飛控系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證能力的要求也越來(lái)越高。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研制以計(jì)算機(jī)和虛擬儀器為主的導(dǎo)彈通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。美國(guó)陸軍按照 “綜合測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)(IFTE)標(biāo)準(zhǔn)”研發(fā)的導(dǎo)彈飛控集成測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)在導(dǎo)彈研制和生產(chǎn)中已得到推廣應(yīng)用[3]。目前國(guó)內(nèi)彈載飛控系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證工作大多仍在延續(xù)傳統(tǒng)的組件獨(dú)立測(cè)試方式，測(cè)試設(shè)備功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)各組件的集成驗(yàn)證，降低了飛控系統(tǒng)的研發(fā)效率[4]。

文中設(shè)計(jì)了一套彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)彈載飛控系統(tǒng)集成測(cè)試的需求，能夠模擬飛控系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境與信息交互場(chǎng)景，為飛控系統(tǒng)組件的性能驗(yàn)證以及系統(tǒng)集成后的測(cè)試驗(yàn)證提供有效手段，實(shí)現(xiàn)了飛控系統(tǒng)測(cè)試流程的優(yōu)化，有效縮短了研制周期，提高了研發(fā)效率。

1 彈載飛控系統(tǒng)測(cè)試需求

1.1 彈載飛控系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系

彈載飛控系統(tǒng)集成了飛控裝置、慣性測(cè)量單元、衛(wèi)星定位儀、高度計(jì)以及舵機(jī)等緊密關(guān)聯(lián)的制導(dǎo)控制組件功能，實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)控制組件的功能綜合與軟硬件結(jié)合，提高了資源利用率，是一種智能化彈藥信息處理系統(tǒng)。各飛控組件間根據(jù)需求采用彈上高速總線進(jìn)行通信，并采用統(tǒng)一的電源設(shè)備進(jìn)行供電。彈載飛控系統(tǒng)的信號(hào)交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)功能需求

本測(cè)試系統(tǒng)需要模擬彈載飛控系統(tǒng)的真實(shí)工作環(huán)境，對(duì)飛控裝置、慣性測(cè)量單元、衛(wèi)星定位儀、舵機(jī)和高度計(jì)等飛控系統(tǒng)組件的通信協(xié)議和工作時(shí)序等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。主要完成以下功能：

1)模擬發(fā)控裝置對(duì)飛控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，按照導(dǎo)彈工作時(shí)序，引導(dǎo)飛控系統(tǒng)執(zhí)行導(dǎo)彈的作戰(zhàn)流程；

2)發(fā)送和接收RS422信息，模擬衛(wèi)星定位儀、慣性測(cè)量單元、高度計(jì)與飛控裝置進(jìn)行通信，模擬飛控裝置與其他飛控組件進(jìn)行通信，構(gòu)建飛控系統(tǒng)內(nèi)組件間交互信息的測(cè)試環(huán)境；

3)發(fā)送和接收模擬量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)控制回路的測(cè)試；

4)檢測(cè)飛控組件間及飛控系統(tǒng)與發(fā)控裝置間的通信數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛控組件及飛控系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控與分析。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)彈載飛控系統(tǒng)的測(cè)試需求，結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)兼容性、通用性的要求，文中設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)采用以中心仿真計(jì)算機(jī)和綜合管理計(jì)算機(jī)為核心，擴(kuò)展組件模擬器的分布式架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)主要由中心仿真計(jì)算機(jī)、綜合管理計(jì)算機(jī)、飛控組件模擬器、電源管理單元以及信號(hào)調(diào)理與適配單元組成。中心仿真計(jì)算機(jī)和綜合管理計(jì)算機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算與流程管理的核心單元；飛控組件模擬器用于構(gòu)建飛控系統(tǒng)組件的虛擬樣機(jī)，各個(gè)飛控組件模擬器通過(guò)信號(hào)調(diào)理與適配單元和被測(cè)飛控組件/系統(tǒng)組成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試驗(yàn)證；電源管理單元為被測(cè)飛控組件/系統(tǒng)提供電源，并受測(cè)試系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電源管理，模擬導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的供電時(shí)序和電源切換過(guò)程。

系統(tǒng)支持分布式測(cè)試驗(yàn)證與實(shí)時(shí)并行運(yùn)算，測(cè)試時(shí)中心仿真計(jì)算機(jī)和綜合管理計(jì)算機(jī)可以根據(jù)需要與多個(gè)飛控組件模擬器相連，以適應(yīng)對(duì)不同子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的需求。

2.2 綜合測(cè)試系統(tǒng)組成單元

1)中心仿真計(jì)算機(jī)。中心仿真計(jì)算機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)的核心組成部分，是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與解算中心，采用NI公司的PXI平臺(tái)，內(nèi)部設(shè)有多核處理器模塊、時(shí)序邏輯模塊、開(kāi)關(guān)量模塊、總線模塊等，能夠針對(duì)測(cè)試需求實(shí)時(shí)產(chǎn)生測(cè)試方案所需的激勵(lì)信號(hào)，模擬導(dǎo)彈飛行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信號(hào)/數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動(dòng)各組件模擬器，實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)注入和采集。

中心仿真計(jì)算機(jī)用于搭建導(dǎo)彈時(shí)序流程、彈體動(dòng)力學(xué)模型等，根據(jù)飛控系統(tǒng)真實(shí)組件或組件模擬器的收發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信息。中心仿真計(jì)算機(jī)配置高性能多核處理器，以滿足大量數(shù)據(jù)并發(fā)處理的需求，并通過(guò)以太網(wǎng)和組件模擬器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，以滿足飛控系統(tǒng)測(cè)試的實(shí)時(shí)性需求。

2)綜合管理計(jì)算機(jī)。綜合管理計(jì)算機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)測(cè)試流程管理。它通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可進(jìn)行測(cè)試流程編制、變量配置和監(jiān)控等。綜合管理計(jì)算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)有：

①系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)和管理：控制各設(shè)備的啟停，并且通過(guò)自定義測(cè)試流程進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試；

②系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控：與中心仿真計(jì)算機(jī)和組件模擬器進(jìn)行通信，對(duì)設(shè)備間的收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控。

3)飛控組件模擬器。飛控組件模擬器分別用于模擬飛控系統(tǒng)中的導(dǎo)引頭、慣性測(cè)量單元、舵機(jī)、衛(wèi)星定位儀、高度計(jì)、飛控裝置等功能單元。飛控組件模擬器基于配置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的NI工控機(jī)箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，組件模擬器機(jī)箱中配有和真實(shí)飛控組件相同類型的通信板卡，板卡輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元轉(zhuǎn)換后成為與真實(shí)產(chǎn)品規(guī)格一致的電氣信號(hào)。在研發(fā)的不同階段，可以根據(jù)需求由部分組件模擬器和真實(shí)組件共同組成完整的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并可實(shí)現(xiàn)組件模擬器和真實(shí)組件的無(wú)縫替換。

4)信號(hào)調(diào)理與適配單元。信號(hào)調(diào)理與適配單元分為信號(hào)調(diào)理模塊與信號(hào)適配模塊兩部分。信號(hào)調(diào)理模塊用于對(duì)組件模擬器中標(biāo)準(zhǔn)板卡的輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使各模擬器具有和真實(shí)產(chǎn)品相同的電氣規(guī)格。典型的信號(hào)調(diào)理模塊如圖3所示，由輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)3部分組成。輸入級(jí)進(jìn)行信號(hào)的緩沖驅(qū)動(dòng)；隔離級(jí)對(duì)模擬器板卡和產(chǎn)品進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)；輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的功率放大輸出。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理

信號(hào)適配模塊用于進(jìn)行線路連接和接口適配，實(shí)現(xiàn)真實(shí)組件、模擬器件、電源及其他線纜之間接口的匹配連接。

5)電源管理單元。電源管理單元由多臺(tái)程控電源組成，可通過(guò)綜合管理計(jì)算機(jī)將電源的通電、斷電、拉偏等操作編制成自動(dòng)化步驟。從而可以將電源操作融合進(jìn)測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)通電流程的連續(xù)運(yùn)行，最大限度實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例的自動(dòng)化運(yùn)行。另一方面，由自動(dòng)流程控制的電源操作也能更準(zhǔn)確進(jìn)行電源拉偏和多路電源切換等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈工作流程的更為準(zhǔn)確的模擬。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件是基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribution service，DDS)與公共對(duì)象網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(common object request broker architecture，CORBA)搭建的，系統(tǒng)將所有設(shè)備串聯(lián)在同一個(gè)設(shè)備總線上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的實(shí)時(shí)交互。

系統(tǒng)軟件包含控制測(cè)試流程啟停、模型載入、數(shù)據(jù)分析處理以及通信接口管理等多個(gè)功能模塊，支持多模型并行運(yùn)算，能夠完成彈體模型、傳感器模型等多模型的共同編譯及同時(shí)運(yùn)行，軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 彈載飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)測(cè)試流程

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先進(jìn)行硬件初始化配置，加載測(cè)試主程序，完成飛控系統(tǒng)上電自檢，自檢通過(guò)后，測(cè)試人員通過(guò)參數(shù)配置進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)根據(jù)需求利用測(cè)試系統(tǒng)可以編制多組測(cè)試用例并自動(dòng)化運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)分支和參數(shù)范圍的覆蓋測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試流程

測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)與測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)顯示在測(cè)試用例運(yùn)行界面中，便于測(cè)試人員進(jìn)行觀測(cè)分析。圖6所示為一個(gè)具體的測(cè)試用例運(yùn)行界面，系統(tǒng)采用特定的指令控制組件模擬器和電源管理單元進(jìn)行信息收發(fā)操作。圖中Set型指令用于設(shè)置組件模擬器的發(fā)送信息以及電源輸出電壓，Get型指令用于接收測(cè)試對(duì)象的反饋信息及電源的實(shí)際輸出。通過(guò)將指令進(jìn)行組合，可方便地對(duì)飛控系統(tǒng)的邏輯功能和性能進(jìn)行測(cè)試，每條指令的執(zhí)行結(jié)果以色塊的形式展示在運(yùn)行界面中。由于指令中加入了電源操作，可以實(shí)現(xiàn)多次通電流程的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的全自動(dòng)化運(yùn)行。

圖6 測(cè)試用例運(yùn)行界面

圖7所示為測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的某型彈載飛控系統(tǒng)舵機(jī)的舵指令與舵反饋曲線，從曲線中可清晰的觀測(cè)到1號(hào)舵指令與舵反饋曲線、2號(hào)舵指令與舵反饋曲線近似重合，表明舵機(jī)工作正常，性能穩(wěn)定。

圖7 某彈載飛控系統(tǒng)舵指令與舵反饋曲線

4 結(jié)論

文中根據(jù)當(dāng)前彈載飛控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)與測(cè)試需求設(shè)計(jì)了一種飛控綜合測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)搭建以中心仿真計(jì)算機(jī)和綜合管理計(jì)算機(jī)為核心的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈載飛控系統(tǒng)的綜合測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，該測(cè)試系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)、易操作等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的測(cè)試要求，簡(jiǎn)化了彈載飛控系統(tǒng)的測(cè)試流程，有效提升了飛控系統(tǒng)的測(cè)試效率。