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 為了解決運載火箭半實物仿真試驗周期長、資源重用性差的問題，提出了采用虛擬試驗技術構建運載火箭控制系統(tǒng)虛擬試驗系統(tǒng)，以虛擬試驗輔助半實物試驗。首先介紹了虛擬試驗系統(tǒng)的構成，然后對構建虛擬試驗系統(tǒng)的幾項關鍵技術進行了闡述，最后構建了虛擬試驗原型系統(tǒng)。
仿真試驗是在運載火箭研制過程中必須要進行的大型地面試驗，通過仿真試驗可以考核制導、姿控方案的正確性、合理性，軟硬件的適應性以及相關箭上控制單機的性能。傳統(tǒng)的以實物試驗為主的半實物仿真試驗模式,為火箭的成功發(fā)射提供了保障，但是存在試驗周期長,資源重用性差的弱點,因此已滿足不了新的復雜產品的研制需求。隨著信息化、數(shù)字化等高新技術，以及高性能計算機、高速大容量存儲、實時網絡等硬件產品的發(fā)展，為試驗領域的發(fā)展提供了技術保障，使得在試驗手段朝著虛擬化、網絡化、智能化的方向發(fā)展。新技術與實物試驗相結合所產生的虛擬試驗技術為仿真試驗的開展提供了一條新途徑。虛擬試驗能夠提供實物試驗所無法進行的邊界條件試驗，從而為實物試驗提供補充數(shù)據，對控制系統(tǒng)進行更為全面的考核和分析。
建立控制系統(tǒng)虛擬試驗驗證環(huán)境，實現(xiàn)控制系統(tǒng)導航、制導、姿控、單機、軟件等多專業(yè)的集成，實現(xiàn)虛擬設備、實物設備、數(shù)字模型之間的互操作，整合各種虛擬資源，促進這些資源的重用和可組合，以快速、高效益的方式實現(xiàn)用于試驗。從而改進流程，實現(xiàn)并行設計模式，減少方案設計反復。

虛擬試驗系統(tǒng)構成

運載火箭控制系統(tǒng)虛擬試驗系統(tǒng)構成如圖1所示，以虛擬試驗通用化支撐框架為核心，由三部分構成：仿真模型建模環(huán)境，虛擬試驗通用化支撐框架和虛擬設備。

虛擬試驗系統(tǒng)的建模環(huán)境支持制導姿控系統(tǒng)模型的建立與驗證。建模是仿真試驗的基礎，為了能實現(xiàn)模型的重用，采用了規(guī)格化的方式描述，建立平臺無關、編程語言無關的模型定義。建模階段對模型格式、接口、訪問方式、執(zhí)行方式等進行約束，所生成的仿真模型經過驗模后保存到模型庫中。

將仿真模型分為通用模型、箭體模型、控制模型和評估模型。通用模型包括地球模型、大氣模型、坐標轉換、插值算法、積分算法等。主要對控制系統(tǒng)中比較確定的通用模塊進行接口定義和封裝。箭體模型包括繞心運動計算、質心運動計算、伺服機構模型、慣性器件模型、發(fā)動機模型和氣動模型，實現(xiàn)箭體、測量系統(tǒng)和執(zhí)行機構的模擬?？刂颇Ｐ桶ǜ骷壙刂品匠毯涂刂葡到y(tǒng)設計參數(shù)，完成箭上飛行軟件的功能。評估模型包括最大值統(tǒng)計、入軌偏差計算、誤差計算等常用評估方法。

圖1 虛擬試驗系統(tǒng)體系結構 

虛擬試驗通用化支撐框架為虛擬試驗系統(tǒng)的核心，負責對虛擬試驗的調度和管理。在試驗前設計試驗方案。在試驗過程中對試驗進行模型的集成，虛擬設備、實物設備的系統(tǒng)集成，以及與運載火箭的其它分系統(tǒng)的集成。實現(xiàn)模型驅動、時間管理、試驗監(jiān)控、數(shù)據管理。結果評估提供控制系統(tǒng)性能評估體系、評估方法，評估結果可以對制導、姿控設計方案提供修正依據。

根據控制系統(tǒng)設計方案的考核驗證需求，虛擬試驗通用化支撐框架應該具有通用性，表現(xiàn)在試驗階段的通用性、試驗狀態(tài)的通用性和試驗項目的通用性，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)虛擬試驗系統(tǒng)通用化視圖 

試驗階段的通用性是指滿足控制系統(tǒng)從方案論證、初樣、試樣到定型等各個研制階段的虛擬試驗的需求。試驗狀態(tài)的通用性是指滿足多種試驗狀態(tài)考核需求，包括正常狀態(tài)試驗、故障狀態(tài)試驗、性能摸底等試驗內容。試驗項目的通用性是指既能夠對組成控制系統(tǒng)的各個單機進行測試也可以進行分系統(tǒng)的測試還可以支持多個系統(tǒng)之間聯(lián)合實驗的開展?？刂葡到y(tǒng)虛擬試驗支撐框架要適應以上各種試驗狀態(tài)的需求，因此對其通用性提出了很高的要求。

虛擬設備是對箭上關鍵的控制設備進行虛擬化，包括虛擬箭載計算機、虛擬執(zhí)行機構、虛擬慣組等。虛擬設備是對實物設備功能和性能的模擬，并具有和實物設備一致的信息接口。

虛擬試驗關鍵技術

2.1 虛擬試驗支撐框架

虛擬試驗支撐框架應用于虛擬試驗的全過程，包括試驗配置階段、試驗運行階段和試驗數(shù)據處理階段。每個階段有各自的應用需求，如圖3所示。

圖3 虛擬試驗支撐框架設計

（1）試驗方案配置與生成

試驗方案配置與生成實現(xiàn)在試驗平臺環(huán)境中設計、配置、部署試驗方案，然后運行虛擬試驗。試驗方案包含仿真運行所需的足夠條件以及與仿真模型關聯(lián)，根據所配置的方案實現(xiàn)對模型的加載。虛擬試驗支撐框架還具有以下功能：

l 分布式管理功能，實現(xiàn)仿真模型在試驗節(jié)點的布署；

l 對試驗方案的管理功能；

l 滿足數(shù)學仿真模型、虛擬試驗模型和實物模型等多種模型形式的需求。

（2）試驗運行管理

在試驗過程中，實現(xiàn)：仿真模型的調度和數(shù)據交互；仿真時間的管理；試驗節(jié)點間的同步；對指定的數(shù)據進行采集、存儲，以便執(zhí)行數(shù)據的后處理過程；試驗數(shù)據的可視化。

（3）試驗數(shù)據處理

試驗數(shù)據處理實現(xiàn)對試驗數(shù)據的分析和評估，用于對控制系統(tǒng)設計方案的評價，也可以用于對仿真模型的校驗。數(shù)據處理方式與具體分析目標有關，最基本的是一些通用的數(shù)據處理方法，如均值、方差、頻譜分析、歷史數(shù)據對比、最大/最小值統(tǒng)計等。

試驗數(shù)據的處理還包括根據試驗方案和試驗內容生成試驗報告。

2.2 箭上設備虛擬化技術

箭上設備虛擬化的基礎是實物設備，并且結構形式和半實物仿真系統(tǒng)一致。典型的半實物仿真系統(tǒng)的組成如圖4所示。半實物仿真系統(tǒng)的組成包括：

l 仿真計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)箭體動力學模型解算，對仿真的運行控制以及與實物設備的IO接口；

l 環(huán)境模擬設備，如角運動仿真器、目標特性仿真器、目標運動仿真器、負載仿真器等；

l 被測實物，包括敏感器、箭載計算機、執(zhí)行機構。

 

圖4 仿真系統(tǒng)的組成框圖 

箭上設備的虛擬化則是以虛擬設備代替半實物仿真系統(tǒng)中的實物設備來進行試驗。包括箭載計算機、慣組、速率陀螺、執(zhí)行機構等。虛擬設備包括硬件和軟件，硬件實現(xiàn)對實物設備電氣接口的模擬，軟件實現(xiàn)對實物設備功能的模擬。虛擬箭載計算機的構成如圖5所示。

圖5 虛擬箭載計算機 

2.3 虛擬試驗系統(tǒng)集成技術

虛擬試驗系統(tǒng)集成涉及控制系統(tǒng)內部不同形式的模型的集成和控制系統(tǒng)與其它分系統(tǒng)之間的集成。

控制系統(tǒng)內部不同形式的模型是指數(shù)學模型、虛擬設備、實物設備之間的集成?？刂葡到y(tǒng)是對實時性要求十分嚴格的系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)內部集成采用了緊耦合形式的基于控制系統(tǒng)總線的實時協(xié)議。具體實現(xiàn)上采用了VMIC反射式內存網絡，Windows操作系統(tǒng)和RTX實時擴展運行環(huán)境。

控制系統(tǒng)與其它分系統(tǒng)的集成則采用了松耦合形式的分布式仿真協(xié)議，例如控制系統(tǒng)與箭體總體的交互。采用基于HLA的分布式仿真協(xié)議，通過訂購發(fā)布數(shù)據實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據交互。

虛擬試驗原型系統(tǒng)

以某型號運載火箭為背景設計了控制系統(tǒng)虛擬試驗原型系統(tǒng)，構成如圖6所示。包括箭體模擬計算機、虛擬箭載計算機以及內部總線構成了控制系統(tǒng)閉環(huán)，和其它分系統(tǒng)的信息交互采用了協(xié)議轉換計算機實現(xiàn)，保證了緊耦合仿真系統(tǒng)和松耦合仿真系統(tǒng)的數(shù)據同步。通過該原型系統(tǒng)實現(xiàn)了以上所述的虛擬試驗關鍵技術。將虛擬試驗的結果和半實物仿真試驗的結果進行比較，誤差在可接受范圍以內。

 

圖6 控制系統(tǒng)虛擬試驗原型系統(tǒng)

仿真作為運載火箭研發(fā)的重要手段，能夠起到了輔助設計、評估性能的作用。如何提高仿真試驗的效率，縮短仿真周期，實現(xiàn)真實的、虛擬的和構造的分布式試驗系統(tǒng)的互操作是在工程實際中亟待解決的問題。研究結果表明，虛擬試驗技術可為控制系統(tǒng)設計方案的分析、仿真和試驗提供支持，提高仿真資源重用與共享。