制導、姿控、仿真協同設計平臺的研制與實踐＊

◎北京航天自動控制研究所 禹春梅 王輝 宋維軍 尚騰 梁祿楊

制導、姿控、仿真協同設計平臺的研制與實踐＊

◎北京航天自動控制研究所 禹春梅 王輝 宋維軍 尚騰 梁祿楊

為了適應多任務并舉、協同設計、快速論證的要求，通過制導、姿控、仿真協同設計平臺的研制與實踐，將商業軟件、自研設計工具、仿真模型、控制算法規范化，設計流程工具化，系統方案模塊化，實現了隱性知識顯性化及制導、姿控、仿真設計的協同化，提升了設計效率，使制導、姿控、仿真從傳統的研制模式向設計流程自動化的并行協同研制模式轉變。

為了滿足型號高密度發射的要求、支持多型號快速論證、解決多專業耦合設計、推動方案的規范化與產品化，北京航天自動控制研究所開展了制導、姿控、仿真協同設計平臺的研制和應用工作，全面打通了制導、姿控系統從上游（總體任務書）到設計結果入庫的自動化設計通道，并進行流程再造，以實現從粗放的串行研發模式向精細的協同并行研發模式轉變。

一、協同設計平臺的構建與應用

1．平臺構建

從2013年4月開始，研究所組織研制團隊深入分析了國外先進設計工具軟件的理念與精髓，結合火箭/導彈控制系統設計仿真的特點與需求，自主進行了制導、姿控、仿真協同設計平臺的研制工作。同時，研制團隊進行了協同設計平臺的需求細化、方案確定、規范制定、平臺研制與測試、推廣應用等一系列實踐工作。為了高效開展平臺研制，研究所建立了制導、姿控、仿真3個專業的研制小組，并建立了周例會的工作推進制度。最終，研制團隊經過近百次的溝通協調，完成了制導、姿控、仿真協同設計平臺軟件的開發和現場測試工作，并于2015年1月舉行了所級發布會。

在平臺建設的同時，形成了1個制導與姿控數據結構標準、2個仿真軟件編制規范、3個仿真軟件基礎庫、4個應用規定、1套仿真模型手冊等頂層文件，以指導和規范平臺的使用。平臺的設計功能包括常用商業軟件、自研設計工具的集成與應用、設計流程定制等，集成了Matlab、STK、Origin、Office、Isight等商業軟件以及導航、制導、姿控共計24個自研設計工具，形成了制導、姿控系統自動化設計流程，實現了制導、姿控系統方案的模塊化選擇。平臺的仿真功能包括仿真模型管理、仿真工程構建、仿真代碼一鍵生成等，實現了仿真軟件的可視化構建。

協同設計平臺采取網絡化布局，以“服務器端—客戶端”為模式運行。服務器端共享知識和數據，內容包括制導、姿控、仿真系統的知識、方法、工具、模型、規范等；設計師應用客戶端實現對共享內容的檢索、下載、共享，并以此為基礎開展協同設計工作。平臺以“知識共享—標準化—再設計—再共享”的循環升級方式不斷自我完善，同時提供了強大、全面的知識庫，包括各種工具、模型的公式算法、設計報告、測試報告等。

2．平臺應用

一是設計流程的規范化、自動化。

制導、姿控系統設計流程的自動化是通過設計模板將原有的設計流程進行規范和向導化，明確設計節點的數據傳遞關系，并將型號已有的設計經驗和設計結果進行有效集納與智能提示。

為實現制導、姿控系統設計流程的規范化、自動化，首先對制導、姿控系統設計過程需要遵從的作業指導書和標準規范進行充分的知識挖掘，梳理各個設計環節的輸入、約束、目標、原理和方法等，通過軟件開發形成各個設計環節的軟件工具；其次，通過設計模板將原有的設計流程進行規范和向導化，明確各個設計環節的標準接口形式，實現從任務書分析、方案設計、試驗驗證到提出軟件研制任務書全流程的自動化；最后，在設計模板中充分集納積累的型號設計結果和設計經驗，以便于方案借鑒并避免出現低層次的設計質量問題，從而實現快速設計。

二是仿真驗證的可視化、向導化。

協同設計平臺內置仿真模型庫，可供檢索、下載、共享使用。設計師可以通過模型可視化拖拽的方式，將模型庫中的入庫模型添加到仿真工程中，并通過可視化的方式連接控制流和數據流，定義模型之間的傳遞關系，點擊“生成代碼”，即可生成完整的仿真工程。

三是并行協同的新研制模式。

專業協同包含數據和模型協同2個層面的功能。在并行協同研制模式下，設計師在收到設計輸入后，借用分析處理工具可以在數分鐘內完成數據分析；在論證方案時可以在系統方案庫中便捷地選擇合適的方案，并以此為基礎進行創新設計；制導、姿控、仿真3個專業之間可以快捷地傳遞和共享設計參數、仿真模型等，以實現方案的匹配、優化；在試驗驗證階段也可以繼承設計階段的成果，提升驗證效率。制導、姿控、仿真協同設計平臺如圖1所示。

同專業或同項目的設計人員可以通過協同工作空間同步設計輸入、設計結果等，也可以通過共享模型庫同步仿真模型，通過共享模板庫同步設計模板。

二、實踐效果

協同設計平臺經過6個月的全面應用，其中自研設計工具在30多個型號中進行了應用。成熟的制導律、校正網絡計算等工作耗時由“數天”縮短至“分鐘”量級；仿真工程的圖形化、拖拽式構建在10多個新型號中推廣應用，仿真軟件編制由原來的2～3個月減少到1個月，提升效率2倍以上，有效縮短了研制周期；10多個型號應用協同設計平臺進行了飛行試驗結果分析，從接到試驗數據到生成結果分析報告僅需數分鐘；制導、姿控、仿真系統的數據、模板協同功能使獨立串行設計逐步向并行協同設計轉變。

通過協同設計平臺的研制與應用，北京航天自動控制研究所全面打通了制導、姿控系統的自動化設計通道，修訂了專業研制流程和作業指導書，同時實現了從粗放的串行研發模式向精細的協同并行研發模式轉變。?

圖1 制導、姿控、仿真協同設計平臺

國家自然科學基金（61403355）