彈載飛控綜合測試系統(tǒng)設計*

馬昀楷，胡 敏，王 萌，黎玉剛

(1 西安應用光學研究所，西安 710065；2 西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

彈載飛控系統(tǒng)是導彈的核心組成部分，負責導彈飛行過程中的導航、制導控制和信息處理，對導彈能否精確命中目標具有至關重要的作用。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對導彈功能需求的提升，傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)硬件結構復雜、擴展能力差、體積大等缺點的影響越來越大，難以適應現(xiàn)代武器系統(tǒng)的需求[1]。為適應導彈智能化與輕量化的發(fā)展趨勢，現(xiàn)代彈載飛控系統(tǒng)多采用集成化的設計方式，使各飛控組件相互滲透和有機融合，形成兼具信息處理、邏輯判斷、時序控制等多種功能的綜合單元[2]。

隨著彈載飛控系統(tǒng)功能復雜度和集成化程度的提升，對飛控系統(tǒng)測試驗證能力的要求也越來越高。美國等發(fā)達國家已經(jīng)開始研制以計算機和虛擬儀器為主的導彈通用自動測試系統(tǒng)。美國陸軍按照 “綜合測試驗證系統(tǒng)(IFTE)標準”研發(fā)的導彈飛控集成測試驗證系統(tǒng)在導彈研制和生產(chǎn)中已得到推廣應用[3]。目前國內彈載飛控系統(tǒng)測試驗證工作大多仍在延續(xù)傳統(tǒng)的組件獨立測試方式，測試設備功能單一，無法實現(xiàn)飛控系統(tǒng)各組件的集成驗證，降低了飛控系統(tǒng)的研發(fā)效率[4]。

文中設計了一套彈載飛控綜合測試系統(tǒng)，依據(jù)彈載飛控系統(tǒng)集成測試的需求，能夠模擬飛控系統(tǒng)的實際工作環(huán)境與信息交互場景，為飛控系統(tǒng)組件的性能驗證以及系統(tǒng)集成后的測試驗證提供有效手段，實現(xiàn)了飛控系統(tǒng)測試流程的優(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)測試需求

1.1 彈載飛控系統(tǒng)交聯(lián)關系

彈載飛控系統(tǒng)集成了飛控裝置、慣性測量單元、衛(wèi)星定位儀、高度計以及舵機等緊密關聯(lián)的制導控制組件功能，實現(xiàn)了制導控制組件的功能綜合與軟硬件結合，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行通信，并采用統(tǒng)一的電源設備進行供電。彈載飛控系統(tǒng)的信號交聯(lián)關系如圖1所示。

1.2 測試系統(tǒng)功能需求

本測試系統(tǒng)需要模擬彈載飛控系統(tǒng)的真實工作環(huán)境，對飛控裝置、慣性測量單元、衛(wèi)星定位儀、舵機和高度計等飛控系統(tǒng)組件的通信協(xié)議和工作時序等參數(shù)進行測試。主要完成以下功能：

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

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

3)發(fā)送和接收模擬量信息，實現(xiàn)對舵機控制回路的測試；

4)檢測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)，實現(xiàn)對飛控組件及飛控系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控與分析。

2 測試系統(tǒng)硬件設計

2.1 彈載飛控綜合測試系統(tǒng)架構

根據(jù)彈載飛控系統(tǒng)的測試需求，結合測試系統(tǒng)兼容性、通用性的要求，文中設計的測試系統(tǒng)采用以中心仿真計算機和綜合管理計算機為核心，擴展組件模擬器的分布式架構，如圖2所示。

圖2 彈載飛控綜合測試系統(tǒng)架構

彈載飛控綜合測試系統(tǒng)主要由中心仿真計算機、綜合管理計算機、飛控組件模擬器、電源管理單元以及信號調理與適配單元組成。中心仿真計算機和綜合管理計算機是測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算與流程管理的核心單元；飛控組件模擬器用于構建飛控系統(tǒng)組件的虛擬樣機，各個飛控組件模擬器通過信號調理與適配單元和被測飛控組件/系統(tǒng)組成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)飛控系統(tǒng)的閉環(huán)測試驗證；電源管理單元為被測飛控組件/系統(tǒng)提供電源，并受測試系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)自動化電源管理，模擬導彈武器系統(tǒng)的供電時序和電源切換過程。

系統(tǒng)支持分布式測試驗證與實時并行運算，測試時中心仿真計算機和綜合管理計算機可以根據(jù)需要與多個飛控組件模擬器相連，以適應對不同子系統(tǒng)進行測試的需求。

2.2 綜合測試系統(tǒng)組成單元

1)中心仿真計算機。中心仿真計算機是測試系統(tǒng)的核心組成部分，是系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理與解算中心，采用NI公司的PXI平臺，內部設有多核處理器模塊、時序邏輯模塊、開關量模塊、總線模塊等，能夠針對測試需求實時產(chǎn)生測試方案所需的激勵信號，模擬導彈飛行過程中的動態(tài)信號/數(shù)據(jù)，用于驅動各組件模擬器，實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)的實時注入和采集。

中心仿真計算機用于搭建導彈時序流程、彈體動力學模型等，根據(jù)飛控系統(tǒng)真實組件或組件模擬器的收發(fā)數(shù)據(jù)實時進行數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生相應的激勵信息。中心仿真計算機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，并通過以太網(wǎng)和組件模擬器進行實時通信，以滿足飛控系統(tǒng)測試的實時性需求。

2)綜合管理計算機。綜合管理計算機是測試系統(tǒng)的上位機，負責系統(tǒng)測試流程管理。它通過以太網(wǎng)絡與測試系統(tǒng)中的其他設備進行數(shù)據(jù)交互，可進行測試流程編制、變量配置和監(jiān)控等。綜合管理計算機承擔的任務有：

①系統(tǒng)流程設計和管理：控制各設備的啟停，并且通過自定義測試流程進行系統(tǒng)自動化測試；

②系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控：與中心仿真計算機和組件模擬器進行通信，對設備間的收發(fā)數(shù)據(jù)進行在線監(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)中的導引頭、慣性測量單元、舵機、衛(wèi)星定位儀、高度計、飛控裝置等功能單元。飛控組件模擬器基于配置嵌入式實時操作系統(tǒng)的NI工控機箱進行設計，組件模擬器機箱中配有和真實飛控組件相同類型的通信板卡，板卡輸出經(jīng)信號調理單元轉換后成為與真實產(chǎn)品規(guī)格一致的電氣信號。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組件共同組成完整的閉環(huán)系統(tǒng)進行測試驗證，并可實現(xiàn)組件模擬器和真實組件的無縫替換。

4)信號調理與適配單元。信號調理與適配單元分為信號調理模塊與信號適配模塊兩部分。信號調理模塊用于對組件模擬器中標準板卡的輸入/輸出信號進行調理，使各模擬器具有和真實產(chǎn)品相同的電氣規(guī)格。典型的信號調理模塊如圖3所示，由輸入級、隔離級、輸出級3部分組成。輸入級進行信號的緩沖驅動；隔離級對模擬器板卡和產(chǎn)品進行隔離，實現(xiàn)對產(chǎn)品的保護；輸出級實現(xiàn)對信號的功率放大輸出。

圖3 信號調理電路原理

信號適配模塊用于進行線路連接和接口適配，實現(xiàn)真實組件、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程控電源組成，可通過綜合管理計算機將電源的通電、斷電、拉偏等操作編制成自動化步驟。從而可以將電源操作融合進測試流程，實現(xiàn)多個系統(tǒng)通電流程的連續(xù)運行，最大限度實現(xiàn)測試用例的自動化運行。另一方面，由自動流程控制的電源操作也能更準確進行電源拉偏和多路電源切換等操作，實現(xiàn)對導彈工作流程的更為準確的模擬。

3 測試系統(tǒng)軟件設計

3.1 測試系統(tǒng)軟件架構

彈載飛控綜合測試系統(tǒng)軟件是基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(data distribution service，DDS)與公共對象網(wǎng)絡結構(common object request broker architecture，CORBA)搭建的，系統(tǒng)將所有設備串聯(lián)在同一個設備總線上，實現(xiàn)了設備之間的實時交互。

系統(tǒng)軟件包含控制測試流程啟停、模型載入、數(shù)據(jù)分析處理以及通信接口管理等多個功能模塊，支持多模型并行運算，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運行，軟件架構如圖4所示。

圖4 彈載飛控綜合測試系統(tǒng)軟件架構

3.2 系統(tǒng)測試流程

進行測試時，首先進行硬件初始化配置，加載測試主程序，完成飛控系統(tǒng)上電自檢，自檢通過后，測試人員通過參數(shù)配置進行測試。測試時根據(jù)需求利用測試系統(tǒng)可以編制多組測試用例并自動化運行，以實現(xiàn)對系統(tǒng)流程結構分支和參數(shù)范圍的覆蓋測試，系統(tǒng)測試流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試流程

測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)與測試數(shù)據(jù)會顯示在測試用例運行界面中，便于測試人員進行觀測分析。圖6所示為一個具體的測試用例運行界面，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行信息收發(fā)操作。圖中Set型指令用于設置組件模擬器的發(fā)送信息以及電源輸出電壓，Get型指令用于接收測試對象的反饋信息及電源的實際輸出。通過將指令進行組合，可方便地對飛控系統(tǒng)的邏輯功能和性能進行測試，每條指令的執(zhí)行結果以色塊的形式展示在運行界面中。由于指令中加入了電源操作，可以實現(xiàn)多次通電流程的連續(xù)運行，實現(xiàn)測試過程的全自動化運行。

圖6 測試用例運行界面

圖7所示為測試系統(tǒng)監(jiān)測到的某型彈載飛控系統(tǒng)舵機的舵指令與舵反饋曲線，從曲線中可清晰的觀測到1號舵指令與舵反饋曲線、2號舵指令與舵反饋曲線近似重合，表明舵機工作正常，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 結論

文中根據(jù)當前彈載飛控系統(tǒng)的組成特點與測試需求設計了一種飛控綜合測試系統(tǒng)。通過搭建以中心仿真計算機和綜合管理計算機為核心的軟硬件平臺，實現(xiàn)了對彈載飛控系統(tǒng)的綜合測試驗證。實際運行結果顯示，該測試系統(tǒng)具有自動化程度高、通用性強、易操作等優(yōu)點，能夠滿足導彈飛控系統(tǒng)的測試要求，簡化了彈載飛控系統(tǒng)的測試流程，有效提升了飛控系統(tǒng)的測試效率。