CN106844822B - 一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，从模块库中提取统一接口参数的设备原理模型和设备接口模型，根据运载火箭系统具体的测试任务建立待测系统的数学仿真模型，调试得到正确运行的系统仿真模型，再通过设备接口模型实现系统仿真模型与实际设备之间的数据交互，将实际参试设备接入至系统仿真模型中，然后，采用统一的时间戳和仿真步长协调半实物仿真系统中的设备原理模型和实际设备的同步，最终将型号数字仿真系统能够快速转化为半实物仿真系统。该方法加快了半实物仿真技术响应型号研制任务的速度，解决型号研制任务进度紧张，与半实物仿真试验环境搭建复杂之间的矛盾。

Description

一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法

技术领域

本发明涉及一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真系统，属于航天产品系统仿真领域。

背景技术

当前我国航天装备研制主要依托地面测试或有限的飞行试验对装备的设计方案、关键单机设备性能、全系统综合性能进行验证与测试评估，在一定程度上存在着测试覆盖性差、试验成本高、试验周期长等不足，难以满足高密度研制与发射对研制成本和开发周期的要求。半实物仿真通过在系统中接入部分实物，既可以使部件能在全系统环境中得到检验，同时也能够提高系统整体性能指标的验证的置信度。利用飞行系统半实物仿真技术对型号技术难点问题开展仿真试验分析，对关键单机特性和全系统性能指标进行综合验证评估，可以减少实装试验次数，降低研制与试验成本，缩短研制与试验周期，提高型号设计质量，避免设计方案反复，有效解决型号研制进度异常紧张等问题。

开展运载火箭系统级半实物仿真与性能评估，涉及到飞行动力学、飞行控制、动力系统、分离等多专业分系统，运载火箭系统研制呈现出产品化和模块化的特征，现有的通用半实物仿真技术在运载火箭研制过程中遇到新的典型问题，具体表现为：

1.飞行系统半实物仿真试验构建复杂

通用半实物仿真技术中，多关注于时钟同步、跨平台运行、板卡驱动控制、仿真运行调度等底层技术，对于特定的仿真对象缺乏标准化接口，导致构建面向运载火箭的系统级半实物仿真试验环境这一过程十分复杂，在接口数据通信调试、软硬件接口匹配等环节往往需要消耗大量的时间和精力，待考核的系统方案设计和实现反而耗时较少。导致此问题的根本性原因在于，参数设备接口标准与仿真模型接口标准不一致。针对不同考核对象来构建半实物仿真试验环境时，设备与模型之间的通信和数据交互接口总是需要被重新定义和测试。

2.仿真模型复用程度不高

传统的半实物仿真技术主要应用于各类控制系统的开发与测试，多关注于算法和控制程序的考核层面，仿真模型颗粒度也多集中在算法/程序这个级别进行复用。而运载火箭系统级飞行性能考核则更关注于系统整体性能的匹配和优化，如考核控制系统、动力系统、分离系统等各分系统之间的匹配程度，以及指标分配的合理性等，此时，仿真模型需要与分系统、关键单机之间进行对应。通用半实物仿真技术建立的仿真模型复用程度不高，体现为往往需要对仿真模型进行二次封装，以便对模型输入输出数据进行整合或拆分，实现其与设备接口之间的映射关系。对于单次半实物仿真试验系统的实施而言，如此操作并无问题，但由于型号研制对半实物仿真试验有着快速构建集成、任务目标各异、参试对象经常更换等需求，将带来大量的仿真模型二次开发和测试工作，客观上降低了半实物仿真试验工作的效率，阻碍了半实物仿真技术对型号数字化研制的促进和支撑。因此，有必要按照运载火箭产品化、模块化的研制思路，对仿真模型体系进行重新规划和定义，使之如同硬件设备一般即插即用，提出接口规范，进而增强仿真模型在运载火箭半实物仿真应用中的重用程度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出并实现了一种支持快速虚实互换的半实物仿真系统，使得设计和试验人员能够快速、可靠、柔性的构建运载火箭系统级半实物仿真试验环境，高效的为型号研制服务。

本发明的技术解决方案是：一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，该方法包括如下步骤：

(1)、建立运载火箭系统中实际设备相对应的设备原理模型和设备接口模型，并存入模型库中，所述设备原理模型用于模拟相应的参试设备的功能，所述设备接口模型用于实现仿真模型和参试设备之间数据交互；

(2)、根据运载火箭系统具体的测试任务，确定待进行半实物仿真测试的测试系统的设备组成，从模块库中提取待测系统各设备对应的设备原理模型，按照待测系统物理拓扑关系，连接各设备原理模型，建立待测系统数学仿真模型；

(3)、对待测系统数学仿真模型中各设备原理模型进行参数配置，并设置仿真步长为t＝1/F，F为待进行半实物仿真测试的测试系统中所有设备的通信频率的最小公倍数的整数倍，将待测系统数学仿真模型部署至实时仿真机中，向待测系统数学仿真模型中所有设备原理模型发送统一的时间戳进行授时，各设备原理模型以该时间戳为基线，按照仿真步长进行仿真，检查调整设备原理模型的连接关系和参数配置，调试得到正确运行的待测系统数学仿真模型；

(4)、针对参试设备，提取与参试设备相对应的设备接口模型，将待测系统数学仿真模型中参试设备对应的设备原理模型替换为设备接口模型，再次部署至实时仿真机中，将与参试设备接口相对应的I/O板卡插入到实时计算机，参试设备与I/O板卡上相应的I/O接口进行连接，完成虚实互换，构建待测系统半实物仿真试验系统；

(5)、向待测系统半实物仿真试验系统中设备原理模型和设备接口模型发送统一的时间戳进行授时，之后运行半实物仿真试验系统，仿真运行开始时刻各设备原理模型，设备原理模型以该时间戳为基线进行计时，按照仿真步长进行仿真运算，设备接口模型以该时间戳为基线，按照仿真步长与参试设备进行数据交互；

(6)、设备接口模型判断其仿真步长的倒数是否为接收到的参试设备数据通信频率的整数倍，若非整数倍，则重新调整确定待测系统半实物仿真试验系统仿真步长，使之倒数为待进行半实物仿真测试的测试系统中所有设备的通信频率的最小公倍数的整数倍；

(7)、采用步骤(6)所确定仿真步长，重新设置并运行待测系统半实物仿真试验系统，进行半实物仿真。

所述设备原理模型和设备接口模型与外部交互的接口参数包括输入变量、输出变量、模型参数、输入事件、输出事件、时间戳和仿真步长。

在每个仿真周期，当前仿真周期后一级设备原理模型或者设备接口模型的输入变量和输入事件是上一个仿真周期前一级设备原理模型或者设备接口模型的输出变量和输出事件。

所述设备接口模型包括同步模块，数据协议模块、通信模块，其中，

同步模块，查询设备接口模型输入事件、输入变量是否有更新内容，若有，则将最新的输入事件、输入变量置入发送缓存区，按照仿真步长发送数据协议模块；查询数据协议模块是否通过通信模块获取到新的设备数据，若有，则将对应数据立即置入接收缓存区，在仿真步长时，发给设备接口模型的输出变量或输出事件；

数据协议模块，接收同步模块发送输入事件、输入变量，并将按照参试设备的接口数据协议转换、打包，得到数据包，发送给通信模块；从通信模块接收缓冲区中提取接收数据帧，解析数据帧，提取参数，将其转换为输出变量或者输出事件，发送至同步模块；

通信模块，内部封装可与参试设备进行信号交互的I/O板卡驱动程序，通过驱动程序，将数据帧发送给I/O板卡，通过驱动程序读取外部设备输入到I/O板卡的数据，发送至数据协议模块。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用标准的模型接口规范约束设备原理模型，并通过采用同样接口规范的设备接口模型连接设备原理模型，再通过设备接口模型实现测试系统数学仿真模型与实际设备之间的数据交互，将实际参试设备接入至测试系统数学仿真模型中，将测试系统数字仿真系统能够快速转化为半实物仿真系统，从而加快半实物仿真技术响应型号研制任务的速度，解决型号研制任务进度紧张，与半实物仿真试验环境搭建复杂之间的矛盾；

(2)、本发明系统仿真模型中各级设备原理模型采用分布式并行计算方式，可以有效的提高模型计算速度，一方面降低了对实时仿真机的硬件要求，可以通过并行计算充分利用现有仿真机的计算能力，也就相应的降低了半实物仿真试验的成本，另一方面单位时间内计算速度越快，意味着可参与计算的内容越多，仿真模拟得越细致，可有效的提高系统仿真模型精度和准确性；

(3)、本发明采用统一的时间戳和仿真步长协调半实物仿真系统中的设备原理模型和实际设备的同步，保证了半实物仿真系统时钟同步的正确性；

(4)、本发明针对运载火箭产品化、模块化的特点，将每个设备都设计相应的设备原理模型和接口设备模型，并存入模型库中，解决了通用半实物仿真技术中仿真模型颗粒度小，系统级复用程度低的问题，能够实现仿真模型与分系统、关键单机之间的一一映射关系，使得仿真模型既可以满足数字仿真试验需求。

附图说明

图1为本发明虚实互换的半实物仿真试验构建流程；

图2为本发明设备原理模型和设备接口模型接口参数示意图；

图3为本发明设备原理模型和设备接口模型计算过程；

图4为本发明设备原理模型和设备接口模型定步长迭代中的事件点处理；

图5为本发明设备接口模型建模过程；

图6为本发明简单系统仿真回路中各模型的计算过程；

图7为本发明实施例运载火箭飞行系统仿真模型；

图8为本发明实施例A型惯组的运载火箭飞行系统半实物仿真系统；

图9为本发明实施例B型惯组的运载火箭飞行系统半实物仿真系统。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细描述。

快速虚实互换的思路是，定义标准模型接口规范，在此基础上，建立虚拟的设备接口模型来实现数字信号与电气信号的转化，从而实现：1)在完全由数学仿真模型构成的全数字仿真回路中，仿真模型间数据无缝交互；2)在全数字仿真回路中，将对应参试设备的仿真模型快速替换设备接口模型，并将参试设备接入仿真回路的指定接口中，此过程即为快速虚实互换。

如图1所示，本发明提出一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，在数学仿真系统模型基础上，通过引入设备接口模型，构建半实物仿真系统，具体包括如下步骤：

(1)、建立运载火箭系统中实际设备相对应的设备原理模型和设备接口模型并存入模型库中，所述设备原理模型用于模拟相应的设备功能，所述设备接口模型是仿真模型和实物设备之间的桥梁，用于实现仿真模型和参试设备之间数据交互，将仿真模型的数据按照参试设备对应的数据协议编帧，并将驱动与参试设备硬件接口对应的I/O板卡将其转化为电气I/O信号，发送到参试设备，或者驱动与参试设备硬件接口对应的I/O板卡将参试设备发送电气I/O信号转化为数据，按照参试设备对应的数据协议解帧，得到仿真模型所需要的数据；

(2)、根据运载火箭系统具体的测试任务，确定待进行半实物仿真测试的测试系统的设备组成，从模块库中提取待测系统各设备对应的设备原理模型，按照待测系统物理拓扑关系，连接各设备原理模型，建立待测系统的数学仿真模型，前一级的模型输出与后一级模型输入变量的个数、名称和类型匹配；

(3)、对各设备原理模型进行参数配置，并设置仿真步长为t＝1/F，F为待进行半实物仿真测试的测试系统中所有设备的通信频率的最小公倍数的整数倍，将系统仿真模型部署至实时仿真机中，向系统仿真模型中所有设备原理模型发送统一的时间戳进行授时，各设备原理模型以该时间戳为基线，按照仿真步长进行仿真，检查调整设备原理模型的连接关系和参数配置，调试得到正确运行的系统仿真模型；

(4)、针对参试设备，提取与参试设备相对应的设备接口模型，将系统仿真模型中参试设备对应的设备原理模型替换为设备接口模型，再次将系统仿真模型部署至实时仿真机中，将参试设备与实时仿真机的I/O板卡上相应的I/O接口进行连接，完成虚实互换，构建待试半实物仿真试验系统；

(5)、参试设备加电，向系统仿真模型中设备原理模型和设备接口模型发送统一的时间戳进行授时，运行半实物仿真试验系统，设备原理模型以该时间戳为基线，按照仿真步长进行仿真，设备接口模型以该时间戳为基线，按照仿真步长与参试设备进行数据交互；

(6)、设备接口模型判断其仿真步长的倒数是否为接收到的参试设备数据通信频率的整数倍，若非整数倍，则重新调整确定待测系统半实物仿真试验系统仿真步长，使之倒数为参试设备通信频率保持整数倍；检查仿真与设备通信同步交互的目的在于，只有在同步状态下，半实物仿真系统才能够正确控制设备运行或者捕获设备所有数据，在非同步状态时，可能遗漏或延时采集设备数据，延时发送控制指令，这都将直接影响半实物仿真试验结论。

(7)、采用步骤(6)所确定仿真步长，重新设置并运行半实物仿真试验系统，进行半实物仿真。

为了模块的通用性，实现快速虚实互换，为设备原理模型和设备接口模型必须有统一的接口，各模块在统一的仿真步长上进行通信，便于数学仿真模型之间，以及数学模型和设备接口模型之间进行数据交互和集成。

运载火箭等航天飞行器的系统级综合性能仿真数学模型一般具有微分-代数混合、连续-离散混合的特征，因此，设备原理模型采用显式表达的微分-代数混合，连续-离散混合的数学模型对设备功能进行模拟，在一个仿真步长内，根据输入变量和输入事件，进行事件处理、积分计算和代数计算得到结果，所述数学模型的数学范式如下：

式中各符号含义如下表：

通过上表可以看出，设备原理模型与外部交互的接口参数应包括输入/输出变量、模型参数、输入/输出事件、时间戳和仿真步长，如图2所示，具体为：

输入变量：模型计算时所依赖的输入型变量，输入变量可随时间变化。

输出变量：模型计算结果，向外传递。

模型参数：模型计算时所依赖的输入型参数，参数在仿真过程中始终保持不变。

输入事件：指外部某状态变化，导致本模型发生瞬态变化，或者为输入变量发生了非连续的变化，外部以输入事件的形式通知模型，模型发现输入事件时，应采用非连续积分的方式进行计算；

输出事件：指本模型发现某状态变化，将导致外部系统发生瞬态变化，模型计算得出的非连续值，也以输出事件的形式向告知外部；。

时间戳：当前计算的逻辑时刻。相对于仿真零时刻开始计时。

仿真步长：仿真一次的时间跨度。

考虑设备模型为了与硬件设备同步，总是以固定频率进行采样或输出，因此，设备原理模型计算采用定步长算法进行计算。

设备原理模型的计算过程如图3所示，主要为：

(1)、初始化：对模型参数进行初始化，并对初值状态进行设置和计算。根据给定的初始参数作为输入，结合模型间应满足的初始条件，计算得到初始输出。对单个设备原理模型而言，初始化过程仅计算一次。因此，若仿真要求全局平衡初值化(也称全局配平问题，即全局所有输入输出均满足初始约束关系)，那么要求仿真调度框架对中立仿真模型进行合理调度。

(2)、仿真迭代：在一个步长内，根据输入变量和输入事件，进行事件处理、积分计算和代数计算，完成模块对应设备的功能，并输出计算结果，包括输出时间和输出变量。由于设备原理模型表达的数学系统均为显式系统，不涉及非线性迭代计算问题，因此仿真迭代仅指计算步的推进过程。

(3)、终止：停止计算。

同样，任何事件均只能在步长点上处理，如图4所示，具体为，发生在(t_i-1,t_i]区间的内事件统一在t_i时刻进行处理。

在这种事件处理方式下，事件出现时，并不马上处理，而是等到最近的下一仿真步长到来时刻统一处理，反映到结果上，事件对应的变量拐点时刻，与实际真实拐点时刻间存在一个仿真步长内的偏差。

设备接口模型的接口参数也包括输入变量、输出变量、模型参数、输入事件、输出事件、时间戳和仿真步长，其输入接口与前一级设备原理模型的输出接口在参数个数、参数数据类型上必须匹配，系统可以利用数据字典以及数据类型匹配方法，对仿真模型接口匹配性约束进行检查，以保障快速替换的可靠性。

设备接口模型包括接口模块，数据协议模块、通信模块。

同步模块，查询设备接口模型输入事件、输入变量是否有更新内容，若有，则将最新的输入事件、输入变量立即置入发送缓存区，在仿真步长时，发给数据协议模块；不间断的查询数据协议模块是否通过通信模块获取到新的设备数据，若有，则将对应数据立即置入接收缓存区，按照仿真步长，发送给设备接口模型的输出变量或输出事件；

数据协议模块，按照仿真步长，将输入事件、输入变量按照参试设备的接口数据协议转换、打包，得到数据包，发送给通信模块；从通信模块接收缓冲区中提取接收数据帧，解析数据帧，提取参数，将其转换为输出变量或者输出事件，按照仿真步长，发送至同步模块；

通信模块，内部封装可与参试设备进行信号交互的I/O板卡驱动程序，通过驱动程序，将数据帧发送给I/O板卡，通过驱动程序读取外部参试设备输入到I/O板卡的数据，发送至数据协议模块。

设备接口模型是指通过C/C++编程的方式建立半实物仿真所需要的信号转化模型，本质上是对设备接口驱动按一定规范形式进行封装，使得其能够与仿真模型接口进行无缝对接，将仿真模型的数据转化为电气I/O信号，通过I/O板卡与参试硬件设备进行互联。

如图5所示，建立设备接口模型的方法流程为：

步骤1，封装可与参试设备进行信号交互的I/O板卡驱动为通信模块；

步骤2，将参试设备通信协议封装为数据协议模块；

步骤3、选择复制系统仿真模型中用于模拟参试设备的仿真模型；

步骤4、保持该仿真模型的所有接口参数不变；

步骤5，将仿真模型的输入、输出编程为同步模块，并将设备接口模型的输入变量绑定至I/O板卡的输出通道上，将输出变量绑定至I/O板卡的输入通道上；

步骤6，设备接口建模完成后，生成面向实时仿真机的目标代码；

步骤7，编译调试设备接口模型，保障其可靠性和实时性；

步骤8，设备接口模型入库管理，半实物仿真试验系统构建时将从模型库中提取可用的设备接口模型。

系统仿真模型中各级设备原理模型之间并行计算，各级设备原理模型在仿真步长时刻接收前一级设备原理模型上一个仿真周期内计算得到的输出变量和输出事件，用于本仿真周期本级设备原理模型计算。所以，设备原理模型计算时，当前时刻的值，均基于上一时刻各变量值计算得出，即：

这种计算模式，导致了与墙钟时间中“差一步”的问题，即当前时刻的自变量的变化并没有立即反应到相关约束的因变量上，而是存在一个步长的延时。

图6给出了该模式下的一个计算过程示例。假设由模型A、B、C构成一个闭环的系统仿真模型，那么系统仿真模型在进行仿真计算时，仿真0时刻，A、B、C根据设置的模型参数值进行初始化计算，分别得出A0、B0、C0；仿真推进一个步长至t1时刻，A模型计算A1的值时依赖于C模型的输出，即，应使用C1计算得出A1，而C模型计算C1又依赖于B1，B1依赖于A1，形成了循环，因此，A1计算时采用C模型上一时刻的输出C0进行计算，避免循环依赖，此即为“差一步”计算模式，同理，B1、C1的计算也为如此，后续t2～tn的仿真周期内均为如此。

对半实物仿真而言，当步长小于10毫秒时，中立仿真模型的事件处理方式和“差一步”计算模式会对仿真结果的负面影响可以忽略不计，原因在于，宏观而言，运载火箭系统是一个典型的连续系统，只在部段间分离、发动机关机等若干时刻会产生离散事件，由此可知，其一，事件并非高频率的出现，10毫秒内对模型对事件作出反应，不会对飞行仿真产生影响；其二，飞行参数通常为连续变化，只有发生分离、关机等事件才可能会突变，连续变化的飞行参数在10毫秒内近似相等。

为了使半实物放置系统通用性更强，采用跨平台设计，系统仿真模型在Windows环境中运行前，采用MinGW工具将模型编译为可执行程序或动态库；模型在Linux环境中运行前，下发至实时仿真机中并使用GCC工具编译，这样，可使得虚实互换前/后的系统仿真模型在Windows和Linux系统中均可运行。跨平台编译保障了系统仿真模型在开发和应用时的一致性。

应用本发明可实现半实物仿真系统快速构建能力，增强半实物仿真模型复用能力，大幅提升半实物仿真试验系统构建的效率，可靠性和柔性，增强半实物仿真技术响应型号研制任务的速度，增强其对型号研制的支撑作用，达到降本增效的目的。

同时，本发明技术具有通用特点，不仅适用于运载火箭研制任务，也可在其他航天飞行器型号研制中进行应用，进一步提升总体参数验证与综合性能评估能力，加强总体控制专业研究实验能力，加强基于仿真的系统级性能测试与评估能力。

实施例：

以运载火箭飞行系统仿真为例，通过半实物仿真验证A、B两种不同型号的惯组特性。首先利用模型库查询是否包括试验所需的模型，包括箭机模型、伺服模型、弹体模型、惯组模型、A型惯组接口模型、B型惯组接口模型，若缺少模型，则进行模型开发并入库；对惯组而言，必须安装在多轴转台上，由转台模拟姿态，才能进行惯组测试，因此，惯组原理模型对应的设备为一套由多轴转台+惯组设备构成的组合装置，即，惯组设备原理模型对应为多轴转台+惯组设备；然后，利用模型库构建一套运载火箭飞行系统仿真模型，如图7所示；针对A型惯组测试时，利用A型惯组接口模型替换原惯组模型，系统仿真模型其他部分保持不变，并通过反射内存线缆将实时仿真机信号输出给多轴转台，通过串口线缆将A型惯组信号输入给实时仿真机，快速搭建构成面向A型惯组测试的运载火箭飞行系统半实物仿真系统，如图8所示；同理，针对1553B接口的B型惯组，亦可快速构建对应的半实物仿真系统，如图9所示。具体步骤如下：

(1)建立惯组的设备原理模型和设备接口模型

当模型库中尚无存在惯组设备原理模型时，需要按照惯组功能，建立原理模型。惯组是箭上的敏感器件，主要功能是实时测量运载火箭的加速度，并将其输出给飞行控制器。因此，惯组仿真原理模型可为一组方程，如同真实惯组总会有测量误差一样，对弹体动力学计算得出的角速度进行误差处理，得出模拟的测量值给箭机模型，在半实物仿真待测惯组放置于转台上，由弹体动力学仿真驱动转台，惯组随着实时测量并将其传给箭机模型，通过此过程来考察惯组的功能和性能。

惯组模型的数学表达如下：

其中，ω_x(t+1)、ω_y(t+1)、ω_z(t+1)、W_x(t+1)、W_y(t+1)、W_z(t+1)为输出变量，用于模拟惯组实际达到的加速度；K_gx、K_gy、K_gz、D_0x、D_0y、D_0z、D_xx、D_xy、D_xz、D_yx、D_yy、D_yz、D_zx、D_zy、D_zz、K_ax、K_ay、K_az、K_0x、K_0y、K_0z E_xx、E_yy、E_zz、E_xy、E_xz、E_yx、E_yz、E_zx、E_zy、K_2x、K_2y、K_2z、g为模型参数。ω_xt、ω_yt、ω_zt、W_xt、W_yt、W_zt为输入变量，用于模拟要求惯组达到的加速度。

A型惯组为串口通信方式，其设备接口模型内容包括：

(1.1)、同步模块，查询ω_xt、ω_yt、ω_zt、W_xt、W_yt、W_zt是否更新，若更新，将新的输入变量存入发送缓存区，在仿真步长时刻发给数据协议模块；不间断的查询数据协议模块是否通过通信模块获取到新的ω_x(t+1)、ω_y(t+1)、ω_z(t+1)、W_x(t+1)、W_y(t+1)、W_z(t+1)，若有，则将对应数据立即置入接收缓存区，在仿真步长时，发给设备接口模型的输出变量；并将设备接口模型输入变量ω_xt、ω_yt、ω_zt、W_xt、W_yt、W_zt绑定至反射内存卡的0X1～0X5六个连续地址上，将输出变量ω_x(t+1)、ω_y(t+1)、ω_z(t+1)、W_x(t+1)、W_y(t+1)、W_z(t+1)绑定至串口卡COM1通道上。

(1.2)、数据协议模块，按照仿真步长，将ω_xt、ω_yt、ω_zt、W_xt、W_yt、W_zt按照转台数据协议打包，发送给通信模块；从通信模块接收数据帧，按A型惯组数据协议解析得到ω_x(t+1)、ω_y(t+1)、ω_z(t+1)、W_x(t+1)、W_y(t+1)、W_z(t+1)，按照仿真步长，发送至同步模块。

转台数据协议格式如下：

序号	内容	长度	类型
				1	ω<sub>xt</sub>	字节	Uchar
2	ω<sub>yt</sub>	字节	Uchar
				3	ω<sub>zt</sub>	字节	Uchar
4	W<sub>xt</sub>	字节	Uchar
				5	W<sub>yt</sub>	字节	Uchar
6	W<sub>zt</sub>	字节	Uchar

A型惯组数据协议格式如下：

序号	内容	长度	类型
				1	类型标识	字节	Uchar
2	消息序号	字节	Uchar
				3	消息值	字节	Uchar
4	和校验	字节	Uchar

(1.3)、通信模块，封装反射内存板卡驱动程序，将ω_xt、ω_yt、ω_zt、W_xt、W_yt、W_zt打包得到数据帧发送给反射内存卡；封装串口板卡驱动程序，通过驱动程序读取A型惯组输入到串口卡的数据ω_x(t+1)、ω_y(t+1)、ω_z(t+1)、W_x(t+1)、W_y(t+1)、W_z(t+1)，发送至数据协议模块。

B型惯组为1553B通信方式，其设备接口模型与A型惯组的设备接口模型类似，区别在于数据协议格式和接口形式，即数组帧解析的算法不同和接口驱动不同。

惯组的原理模型和设备接口模型开发后，纳入模型库进行管理。

(2)、根据惯组测试这一具体任务要求，构建一套运载火箭飞行系统仿真模型，该模型由箭机模型、伺服模型、弹体动力学模型和上述惯组原理模型构成，各原理模型间的输入输出关系如图7所示。

(3)、对各原理模型进行参数配置，其中，惯组原理模型参数值为K_gx、K_gy、K_gz、D_0x、D_0y、D_0z、D_xx、D_xy、D_xz、D_yx、D_yy、D_yz、D_zx、D_zy、D_zz、K_ax、K_ay、K_az、K_0x、K_0y、K_0z E_xx、E_yy、E_zz、E_xy、E_xz、E_yx、E_yz、E_zx、E_zy、K_2x、K_2y、K_2z、g。对所有原理模型发送统一UTC时间18:00:00授时，仿真运行开始时刻，各设备原理模型以该时间戳为基线进行计时。由于A型惯组采用固定通信机制，通信频率为F1，转台采用轮询机制，通信频率为F2，二者公倍数为200Hz，因此仿真步长设置为5毫秒。设置完成后，将模型部署至实时仿真机中，并运行飞行系统仿真模型，将仿真结果与飞行设计数据进行比较，对比弹体动力学原理模型的计算结果是否与之飞行轨迹数据一致，以此判定飞行系统仿真模型是否构建正确。

(4)针对A型惯组参试需求，从模型库中提取A型惯组设备接口模型，并将其替换掉飞行系统仿真模型中的惯组原理模型，再次将模型部署至实时仿真机中。将实时仿真机中的反射内存卡通过反射内存线缆与转台连接，将串口卡的COM1接口与A型惯组连接。完成虚实互换，构建面向A型惯组测试的半实物仿真试验系统，如图8所示。

(5)向半实物仿真试验系统中各设备原理模型和设备接口模型发送统一的时间戳进行授时，设备原理模型以该时间戳为基线，按照仿真步长5毫秒进行仿真，惯组设备接口模型以该时间戳为基线，按照仿真步长5毫秒驱动转台运行，并从A型惯组中收取数据。

(6)检查半实物仿真试验系统是否与A型惯组之间同步交互。检查方法为：观测惯组设备接口模型的输出变量更新频率，此即为A型惯组的数据输出频率RF1，若200Hz为RF1的整数倍，则认为同步。假定起初设定的仿真步长误输入为51毫秒，则可通过此方法检测并修正仿真步长为5毫秒。同理，检查半实物仿真试验系统是否与转台之间同步交互，观测转台输入值更新频率RF2，检查200Hz是否为RF2的整数倍。

(7)、采用步骤(6)所确定仿真步长，重新设置并运行半实物仿真试验系统，对A型惯组进行测试。

在测试完A型惯组后，继续测试B型惯组，具体操作如下：

(1)、清除转台、A型惯组与实时仿真机的连接，并将B型惯组放置于转台上。

(2)、重复上述操作的(4)～(7)。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、建立运载火箭系统中实际设备相对应的设备原理模型和设备接口模型，并存入模型库中，所述设备原理模型用于模拟相应的参试设备的功能，所述设备接口模型用于实现仿真模型和参试设备之间数据交互；

(2)、根据运载火箭系统具体的测试任务，确定待进行半实物仿真测试的测试系统的设备组成，从模块库中提取待测系统各设备对应的设备原理模型，按照待测系统物理拓扑关系，连接各设备原理模型，建立待测系统数学仿真模型；

(3)、对待测系统数学仿真模型中各设备原理模型进行参数配置，并设置仿真步长为t＝1/F，F为待进行半实物仿真测试的测试系统中所有设备的通信频率的最小公倍数的整数倍，将待测系统数学仿真模型部署至实时仿真机中，向待测系统数学仿真模型中所有设备原理模型发送统一的时间戳进行授时，各设备原理模型以该时间戳为基线，按照仿真步长进行仿真，检查调整设备原理模型的连接关系和参数配置，调试得到正确运行的待测系统数学仿真模型；

(4)、针对参试设备，提取与参试设备相对应的设备接口模型，将待测系统数学仿真模型中参试设备对应的设备原理模型替换为设备接口模型，再次部署至实时仿真机中，将与参试设备接口相对应的I/O板卡插入到实时计算机，参试设备与I/O板卡上相应的I/O接口进行连接，完成虚实互换，构建待测系统半实物仿真试验系统；

(5)、向待测系统半实物仿真试验系统中设备原理模型和设备接口模型发送统一的时间戳进行授时，之后运行半实物仿真试验系统，仿真运行开始时刻各设备原理模型，设备原理模型以该时间戳为基线进行计时，按照仿真步长进行仿真运算，设备接口模型以该时间戳为基线，按照仿真步长与参试设备进行数据交互；

(6)、设备接口模型判断其仿真步长的倒数是否为接收到的参试设备数据通信频率的整数倍，若非整数倍，则重新调整确定待测系统半实物仿真试验系统仿真步长，使之倒数为待进行半实物仿真测试的测试系统中所有设备的通信频率的最小公倍数的整数倍；

(7)、采用步骤(6)所确定仿真步长，重新设置并运行待测系统半实物仿真试验系统，进行半实物仿真。

2.根据权利要求1所述的一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，其特征在于所述设备原理模型和设备接口模型与外部交互的接口参数包括输入变量、输出变量、模型参数、输入事件、输出事件、时间戳和仿真步长。

3.根据权利要求1所述的一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，其特征在于在每个仿真周期，当前仿真周期后一级设备原理模型或者设备接口模型的输入变量和输入事件是上一个仿真周期前一级设备原理模型或者设备接口模型的输出变量和输出事件。

4.根据权利要求1所述的一种支持快速虚实互换的运载火箭半实物仿真方法，其特征在于所述设备接口模型包括同步模块，数据协议模块、通信模块，其中，

同步模块，查询设备接口模型输入事件、输入变量是否有更新内容，若有，则将最新的输入事件、输入变量置入发送缓存区，按照仿真步长发送数据协议模块；查询数据协议模块是否通过通信模块获取到新的设备数据，若有，则将对应数据立即置入接收缓存区，在仿真步长时，发给设备接口模型的输出变量或输出事件；

数据协议模块，接收同步模块发送输入事件、输入变量，并将按照参试设备的接口数据协议转换、打包，得到数据包，发送给通信模块；从通信模块接收缓冲区中提取接收数据帧，解析数据帧，提取参数，将其转换为输出变量或者输出事件，发送至同步模块；

通信模块，内部封装可与参试设备进行信号交互的I/O板卡驱动程序，通过驱动程序，将数据帧发送给I/O板卡，通过驱动程序读取外部设备输入到I/O板卡的数据，发送至数据协议模块。

Images