基于VeriStand的制導系統半實物仿真平臺的研究

作者/ 范勇 劉曌 李釗 上海航天控制技術研究所(上海 201109)

范勇(1987-)，男，碩士，助理工程師，研究方向：實時仿真系統設計。

摘要：為保證制導系統半實物仿真的實時性和準確性，縮短開發周期，本文基于VeriStand、Simulink和PharLap組合方式構建實時仿真平臺。該平臺通過VeriStand實現對仿真模型的在線管理和仿真試驗的控制，以及對模型參數的在線顯示和修改;采用PharLap實時操作系統保證仿真模型執行的實時性，通過Simulink對系統進行建模，達到快速仿真設計、降低開發周期、弱化人為影響的目的。制導半實物仿真試驗表明：仿真平臺工作可靠，實時性能好，能夠提高半實物仿真試驗的開發效率和可靠性。

引言

　　運載火箭控制系統的主要功能是制導、姿態控制和指令控制等^[1]。制導的任務是對火箭質心的運動參數進行實時敏感測量、計算和控制。當火箭的運動參數達到要求值時，關閉發動機，使火箭按設計的軌道飛行^[1]。半實物仿真試驗技術是運載火箭控制系統研制不可缺少的手段^[2]。通過半實物仿真試驗能夠考核箭載計算機飛行軟件和制導系統方案的正確性，保證火箭飛行可靠。

　　仿真軟件是整個仿真系統的靈魂^[3]，仿真軟件的質量直接影響半實物仿真試驗結果的精度和可靠性。火箭控制系統具有高速實時的特點，在箭載計算機中，數據采樣時間間隔一般為幾毫秒到幾十毫秒，計算周期等于采樣間隔時間或它的數倍^[4]，這就要求仿真系統具備實時性。對于不同型號的半實物仿真，由于設計人員能力不一，不能保證仿真軟件準確可靠，從而影響試驗的周期和結果。

　　為了在線管理和控制仿真試驗，保證火箭制導系統半實物仿真的實時性、可靠性，降低開發周期。本文提出一種基于VeriStand、Simulink和PharLap組合的方式構建半實物實時仿真平臺，一方面通過PharLap操作系統保證了系統仿真的實時性，另一方面利用Simulink建模并生成代碼達到快速仿真的目的，縮短項目開發周期。同時通過VeriStand可以實現對實時仿真平臺進行管理和在線顯示、修改仿真模型參數，實現對仿真過程的在線管理和控制。

1 VeriStand和平臺硬件組成

1.1 VeriStand簡介

　　VeriStand[5]是一款開放的實時測試和仿真軟件。它支持多種模型開發環境，包含Simulink、LabVIEW、MapleSim、FORTRAN/C/C++等。用戶通過它能夠實時編輯用戶界面、控制和顯示仿真模型參數、監控和管理仿真模型和實時系統。

1.2 平臺硬件組成

　　實時仿真平臺由動力學上位機和動力學實時仿真機組成。

　　上位機為普通PC機。

　　實時仿真機硬件由NI機箱PXI-1042Q、零槽控制器PXI-8110以及實現相關功能的IO板卡組成。IO功能板卡包括1553B總線通信模塊、秒脈寬輸出模塊和狀態(繼電器、0/10V等)輸出模塊。平臺硬件結構框圖如圖1所示。

　　1553B通信模塊采用AIT的PXI-1553B 2通道板卡，用來模擬箭上單機的接口與箭體計算機進行1553B的數據通信。

　　秒脈沖輸出模塊用來模擬GNSS秒脈沖信號，對箭體計算機進行校對;狀態輸出模塊用來模擬星箭分離信號。秒脈沖輸出模塊和狀態輸出模塊均為自研產品，結構上采用子母板結合的方式，子板的主體為FPGA，它將實現具體的邏輯功能。并將上行和下行數據進行保存。母板的主體為PCI9054，通過CPCI總線，負責FPGA的數據與零槽控制器的數據進行交換。板卡功能結構框圖如圖2所示。

2 仿真平臺實現

2.1 實時仿真開發框架

　　上位機為Windows系統，運行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四種軟件環境，下位機為PharLap系統，運行VeriStand引擎，兩者通過以太網連接。

　　在上位機完成仿真軟件的設計后，通過VeriStand軟件的配置和控制，將仿真軟件下載到下位機中并在VeriStand引擎框架中執行;同時通過VeriStand對動力學仿真軟件參數進行在線顯示和修改，最終實現半實物實時仿真的目的。

　　實時仿真開發框架如圖3所示。

2.2 平臺的設計

　　仿真平臺中仿真模型由驅動接口模塊和動力學仿真模型模塊組成，其中驅動接口模塊包含UDP接口模塊、UDP發送模塊、1553B總線驅動模塊、狀態卡驅動模塊、秒脈沖卡驅動模塊。仿真模型的結構框圖如圖4所示。

2.2.1 驅動接口設計

　　基于VeriStand可以采用多種方式開發驅動模塊。由于Simulink工具包不包含支持PharLap實時系統的硬件驅動模塊庫，在仿真平臺中需要根據實際使用環境來開發驅動接口模塊。

　　1)UDP通信模塊

　　由于UDP通信與仿真模型為串行關系，即在仿真模型一個周期開始時采集UDP接收模塊的命令包，然后再在周期結束時將動力學遙測發送至UDP發送模塊。因此UDP通信采用VeriStand中Custom Device的方式實現。

　　首先通過Custom Device模板工具生成Custom Device工程，工程中主要包含3個VI。Initialization VI完成Custom Device驅動程序被添加到VeriStand時的功能。Main Page完成Custom Device驅動程序被添加到VeriStand后配置Custom Device的功能，比如UDP通信中的IP、端口號設置等。RT Driver VI定義了Custom Device驅動被下載到下位機運行的執行行為。

　　2)1553B通信模塊

　　仿真平臺中1553B驅動模塊分為初始化模塊和讀寫操作模塊。

　　通過AIT公司提供的AIT Flight Simulyzer軟件能采用圖形化配置的方式生成AIT 1553B板卡的初始化文件，但是只存在調用該文件的LabVIEW函數接口。因此，1553B通信初始化模塊采用LabVIEW生成VeriStand *.lvmodel類型模型文件的方式實現。

　　在仿真模型中AIT 1553B板卡用來模擬多種箭上單機的接口，通信方式無規律，存在相應的C函數接口和LabVIEW函數接口。Custom Device的執行和仿真模型的執行是并行關系，不適合采用Custom Device實現1553B模塊的讀寫功能。因此，對1553B模塊的讀寫操作采用S函數[6]的方式實現。實現的功能有：1553B讀數據功能、1553B寫數據功能、16位CRC計算等。

　　3)狀態輸出模塊和秒脈沖輸出模塊

　　狀態輸出模塊和秒脈沖輸出模塊均采用PCI9054接口芯片，支持VISA^[7]函數接口的調用，因此，采用S函數的方式實現。

　　狀態輸出模塊和秒脈沖輸出模塊為自研硬件模塊，在操作這些模塊之前，必須使這些硬件模塊能被仿真平臺識別。系統中使用NI-VISA Driver Wizard工具，根據設備的基本屬性(PCI Device ID和Vector ID)生成*.inf文件，然后通過FTP下傳到下位機，重啟下位機后PharLap實時系統就能識別該硬件基本信息并分配硬件設備名稱。

　　狀態輸出模塊和秒脈沖輸出模塊的初始化、讀寫操作均采用S函數的方式實現，通過VISA函數接口完成相應的功能操作。

2.2.2 動力學解算模塊

　　該模塊中通過動力學方程解算出火箭的姿態和位置信息，然后根據姿態和位置信息轉換成捷聯慣組的輸出并通過1553B的硬件通信接口發送給箭機。

2.2.3 編譯環境

　　仿真平臺的S函數中調用了VISA庫函數庫和AIT 1553B驅動函數庫，在VeriStand的makefile文件NIVeriStand_vc.tmf的LIBS中添加對兩種函數庫文件的包含，添加內容如下：

　　LIBS = $(LIBS) XXowl1553.lib

　　LIBS = $(LIBS) XXvisa32.lib

　　LIBS = $(LIBS)

3 仿真平臺的驗證

　　基于VeriStand 的火箭制導系統的半實物仿真平臺驗證試驗流程如圖5所示。

　　以某型火箭為例，該制導系統的半實物仿真平臺驗證試驗步驟具體如下：

　　1)在Simulink中搭建某型火箭的仿真模型，然后使用RTW工具根據VeriStand提供的TLC文件和修改的tmf文件自動生成代碼，編譯生成DLL文件。

　　2)在AIT Flight Simulyzer軟件中完成AIT板卡的配置文件的輸出，通過FTP下傳到下位機指定目錄。通過LabVIEW編寫1553B初始化程序，生成lvmodel文件。

　　3)通過Custom Device Template Tool生成Custom Device模塊，然后添加UDP接收和UDP發送功能，最后編譯生成VeriStand引擎可執行的文件。

　　4)將各個模塊組件添加到VeriStand中，通過mapping的方式將各個組件的信號進行映射。同時，設置各個模塊的執行順序，執行順序依次為：1553B初始化模型、UDP接收驅動、仿真模型、UDP發送驅動。

　　5)將配置好的VeriStand應用程序下載到下位機運行，通過VeriStand工程的監控界面實現對仿真模型參數的實時顯示和在線修改。

　　按某型火箭搭建的制導系統半實物仿真驗證平臺的實物圖如圖6所示。該平臺由動力學上位機和目標機組成。兩者通過以太網連接。上位機運行Simulink、LabVIEW、VeriStand和Visual Studio 2008四種軟件環境，進行火箭動力學模型及對應硬件驅動接口模型的編譯、下載和硬件在環的監控管理。下位機為PharLap系統，運行VeriStand引擎，配置的IO功能板卡包括：1553B總線通信模塊，秒脈寬輸出模塊，狀態(繼電器、0/10V等)輸出模塊。

　　對比某型箭機半實物仿真試驗結果可知，建立的基于VeriStand的制導系統半實物仿真平臺能夠較快的進行箭機的硬件在環仿真，試驗真實、有效，提高了半實物仿真平臺實時性和開發效率。

4 結論

　　本文通過VeriStand、Simulink、PharLap組合的方式來構建實時仿真平臺，并成功地應用于火箭制導系統半實物實時仿真系統中。試驗結果證明仿真平臺工作可靠，實時性能好，能夠滿足火箭制導系統半實物仿真的實時性要求。同時平臺降低了仿真軟件開發周期，增強了仿真軟件設計的可靠性，實現了對仿真模型的過程監控和控制，對其它半實物仿真平臺的設計有一定的參考和借鑒意義。

　　參考文獻：

　　[1]顧勝,祝學軍,楊華.基于1553B總線的運載火箭控制系統分析[J].導彈與航天運載技術,2005(3):9-12.

　　[2]陳宜成,朱友忠.運載火箭控制系統通用仿真軟件設計平臺[J].計算機仿真,2005(5):46-55.

　　[3]徐庚保,曾蓮芝.勇攀世界科技高峰的中國仿真技術[J].計算機仿真,2004(4):5-9.

　　[4]任廣辰,閆長燦.箭載計算機在運載火箭中的功能研究[J].科技創新導報,2016(20):15-16.

　　[5]王好端.混合動力控制器集成開發平臺設計及應用[D].清華大學,2012.

　　[6]陳懷民,寇云林,吳成富,等.基于VxWorks半物理仿真中S-函數驅動模塊的開發[J].計算機測量與控制,2009(17):599-602.

　　[7]鹿欣.基于LabVIEW的慣測組件實時測試系統研制[D].南京航空航天大學,2010.

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第9期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。