導彈平臺測試系統設計方法研究

張 磊，肖 凡，劉丙杰

(海軍潛艇學院，山東 青島 266019)

導彈平臺測試系統設計方法研究

張 磊，肖 凡，劉丙杰

(海軍潛艇學院，山東 青島 266019)

運用建模的技術對導彈平臺測試系統進行模型設計過程中，關鍵是實現測試系統需求描述模型、結構模型和行為模型等的設計;首先對導彈平臺測試系統的工作流程進行了分析，然后在此基礎上利用UML建模方法進行測試系統的各項模型設計，通過分解用例圖說明測試系統的需求描述模型，分析系統的結構體系及關聯關系建立了測試系統的結構模型，運用序列圖建立了測試系統的行為描述模型;最后，根據上述模型設計提出了系統的結構及布置關系的設計方案，并且在實際導彈平臺測試系統開發中得到了應用，實現了測試系統的各項測試功能;結果表明，采用該建模方法不但能夠有效提高系統設計的效率，而且系統在實用性的基礎上，還具有復用性及拓展性。

導彈平臺；測試系統；UML；模型

0 引言

導彈慣性平臺(以下簡稱平臺)是導彈控制系統的核心儀器，也是控制系統慣性測量部件，用來測量導彈在慣性坐標系3個方向的視加速度和彈體坐標系的三個姿態角信號，供導彈制導系統與姿控系統使用，是導彈重要的技術保障裝備之一。一般采用陀螺、速度計、二次集成電路、微組裝電路、雙通道姿態角傳感器、動壓電機、計算機控制、數字輸出等新技術，其結構復雜、新技術密集，其性能測試是設備日常維護的重要工作，文獻[1] 闡述了平臺產生倒臺的基本原理和某型慣性平臺的測角原理，提出了防倒臺保護電路的設計思想，給出了具體的設計過程，實驗驗證了保護電路的有效性；文獻[2]確定的測試方法可測試出出慣性平臺動態漂移性能，該方法為解決傳統動態測試中人工操作誤差大、自動化程度低的問題提供了新的方案；文獻[3]在深入研究了某型號平臺調平原理的基礎上，設計了一套全新的嵌入式調平系統；文獻[4]分析了平臺瞄準穩定的工作原理，解析了平臺坐標系的數學模型；文獻[5]根據平臺系統的穩定工作原理，通過建立平臺系統的動力學方程，詳細分析了搖擺條件下平臺的動態特性，從平臺動力學的角度詳細分析了產生搖擺漂移的機理。上述研究成果從不同側重點出發，涉及了導彈平臺的某一特性或者機理，但對于平臺測試系統設計的研究成果卻鮮有報道。

隨著導彈平臺測試項目與測試分析的逐步豐富，對平臺測試系統設計方法的實用性、復用性等需求日益顯現。文中將對此進行探討和研究，以滿足需求的不斷變化，為提高平臺測試系統設計的實用性、復用性等提供了技術途徑。

1 測試系統工作流程分析

導彈平臺測試系統可以實現在各種工況下對平臺三軸各姿態角的測量、3個方向上加速度的輸出測量以及3個軸端力矩電機的輸出測量，通過計算分析出平臺的性能和精度，具體應該完成平臺穩定回路測試、調平回路測試、加速度輸出測試、方位對準回路測試、漂移系數測試、保護電路測試、姿態角測試等多項測試，目的就是評定平臺的性能狀態，為整個導彈測試做準備。

根據上述要求，平臺測試系統可設計為如下實體：慣性平臺、三軸搖擺臺、驅動電源、信號采集裝置、測試控制裝置和方位對準裝置。整個測試系統的基本工作流程如下：平臺安裝在三軸搖擺臺上以進行各種測試；三軸搖擺臺模擬導彈飛行過程中彈體的三維運動；驅動電源提供平臺以及三軸搖擺臺工作所需的各種交流和直流電源；信號采集裝置采集平臺輸出的各種姿態角、加速度等信號；對準裝置提供平臺對準的基準并進行對準時的角度測量；測試控制裝置進行測試項目、過程的控制，管理驅動電源的啟閉，并且對測試數據進行管理。

2 系統模型設計

導彈平臺測試系統設計的關鍵是實現系統中各項模型的設計，這需要對平臺測試系統的測試需求、系統結構組成和系統工作任務進行仔細的分析，在此基礎上有針對性地提出相應的模型。本文利用UML(unified modeling language)基于面向對象技術領域的可視化建模方法應用于導彈平臺測試系統設計，可以方便快捷的構建測試系統。

采用UML建模方法設計導彈平臺測試系統，主要工作包括需求描述模型設計、結構模型設計以及行為模型設計。對應上述三種模型設計，UML方法采用三類不同的圖形來分別實現：測試系統的需求描述模型設計具體采用用例圖來實現，測試系統的結構模型設計具體采用靜態結構圖中的對象類圖來實現，測試系統的行為模型設計具體采用動態行為圖中的順序圖來實現。

2.1 需求描述模型

對于導彈平臺測試系統，需求描述就是系統測試項目或者功能的描述，即用戶能夠運用系統提供的測試項目實現各種平臺測試。用例圖能夠體現系統用戶(使用者)與系統提供的用例(測試項目)之間的某種聯系[6-7]，借助用例圖可以明確測試系統的各項測試需求、應用范圍等。在具體的需求描述模型設計中，采用橢圓表示用例即測試功能，采用“人形”圖符表示系統的用戶，用例和用戶之間的連線表示二者之間的關聯和信息交流。測試系統需要提供能夠滿足用戶測試需求的各種平臺測試，包括穩定回路測試、調平回路測試、方位對準測試、漂移系數測試、姿態角測試、加速度等測試，系統用例模型圖如圖1所示。

圖1 系統用例模型圖

2.2 系統結構模型

平臺測試系統涉及的硬件設備眾多，包括慣性平臺、三軸搖擺臺、驅動電源、信號采集裝置、測試控制裝置和方位對準裝置等，設備間相互關聯。類(Class)是面向對象技術中最基本的元素，類模型揭示了系統的結構。因此可以采用類模型進行系統結構建模，具體方法如下：首先細化用例模型，提取系統中的類，然后對類的屬性和操作進行描述。

由需求描述的用例圖可知，各項測試依托測試系統進行，因此，可以建立測試類模型(Test)來統管不同子類，各子類描述相應的平臺測試項目，具體而言，根據圖1的系統需求描述可設計為穩定測試類(Sta-test)、調平測試類(Hor-test)、對準測試類(Aim-test)、漂移測試類(Shift-test)、保護測試類(Safe-test)、姿態角測試類( Gtest-test)、加速度測試類(Acc-test)和用于功能拓展的其它測試類(Oth- test)。另一方面，根據測試系統的硬件設備組成建立不同的實體類模型，包括慣性平臺類(Inertia-platform)、三軸搖擺臺類(Swing-rack)、驅動電源類(Driving-force)、信號采集裝置類(Signal-collection)、對準裝置類(Aiming-device)、測試控制裝置類(Control-device)。測試類(Test)系統結構體系及相互關系如圖2所示。

圖2 系統結構體系及關聯關系

2.3 行為描述模型

厘清平臺測試系統測試項目間的行為關系是建模的重要環節，UML的順序圖也稱序列圖，能夠很好的描述系統系統內部和設備之間的交互情況，體現設備間消息傳遞的時間順序，有利于快速建模和反復重用，提高系統開發效率和設計效果。

平臺測試系統工作時的行為順序如下：測試管理器將平臺測試步驟轉化成控制模型；測試控制裝置根據不同的測試控制模型制定相應的測試控制規則，啟動相應的電源輸出電路驅動對準裝置、慣性平臺、信號采集裝置等硬件設備；三軸搖擺臺給慣性平臺提供三維空間位置，模擬彈體飛行時各種姿態運動狀態；對準裝置將基準對準信號傳遞給慣性平臺；慣性平臺完成穩定、調平、漂移、對準等測試，其輸出信息由信息采集裝置采集，信息采集裝置將信息轉化后發送給測試控制裝置，測試控制裝置對測試信息進行結果分析。這一行為過程如圖3所示。

圖3 平臺測試行為順序圖

3 系統結構設計

根據前文所建立的系統結構模型及行為描述模型，平臺測試系統的硬件支撐環境可設計為如下部分：測試控制臺、三軸搖擺慣性平臺和對準裝置。軟件包括測試管理軟件和測試軟件兩部分。系統結構如圖4所示。

圖4 系統結構設計圖

3.1 硬件結構設計

測試控制臺是整個測試系統的核心，運行測試管理軟件和測試軟件，由對外接口、控制設備、供電控制、信號測試及人機交互等幾大部分組成，通過測試電纜分別與平臺、搖擺臺以及對準裝置連接。在平臺測試過程中，由測試控制臺中的嵌入式計算機發出各種控制指令與測試命令，用于操控測試進程，給系統提供各種工作電源、測試平臺數據、顯示測試數據和分析測試結果。其中供電控制電路將AC220V的輸入電源根據一定的變換關系產生所需的各種電壓，驅動平臺、搖擺臺工作；同時，給光路對準裝置和人機交互設備提供電源。

三軸搖擺慣性平臺為系統的重要部分，平臺固定于三軸搖擺臺上。三軸搖擺臺是機電設備，由元器件、控制電機、角度傳感器、機械安裝支架等組成，能夠實現三個方向上的轉動。三軸搖擺臺采用線性控制理論，使用電流傳感器作為電流反饋器件、增量式光電碼盤作為數字位置反饋器件、碼盤信號經過F/V變換作為模擬速度反饋以實現典型的三回路閉環控制。搖擺臺三軸均采用直流力矩電機直接驅動，采用光電編碼器為測角元件，并裝有尋零開關用于搖擺臺的尋零操作。借助此搖擺臺，平臺測試系統可以提供動基座條件下的平臺測試。平臺采用導彈實裝平臺設備，由臺體組合件、框架系統、基座、安裝架及線路安裝板等組成，在測試控制臺的控制下閉合不同的平臺測試回路，輸出姿態角或者加速度信號給測試控制臺采集，配合三軸搖擺臺完成平臺的各項測試。

對準裝置通過激光發光器提供紅色基準光路，設置光電傳感器感知反射光位置。對準裝置的核心器件是光源收發器，內含1個激光發射器和4個光電開關。裝置外表面有5個光線收發孔，中間為基準光線發射孔(對應1個激光發射器，半徑為1毫米)，左右兩邊各均布2個孔(半徑為1毫米)，分別是正、負掃瞄接收孔和準直接收孔(對應4個光電開關)，激光發射器、光電開關與接口導線聯通。在進行平臺瞄準測試時，基準光線發射孔里發出1束基準激光射向平臺對準軸上的反射棱鏡，當平臺上的方位軸轉動時，帶動方位軸上的反射棱鏡一起轉動，將基準光線反射到對準裝置上相應的接收孔里，使接收孔里的光電開關由斷開到接通，此動作信號通過測試電纜傳輸到測試控制臺中，給出平臺掃瞄或者準直等信號，完成瞄準測試。

3.2 軟件結構設計

系統軟件由嵌入式計算機和數據采集測試兩個不同運行環境中的軟件組成。

嵌入式計算機軟件作為測試管理軟件，是整個軟件結構的中心，包括主控制軟件、通訊軟件和顯示軟件，采用了層次化、結構化的程序設計方法。軟件采用MCGS嵌入版組態軟件操作系統，開發平臺采用Visual C++ 7.0。數據采集測試軟件實現平臺具體信號的采集與測試，以用戶管理接口為主線程，將指令接收、實時采集、數據存儲設定為子線程，在嵌入式計算機的控制下采集數據，通過串口通訊把測試結果傳送給嵌入式計算機進行可視化顯示。

4 試驗結果與分析

為了驗證設計的平臺測試系統的測試效果，進行驗證性測試。連接好設備間電纜，啟動測試控制臺、三軸搖擺慣性平臺，登錄用戶界面，選擇姿態角測試項目，系統開始自動測試，通過人機交互界面查看測試結果。為了模擬導彈飛行的空中姿態，測試控制臺控制三軸搖擺臺按照某種搖擺規律搖擺，使三軸搖擺臺穩定工作于正弦波掃描方式。在控制三軸搖擺臺動作的同時，測試控制臺同時采集平臺三軸上姿態角傳感器發出實時姿態角，并且通過人機交互界面實時顯示結果。姿態角測試界面如圖5所示，測試界面包括3個方向陀螺儀、3個方向姿態角傳感器、3個方向姿態角測量值、兩個調平加速度計、平臺瞄準階段等信息。結果顯示，測試系統實時測試出平臺俯仰角(φ)與偏航角(φ)的數值，同時也顯示了俯仰姿態角傳感器與偏航姿態角傳感器處于工作狀態，實現了平臺姿態角的測試功能。

圖5 平臺姿態角測試界面

5 結論

為了滿足導彈平臺測試的需要，本文將UML建模方法應用于導彈平臺測試系統設計，在分析系統工作流程的基礎上，構建了系統需求描述模型、結構模型和行為描述模型，并對系統的結構及實體布置關系進行了設計，有效提高了系統設計效率。設計出來的系統在實用性的基礎上，還具有復用性及拓展性，能對其他多種型號導彈平臺的性能參數進行測試。平臺工作過程轉化為測試控制模型是系統研制中的關鍵環節，尤其是測試控制模型應該具有可擴展性，這一方面的具體設計工作還有待進一步研究。

[1] 翟兆松,毛端海,李世平.慣性平臺防倒臺保護電路設計[J].電子科技，2010，23(11)：77-79.

[2] 吳雙磊,劉潔瑜,盛立昊,等.基于PSD的平臺動態漂移測試新方法[J].計算機測量與控制，2013，21(9)：2394-2396.

[3] 高迎彬,胡昌華,何華鋒. 基于FPGA的慣性平臺 嵌入式調平系統設計[J].電子測量技術，2011，34(6)：60-63.

[4] 張建民,韓根甲.下視慣性平臺瞄準線穩定的數理分析[J]. 光學與光電技術,2004,2(6):55-58.

[5] 劉 靜,朱志剛.搖擺條件下慣性平臺系統動態特性分析[J].宇航學報，2011，32(9)：1878-1883.

[6] James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Grady Booch. UML參考手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[7] 李 欣，賈 炯. 用例建模技術在需求獲取中的應用研究[J].浙江師范大學學報：自然科學版，2004,27(3)：251-253.

Research of Design Method for Misssle Platform Test System

Zhang Lei, Xiao Fan, Liu Bingjie

(Third Dep.，Navy Submarine Academy，Qingdao 266019,China)

In the process of model design for missile platform test system by modeling technology, the key is to realize the requirements description model design, structure model design and behavior model design of test system．Firstly,the working procedure of test system is analyzed. Then, the model design of test system are carried by UML(unified modeling language) modeling technology. The requirements description model of system is showed by using decomposition of use-case diagram, the structure model of system is built on the analysis of structure system and relevance relation. The behavior model of system is constructed by using sequence diagram. At last, the system structure and arrangement relation of test system are designed based on above-mentioned model design.This design is applied to real developing for misssle platform test system and all test function is realized. The result shows that this modeling method can improves design efficiency, and the test system possesses reuseability and expansibility also based on the practicability.

missile platform；test system；UML；model

2016-11-22；

2016-12-15。

張 磊(1973-)，男，山東廣饒人，碩士，講師，主要從事導彈控制、測試方向的研究。

1671-4598(2017)05-0126-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.035

TJ762.4

A