仿真试验是在运载火箭研制过程中必须要进行的大型地面试验，通过仿真试验可以考核制导、姿控方案的正确性、合理性，软硬件的适应性以及相关箭上控制单机的性能。传统的以实物试验为主的半实物仿真试验模式,为火箭的成功发射提供了保障，但是存在试验周期长,资源重用性差的弱点,因此已满足不了新的复杂产品的研制需求。随着信息化、数字化等高新技术，以及高性能计算机、高速大容量存储、实时网络等硬件产品的发展，为试验领域的发展提供了技术保障，使得在试验手段朝着虚拟化、网络化、智能化的方向发展。新技术与实物试验相结合所产生的虚拟试验技术为仿真试验的开展提供了一条新途径。虚拟试验能够提供实物试验所无法进行的边界条件试验，从而为实物试验提供补充数据，对控制系统进行更为全面的考核和分析。
建立控制系统虚拟试验验证环境，实现控制系统导航、制导、姿控、单机、软件等多专业的集成，实现虚拟设备、实物设备、数字模型之间的互操作，整合各种虚拟资源，促进这些资源的重用和可组合，以快速、高效益的方式实现用于试验。从而改进流程，实现并行设计模式，减少方案设计反复。
运载火箭控制系统虚拟试验系统构成如图1所示，以虚拟试验通用化支撑框架为核心，由三部分构成：仿真模型建模环境，虚拟试验通用化支撑框架和虚拟设备。
虚拟试验系统的建模环境支持制导姿控系统模型的建立与验证。建模是仿真试验的基础，为了能实现模型的重用，采用了规格化的方式描述，建立平台无关、编程语言无关的模型定义。建模阶段对模型格式、接口、访问方式、执行方式等进行约束，所生成的仿真模型经过验模后保存到模型库中。
将仿真模型分为通用模型、箭体模型、控制模型和评估模型。通用模型包括地球模型、大气模型、坐标转换、插值算法、积分算法等。主要对控制系统中比较确定的通用模块进行接口定义和封装。箭体模型包括绕心运动计算、质心运动计算、伺服机构模型、惯性器件模型、发动机模型和气动模型，实现箭体、测量系统和执行机构的模拟。控制模型包括各级控制方程和控制系统设计参数，完成箭上飞行软件的功能。评估模型包括最大值统计、入轨偏差计算、误差计算等常用评估方法。
图1 虚拟试验系统体系结构
虚拟试验通用化支撑框架为虚拟试验系统的核心，负责对虚拟试验的调度和管理。在试验前设计试验方案。在试验过程中对试验进行模型的集成，虚拟设备、实物设备的系统集成，以及与运载火箭的其它分系统的集成。实现模型驱动、时间管理、试验监控、数据管理。结果评估提供控制系统性能评估体系、评估方法，评估结果可以对制导、姿控设计方案提供修正依据。
根据控制系统设计方案的考核验证需求，虚拟试验通用化支撑框架应该具有通用性，表现在试验阶段的通用性、试验状态的通用性和试验项目的通用性，如图2所示。
图2 控制系统虚拟试验系统通用化视图
试验阶段的通用性是指满足控制系统从方案论证、初样、试样到定型等各个研制阶段的虚拟试验的需求。试验状态的通用性是指满足多种试验状态考核需求，包括正常状态试验、故障状态试验、性能摸底等试验内容。试验项目的通用性是指既能够对组成控制系统的各个单机进行测试也可以进行分系统的测试还可以支持多个系统之间联合实验的开展。控制系统虚拟试验支撑框架要适应以上各种试验状态的需求，因此对其通用性提出了很高的要求。
虚拟设备是对箭上关键的控制设备进行虚拟化，包括虚拟箭载计算机、虚拟执行机构、虚拟惯组等。虚拟设备是对实物设备功能和性能的模拟，并具有和实物设备一致的信息接口。
2.1 虚拟试验支撑框架
虚拟试验支撑框架应用于虚拟试验的全过程，包括试验配置阶段、试验运行阶段和试验数据处理阶段。每个阶段有各自的应用需求，如图3所示。
图3 虚拟试验支撑框架设计
（1）试验方案配置与生成
试验方案配置与生成实现在试验平台环境中设计、配置、部署试验方案，然后运行虚拟试验。试验方案包含仿真运行所需的足够条件以及与仿真模型关联，根据所配置的方案实现对模型的加载。虚拟试验支撑框架还具有以下功能：
l 分布式管理功能，实现仿真模型在试验节点的布署；
l 对试验方案的管理功能；
l 满足数学仿真模型、虚拟试验模型和实物模型等多种模型形式的需求。
（2）试验运行管理
在试验过程中，实现：仿真模型的调度和数据交互；仿真时间的管理；试验节点间的同步；对指定的数据进行采集、存储，以便执行数据的后处理过程；试验数据的可视化。
（3）试验数据处理
试验数据处理实现对试验数据的分析和评估，用于对控制系统设计方案的评价，也可以用于对仿真模型的校验。数据处理方式与具体分析目标有关，最基本的是一些通用的数据处理方法，如均值、方差、频谱分析、历史数据对比、最大/最小值统计等。
试验数据的处理还包括根据试验方案和试验内容生成试验报告。
2.2 箭上设备虚拟化技术
箭上设备虚拟化的基础是实物设备，并且结构形式和半实物仿真系统一致。典型的半实物仿真系统的组成如图4所示。半实物仿真系统的组成包括：
l 仿真计算机系统，实现箭体动力学模型解算，对仿真的运行控制以及与实物设备的IO接口；
l 环境模拟设备，如角运动仿真器、目标特性仿真器、目标运动仿真器、负载仿真器等；
l 被测实物，包括敏感器、箭载计算机、执行机构。
图4 仿真系统的组成框图
箭上设备的虚拟化则是以虚拟设备代替半实物仿真系统中的实物设备来进行试验。包括箭载计算机、惯组、速率陀螺、执行机构等。虚拟设备包括硬件和软件，硬件实现对实物设备电气接口的模拟，软件实现对实物设备功能的模拟。虚拟箭载计算机的构成如图5所示。
图5 虚拟箭载计算机
2.3 虚拟试验系统集成技术
虚拟试验系统集成涉及控制系统内部不同形式的模型的集成和控制系统与其它分系统之间的集成。
控制系统内部不同形式的模型是指数学模型、虚拟设备、实物设备之间的集成。控制系统是对实时性要求十分严格的系统，因此控制系统内部集成采用了紧耦合形式的基于控制系统总线的实时协议。具体实现上采用了VMIC反射式内存网络，Windows操作系统和RTX实时扩展运行环境。
控制系统与其它分系统的集成则采用了松耦合形式的分布式仿真协议，例如控制系统与箭体总体的交互。采用基于HLA的分布式仿真协议，通过订购发布数据实现系统之间的数据交互。
以某型号运载火箭为背景设计了控制系统虚拟试验原型系统，构成如图6所示。包括箭体模拟计算机、虚拟箭载计算机以及内部总线构成了控制系统闭环，和其它分系统的信息交互采用了协议转换计算机实现，保证了紧耦合仿真系统和松耦合仿真系统的数据同步。通过该原型系统实现了以上所述的虚拟试验关键技术。将虚拟试验的结果和半实物仿真试验的结果进行比较，误差在可接受范围以内。
图6 控制系统虚拟试验原型系统
仿真作为运载火箭研发的重要手段，能够起到了辅助设计、评估性能的作用。如何提高仿真试验的效率，缩短仿真周期，实现真实的、虚拟的和构造的分布式试验系统的互操作是在工程实际中亟待解决的问题。研究结果表明，虚拟试验技术可为控制系统设计方案的分析、仿真和试验提供支持，提高仿真资源重用与共享。
