多构型任务的软件虚拟验证：从火神新构型说起

▲火神已飞构型与待飞构型对比，VC6L构型计划用于Leo Vulcan 01任务。图片来源：ASPT-航天科普小组。

火神最早投入飞行的是两助推器构型。2024年1月8日，火神完成首次发射，将包括“游隼”月球着陆器在内的载荷送入预定轨道。同年10月4日，火神以VC2S构型完成第二次认证飞行，搭载模拟载荷，并开展与后续半人马座V技术有关的演示。两次任务为型号认证提供了飞行数据。

2025年8月，火神采用四助推器的VC4S构型执行USSF-106任务，首次承担美国国家安全太空发射任务。2026年2月，火神再次以VC4S构型执行USSF-87任务，将航天器直接送入地球同步轨道。此次待执行的Leo Vulcan 01任务，则将首次使用六助推器构型。

这些组合服务于不同的任务条件。地球同步轨道直接入轨与低轨星座批量部署，在目标轨道、载荷组织和飞行流程上存在差异。相应的任务参数、事件安排和接口条件，需要落实到具体配置，并通过分析与测试检查其正确性。

▲Leo Vulcan 01任务飞行流程示意，展示助推器分离、级间分离、上面级工作及卫星释放等任务阶段。图片来源：ULA。

落实到软件层面，需要先明确哪些程序保持不变、哪些配置发生调整，以及变化涉及哪些接口和执行流程，再确定需要补充或重复开展的测试。对于多构型系统，已有测试结果可以作为基础，新增配置及其影响范围则需要进一步检查。

从一般嵌入式系统工程角度看，这类验证可归纳为四项内容：

配置检查：核对任务参数、设备地址和工作模式，检查软件是否正确读取并使用相应配置。

运行与交互检查：观察任务调度、中断处理、内存读写及接口收发，检查初始化、自检和模式切换等流程是否按预期执行。

异常响应检查：设置数据越界、消息超时或设备状态异常等条件，检查软件是否进入预期处理分支。

修改后回归检查：重新执行相关用例，确认问题是否解决，以及其他配置下的已有功能是否受到影响。

每项测试都应明确输入条件、预期行为和实际结果，并记录对应的软件版本与配置数据，为问题定位和多轮结果比对提供依据。

数字样机能够为这些检查提供软件运行环境。在相应模型具备的前提下，目标程序可在仿真处理器上执行，与存储器、定时器、中断控制器及外设模型交互，研发人员据此观察程序行为，开展虚拟测试。

验证结论需要与模型能力对应。分析周期、帧间隔或超时行为时，应明确仿真时间机制及相关模型的适用范围；若要检查控制软件与飞行过程的闭环响应，还需接入适用的动力学、传感器和执行机构模型。结构、材料及热环境等物理问题，则由相应的专业分析与试验验证。

面向航空航天等安全关键领域的嵌入式软件研发需求，可通过天目全数字实时仿真软件SkyEye来构建目标程序运行所需的数字样机。处理器、存储资源、外设和总线模型按照目标系统进行适配，为软件加载、执行、调试及接口交互提供基础环境。

在完成相应适配后，研发人员可以在仿真硬件上运行目标二进制程序，使用断点、单步执行等调试功能，查看内存、反汇编及处理器和设备寄存器状态。例如，在某个状态切换位置暂停程序，核对状态字与输出数据；在接口处理函数处检查接收内容，分析数据从输入到处理结果的传递过程。这些观测能够为定位初始化失败、数据处理异常和流程分支错误等问题提供依据。

▲SkyEye飞行器状态控制系统仿真案例

针对异常场景，SkyEye可通过故障注入，在模型支持的范围内设置测试条件，检查软件响应。覆盖率分析用于观察测试执行到的代码范围，快照与逆向调试则可辅助回看和分析程序运行过程。相关能力结合使用，可以帮助研发人员将异常现象对应到具体的软件执行位置。

对于需要反复检查的功能，还可以通过自动化脚本组织测试，并与持续集成流程衔接。软件版本更新后，按照确定的配置与用例重新运行，核对执行结果，逐步积累可重复使用的验证过程。硬件模型、配置和测试方法的复用，则以目标系统差异及适配情况为基础推进。

从火神的多构型任务延伸到高端装备研发，软件验证最终都需要落到具体程序、接口和运行条件上。数字样机能够让部分检查提前开展：程序是否能够运行，配置是否被正确使用，接口数据是否按预期处理，异常条件是否触发相应分支。将这些问题在虚拟开发与虚拟验证阶段逐步定位和处理，实物设备到位后，研发团队便能带着已有测试结果和待验证事项进入联试，让每一轮检查都有明确的对象与依据。