CN101738206A - 具有故障模拟功能的gps接收机模拟方法 - Google Patents
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Abstract
具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，它涉及一种GPS接收机模拟方法，解决了现有技术GPS接收机模拟器不能模拟GPS接收机正常工作的同时进行故障注入和故障模拟的问题，第一RS485收发器和第二RS485收发器分别与FPGA的数据输入/输出端相连，秒脉冲信号驱动器的数据输入端与所述FPGA的数据输出端相连，CAN控制器与FPGA的数据输入/输出端相连，CAN收发器与CAN控制器相连，所述FPGA包括六个状态机、正常定位数据存储区、故障数据存储区、GPS时间计数器和GPS广播数据帧发送请求计数器，本发明的GPS接收机模拟方法适用于导航系统设计过程中的半实物仿真和测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种GPS接收机模拟方法。
背景技术
航空航天飞行器导航系统主要由导航测量设备、导航中心计算机和飞行控制执行机构组成，如图1所示。导航测量设备主要包括星敏感器、GPS接收机、陀螺等，用于获取飞行器的空间方位和姿态信息；导航中心计算机根据飞行器的空间方位和姿态信息控制飞行控制执行机构，从而正确控制飞行器的飞行方向和姿态。其中，GPS接收机主要用于输出秒脉冲信号并通过GPS广播数据帧向飞行器导航系统的其他设备发布授时数据和定位数据，其在卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器设计应用中具有极其重要的地位。
在航空航天飞行器导航系统的设计、开发过程中为了对被测导航系统软、硬件进行全面考核，通常需要进行大量的半实物仿真和测试工作。由于真实GPS接收机价格昂贵且不便于故障情况的模拟，因此在对导航中心计算机的软、硬件和飞行控制执行机构的可靠性测试考核中需要用GPS接收机模拟器代替真实GPS接收机进行测试。目前，市场已有众多的GPS接收机模拟器产品，但难以找到既可模拟GPS接收机正常工作，又可以进行故障注入和故障模拟的GPS接收机模拟器产品，且这类模拟器的自行开发难度较大。
发明内容
本发明为了解决现有技术GPS接收机模拟器不能模拟GPS接收机正常工作的同时进行故障注入和故障模拟的问题，提供一种具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法。
具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，它是基于GPS接收机模拟器实现的，所述GPS接收机模拟器由秒脉冲信号驱动器、FPGA、第一RS485收发器、第二RS485收发器、CAN收发器和CAN控制器组成，所述秒脉冲信号驱动器的秒脉冲驱动信号输入端与所述FPGA的秒脉冲驱动信号输出端相连，所述第一RS485收发器的串行通讯口与FPGA的第一RS485串行通讯口相连，所述第二RS485收发器的串行通讯口与FPGA的第二RS485串行通讯口相连，CAN控制器的控制数据输入/输出端与FPGA的CAN数据输入/输出端相连，CAN收发器的串行通讯口与CAN控制器的串行通讯口相连；
具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法具体如下：所述FPGA内部固化有正常定位数据存储区、故障数据存储区、GPS时间计数器、GPS广播数据帧发送请求计数器和六个逻辑状态机，所述六个逻辑状态机分别为：GPS正常定位数据接收状态机、故障数据接收状态机、模拟器工作状态管理状态机、GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机、GPS广播数据帧发送请求状态机和GPS广播数据帧发送状态机，所述六个逻辑状态机工作时钟频率为57.6MHz，秒脉冲信号驱动器用于向GPS接收机模拟器外部提供秒脉冲信号，正常定位数据存储区用于存储正常定位数据，故障数据存储区用于存储故障数据，第一RS485收发器用于接收GPS接收机正常定位数据并发送给FPGA，第二RS485收发器用于接收GPS接收机故障定位数据、故障类型参数和故障持续时间参数并发送给FPGA。
本发明的模拟方法不但可模拟GPS接收机在正常工作状态下的主要功能，还可以进行故障参数注入，从而实现GPS接收机的故障模拟。本发明的模拟方法可以代替真实GPS接收机应用于导航系统设计过程中的半实物仿真和测试，便于对被测导航系统软、硬件进行全面考核。
附图说明
图1为现有航空航天飞行器导航系统示意图。图2为GPS接收机模拟器的电气原理结构示意图。图3为GPS正常定位数据接收状态机2-1的工作原理示意图。图4为故障数据接收状态机2-2的工作原理示意图。图5为模拟器工作状态管理状态机2-3的工作原理示意图。图6为GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机2-4的工作原理示意图。图7为GPS广播数据帧发送请求状态机2-5的工作原理示意图。图8为GPS广播数据帧发送状态机2-6的工作原理示意图。图9为GPS接收机模拟器应用于航空航天飞行器导航系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，它是基于GPS接收机模拟器实现的，所述GPS接收机模拟器由秒脉冲信号驱动器1、FPGA2、第一RS485收发器3-1、第二RS485收发器3-2、CAN收发器4-1和CAN控制器4-2组成，所述秒脉冲信号驱动器1的秒脉冲驱动信号输入端与所述FPGA2的秒脉冲驱动信号输出端相连，所述第一RS485收发器3-1的串行通讯口与FPGA2的第一RS485串行通讯口相连，所述第二RS485收发器3-2的串行通讯口与FPGA2的第二RS485串行通讯口相连，CAN控制器4-2的控制数据输入/输出端与FPGA2的CAN数据输入/输出端相连，CAN收发器4-1的串行通讯口与CAN控制器4-2的串行通讯口相连；
具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法具体如下：所述FPGA2内部固化有正常定位数据存储区a、故障数据存储区b、GPS时间计数器c、GPS广播数据帧发送请求计数器d和六个逻辑状态机，所述六个逻辑状态机分别为：GPS正常定位数据接收状态机2-1、故障数据接收状态机2-2、模拟器工作状态管理状态机2-3、GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机2-4、GPS广播数据帧发送请求状态机2-5和GPS广播数据帧发送状态机2-6，所述六个逻辑状态机工作时钟频率为57.6MHz，秒脉冲信号驱动器1用于向GPS接收机模拟器外部提供秒脉冲信号，正常定位数据存储区a用于存储正常定位数据，故障数据存储区b用于存储故障数据，第一RS485收发器3-1用于接收GPS接收机正常定位数据并发送给FPGA2，第二RS485收发器3-2用于接收GPS接收机故障定位数据、故障类型参数和故障持续时间参数并发送给FPGA2。
本实施方式中的第一RS485收发器3-1和第二RS485收发器3-2可以选用采用NVE公司的IL422芯片，CAN收发器4-1可以采用TI公司的SN65HVD1050芯片，CAN控制器可以选用SJA1000T芯片，FPGA2可以采用ALTERA公司的Cyclone EP1C6Q240C8芯片，秒脉冲信号驱动器1可以采用MC1413芯片。
具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对GPS正常定位数据接收状态机2-1的工作状态的进一步说明：GPS正常定位数据接收状态机2-1包括三个状态：等待状态、接收正常定位数据状态和数据存储状态；
在等待状态，等待RS485收发器3-1发送数据，若检测到第一RS485接收器3-1发送数据，则所述状态机将转换到接收正常定位数据状态；
在接收正常定位数据状态，接收第一RS485接收器3-1发送的数据，当数据接收完毕后，状态机转换到数据存储状态；
在数据存储状态，将接收的数据存入正常定位数据存储区a；若数据存储完毕，状态机将转换到等待状态。
具体实施方式三、结合图4说明本实施方式，本实施方式是对故障数据接收状态机2-2的工作状态的进一步说明：故障数据接收状态机2-2包括四个状态：等待状态、接收故障数据状态、数据存储状态和故障数据到达信号发送状态；
在等待状态，等待第二RS485收发器3-2发送数据，若检测到第二RS485收发器3-2发送数据，则状态机将转换到接收故障数据状态；
在接收故障数据状态，接收第二RS485收发器3-2发送的数据，若数据接收完毕，状态机将转换到数据存储状态，
在数据存储状态，将接收的数据存入故障数据存储区b，所述故障数据包括故障类型、故障持续时间和故障定位数据；若数据存储完毕，状态机将转换到故障数据到达信号发送状态；
在故障数据到达信号发送状态，发送故障数据到达信号，若故障数据到达信号发送完毕，状态机将转换到等待状态。
具体实施方式四、结合图5说明本实施方式，本实施方式是对模拟器工作状态管理状态机2-3的工作状态的进一步说明：模拟器工作状态管理状态机2-3包括两个状态：等待故障数据到达状态和读取故障数据状态；
在等待故障数据到达状态，检测故障数据到达信号，当检测到所述故障数据到达信号时，状态机转换到读取故障数据状态；
在读取故障数据状态，从故障数据存储区b中读取故障类型数据和故障持续时间数据，并根据所述故障类型数据和故障持续时间设置状态机的工作状态及状态持续时间；读取完数据后，状态机转换到等待故障数据到达状态；
在状态机处于读取故障数据状态时，若故障类型数据等于0或故障持续时间数据等于0，则状态机设置模拟器工作状态为“正常”，设置完毕后状态机将转换到等待故障数据到达状态；若故障类型数据不等于0且故障持续时间数据不等于0，则状态机设置模拟器工作状态为“故障”，设置完毕后根据故障持续时间数据进行延时，延时完毕后状态机设置模拟器工作状态为“正常”，随后状态机转换到等待故障数据到达状态。
不同故障类型参数对应的故障模拟功能如表1所示：
表1
| 故障类型参数 | 故障模拟功能描述 |
| 0 | GPS接收机工作正常，输出GPS接收机正常定位数据 |
| 故障类型参数 | 故障模拟功能描述 |
| 1 | GPS接收机工作故障，故障表现为GPS接收机对导航中心计算机的无输出 |
| 2 | GPS接收机工作故障，故障表现为输出定位数据跳变，即两相邻GPS广播数据帧中的定位数据交替采用正常定位数据加故障定位数据和正常定位数据减故障定位数据 |
| 3 | GPS接收机工作故障，故障表现为GPS广播数据帧中的定位数据保持不变，GPS广播数据帧中的定位数据＝故障前最后一次输出的正常定位数据 |
| 4 | GPS接收机工作故障，故障表现为GPS广播数据帧中的定位数据保持不变，GPS广播数据帧中的定位数据＝故障定位数据 |
具体实施方式五、结合图6说明本实施方式，本实施方式是对GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机2-4的工作状态的进一步说明：GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机2-4包括一个状态：延时等待状态；
在延时等待状态，等待整秒时刻到达，若整秒时刻到达，则GPS时间计数器c加1并且产生一次秒脉冲驱动信号；
若整秒时刻未到达，则始终处于延时等待状态。
具体实施方式六、结合图7说明本实施方式，本实施方式是对GPS广播数据帧发送请求状态机2-5的工作状态的进一步说明：GPS广播数据帧发送请求状态机2-5包括一个状态：等待秒脉冲信号状态；
在等待秒脉冲信号状态，若秒脉冲信号到达，将GPS广播数据帧发送请求计数器d加1，操作完毕则等待秒脉冲信号状态。
具体实施方式七、结合图8说明本实施方式，本实施方式是对GPS广播数据帧发送状态机2-6的工作状态的进一步说明：GPS广播数据帧发送状态机2-6包括两个状态：查询状态和发送广播数据帧状态；
在查询状态，查询GPS广播数据帧发送请求计数器d的内容，若GPS广播数据帧发送请求计数器d等于0，则状态机始终处于查询状态；若GPS广播数据帧发送请求计数器d不等于0，则执行下述步骤：
步骤A1、GPS广播数据帧发送请求计数器d减1；
步骤A2、判断当前模拟器工作状态，若当前模拟器工作状态为正常，则执行步骤A3，若当前模拟器工作状态为故障，则执行步骤A6；
步骤A3、模拟器读取当前GPS时间；
步骤A4、模拟器从正常定位数据存储区a中读取正常定位数据；
步骤A5、模拟器将最后一次输出的正常定位数据和GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；该线程结束；
步骤A6、模拟器读取当前GPS时间；
步骤A7、模拟器从正常定位数据存储区a中读取正常定位数据；
步骤A8、模拟器从故障数据存储区b中读取故障定位数据；
步骤A9、判断故障类型，若故障类型为2，则执行步骤A10；若故障类型为3，则执行步骤A15；若故障类型为4，则执行步骤A16；若故障类型为其他值，则状态机转换到查询状态，该线程结束；
步骤A10、模拟器读取定位数据跳变类型标志位；
步骤A11、判断所述标识位的内容，若标志位等于0，则执行步骤A12；若标志位等于1，则执行步骤A13；
步骤A12、模拟器将正常定位数据加故障定位数据的结果和当前GPS时间作为GPS广播数据帧的待发送数据，然后执行步骤A14；
步骤A13、模拟器将正常定位数据减故障定位数据的结果和当前GPS时间作为GPS广播数据帧的待发送数据；
步骤A14、模拟器将定位数据跳变类型标志位取反，然后状态机转换到发送广播数据帧状态，该线程结束；
步骤A15、模拟器将最后一次输出的正常定位数据和当前GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；
步骤A16、模拟器将故障定位数据和当前GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；
在发送广播数据帧状态，发送广播数据帧，广播数据帧中含有待发送数据，然后状态机转换到查询状态。
具体实施方式九、结合图9说明本实施方式，本实施方式是将本发明方法应用于航空航天飞行器导航系统中，硬件连接关系为：测试仿真计算机通过第一连接器与本发明的GPS接收机模拟器的第一RS485收发器3-1连接，实现GPS接收机模拟器正常定位数据的注入，测试仿真计算机通过第二连接器与本发明的GPS接收机模拟器的第二RS485收发器3-2连接，实现GPS接收机故障定位数据、故障类型参数和故障持续时间参数的注入，第一连接器和第二连接器均使用RS485总线通信方式，采用DB9连接器，包括RS485总线的差分信号线对和地线；导航中心计算机通过第三连接器与本发明的GPS接收机模拟器的CAN收发器4-1连接，采用CAN通信方式，第三连接器采用2对双绞屏蔽差分线和地线，用于CAN异步全双工通信；导航中心计算机通过第四连接器与本发明的GPS接收机模拟器的秒脉冲信号驱动器1连接，用于向导航中心计算机发送秒脉冲信号，导航中心计算机的信号输入/输出口与飞行器执行机构的信号输入/输出口相连。
Claims (8)
1.具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于它是基于GPS接收机模拟器实现的，所述GPS接收机模拟器由秒脉冲信号驱动器(1)、FPGA(2)、第一RS485收发器(3-1)、第二RS485收发器(3-2)、CAN收发器(4-1)和CAN控制器(4-2)组成，所述秒脉冲信号驱动器(1)的秒脉冲驱动信号输入端与所述FPGA(2)的秒脉冲驱动信号输出端相连，所述第一RS485收发器(3-1)的串行通讯口与FPGA(2)的第一RS485串行通讯口相连，所述第二RS485收发器(3-2)的串行通讯口与FPGA(2)的第二RS485串行通讯口相连，CAN控制器(4-2)的控制数据输入/输出端与FPGA(2)的CAN数据输入/输出端相连，CAN收发器(4-1)的串行通讯口与CAN控制器(4-2)的串行通讯口相连；
具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法具体如下：所述FPGA(2)内部固化有正常定位数据存储区(a)、故障数据存储区(b)、GPS时间计数器(c)、GPS广播数据帧发送请求计数器(d)和六个逻辑状态机，所述六个逻辑状态机分别为：GPS正常定位数据接收状态机(2-1)、故障数据接收状态机(2-2)、模拟器工作状态管理状态机(2-3)、GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机(2-4)、GPS广播数据帧发送请求状态机(2-5)和GPS广播数据帧发送状态机(2-6)，所述六个逻辑状态机工作时钟频率为57.6MHz，秒脉冲信号驱动器(1)用于向GPS接收机模拟器外部提供秒脉冲信号，正常定位数据存储区(a)用于存储正常定位数据，故障数据存储区(b)用于存储故障数据，第一RS485收发器(3-1)用于接收GPS接收机正常定位数据并发送给FPGA(2)，第二RS485收发器(3-2)用于接收GPS接收机故障定位数据、故障类型参数和故障持续时间参数并发送给FPGA(2)。
2.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于GPS正常定位数据接收状态机(2-1)包括三个状态：等待状态、接收正常定位数据状态和数据存储状态；
在等待状态，等待RS485收发器(3-1)发送数据，若检测到第一RS485接收器(3-1)发送数据，则所述状态机将转换到接收正常定位数据状态；
在接收正常定位数据状态，接收第一RS485接收器(3-1)发送的数据，当数据接收完毕后，状态机转换到数据存储状态；
在数据存储状态，将接收的数据存入正常定位数据存储区(a)；若数据存储完毕，状态机将转换到等待状态。
3.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于故障数据接收状态机(2-2)包括四个状态：等待状态、接收故障数据状态、数据存储状态和故障数据到达信号发送状态；
在等待状态，等待第二RS485收发器(3-2)发送数据，若检测到第二RS485收发器(3-2)发送数据，则状态机将转换到接收故障数据状态；
在接收故障数据状态，接收第二RS485收发器(3-2)发送的数据，若数据接收完毕，状态机将转换到数据存储状态，
在数据存储状态，将接收的数据存入故障数据存储区(b)，所述故障数据包括故障类型、故障持续时间和故障定位数据；若数据存储完毕，状态机将转换到故障数据到达信号发送状态；
在故障数据到达信号发送状态，发送故障数据到达信号，若故障数据到达信号发送完毕，状态机将转换到等待状态。
4.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于模拟器工作状态管理状态机(2-3)包括两个状态：等待故障数据到达状态和读取故障数据状态；
在等待故障数据到达状态，检测故障数据到达信号，当检测到所述故障数据到达信号时，状态机转换到读取故障数据状态；
在读取故障数据状态，从故障数据存储区(b)中读取故障类型数据和故障持续时间数据，并根据所述故障类型数据和故障持续时间设置状态机的工作状态及状态持续时间；读取完数据后，状态机转换到等待故障数据到达状态。
5.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于GPS时间计时及秒脉冲信号产生状态机(2-4)包括一个状态：延时等待状态；
在延时等待状态，等待整秒时刻到达，若整秒时刻到达，则GPS时间计数器(c)加1并且产生一次秒脉冲驱动信号。
6.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于GPS广播数据帧发送请求状态机(2-5)包括一个状态：等待秒脉冲信号状态；
在等待秒脉冲信号状态，若秒脉冲信号到达，将GPS广播数据帧发送请求计数器(d)加1，操作完毕则等待秒脉冲信号状态。
7.根据权利要求1所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于GPS广播数据帧发送状态机(2-6)包括两个状态：查询状态和发送广播数据帧状态；
在查询状态，查询GPS广播数据帧发送请求计数器(d)的内容，若GPS广播数据帧发送请求计数器(d)不等于0，则执行下述步骤：
步骤A1、GPS广播数据帧发送请求计数器(d)减1；
步骤A2、判断当前模拟器工作状态，若当前模拟器工作状态为正常，则执行步骤A3，若当前模拟器工作状态为故障，则执行步骤A6；
步骤A3、模拟器读取当前GPS时间；
步骤A4、模拟器从正常定位数据存储区(a)中读取正常定位数据；
步骤A5、模拟器将最后一次输出的正常定位数据和GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；该线程结束；
步骤A6、模拟器读取当前GPS时间；
步骤A7、模拟器从正常定位数据存储区(a)中读取正常定位数据；
步骤A8、模拟器从故障数据存储区(b)中读取故障定位数据；
步骤A9、判断故障类型，若故障类型为2，则执行步骤A10；若故障类型为3，则执行步骤A15；若故障类型为4，则执行步骤A16；若故障类型为其他值，则状态机转换到查询状态，该线程结束；
步骤A10、模拟器读取定位数据跳变类型标志位；
步骤A11、判断所述标识位的内容，若标志位等于0，则执行步骤A12；若标志位等于1，则执行步骤A13；
步骤A12、模拟器将正常定位数据加故障定位数据的结果和当前GPS时间作为GPS广播数据帧的待发送数据，然后执行步骤A14；
步骤A13、模拟器将正常定位数据减故障定位数据的结果和当前GPS时间作为GPS广播数据帧的待发送数据；
步骤A14、模拟器将定位数据跳变类型标志位取反，然后状态机转换到发送广播数据帧状态，该线程结束；
步骤A15、模拟器将最后一次输出的正常定位数据和当前GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；
步骤A16、模拟器将故障定位数据和当前GPS时间作为待发送数据，然后状态机转换到发送广播数据帧状态；
在发送广播数据帧状态，发送广播数据帧，广播数据帧中含有待发送数据，然后状态机转换到查询状态。
8.根据权利要求4所述的具有故障模拟功能的GPS接收机模拟方法，其特征在于模拟器工作状态管理状态机(2-3)在读取故障数据状态后，根据所述故障类型数据和故障持续时间设置状态机的工作状态及状态持续时间的过程为：若故障类型数据等于0或故障持续时间数据等于0，则状态机设置模拟器工作状态为“正常”，设置完毕后状态机将转换到等待故障数据到达状态；若故障类型数据不等于0且故障持续时间数据不等于0，则状态机设置模拟器工作状态为“故障”，设置完毕后根据故障持续时间数据进行延时，延时完毕后状态机设置模拟器工作状态为“正常”，随后状态机转换到等待故障数据到达状态。
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