CN102081360A - 惯性天文组合导航半物理实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性天文组合导航半物理实验系统。它是由惯性系统、星空模拟系统、星敏感器、导航计算机和导航监视计算机组成的，惯性系统通过RS-422连接导航计算机，导航计算机通过RS-422分别连接星敏感器和导航监视计算机，导航监视计算机通过以太网连接惯性系统，星敏感器通过RS-422连接星空模拟系统，星空模拟系统通过以太网连接惯性系统。本发明惯性天文组合导航半物理实验系统，仿真初始参数可控、导航性能直观显示、可扩展性好；系统不仅能够演示组合导航系统的工作流程，而且能够有效验证各种导航算法；本发明为型号预研和立项提供基本依据，为工程应用打下良好的基础。

Description

惯性天文组合导航半物理实验系统

(一)技术领域

本发明涉及天文导航技术，具体说就是惯性天文组合导航半物理实验系统。

(二)背景技术

组合导航技术是当前导航技术发展的主要方向。当前组合导航系统在系统结构和应用上存在诸多共性。目前，大部分的组合导航计算机仿真实验直接基于Matlab的附加组件Simulink进行组合仿真平台的构建却可以利用Matlab先进的运算功能，Simulink是一个很好的系统级的建模与动态仿真平台，可以用来模拟线性或非线性，连续或离散或者两者的混合系统，另外，它还提供一套图形动画的处理方法，使用户能方便地看到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数，S函数可以是一个M文件、FORTRAN程序、C或C++语言程序，通过特殊的语法规则，能够被Simulink调用。另外，非常重要的一个原因就是利用Simulink可以很方便地使用Matlab下的各种现成的算法，便于以后进行融合理论的仿真研究。SimulinkLibrary集成了程序设计从输入到输出几乎所有的常用模块，每个模块实现某种功能，结构非常简单，用户也可以自己生成模块加入SimulinkLibrary，方便以后调用。Simulink的另一个特点就是，除了使用用户自己算法的S函数或Matlab函数外，基本不需要进行语言编程，只要按照程序流程对各个模块进行连接就能形象地完成整个程序的设计工作。但存储采用Simulink构建的仿真系统，只能满足算法的原理验证，不能满足工程上关注的问题，比如算法可靠性、实时性、鲁棒性以及分布式系统的工作过程等。国内的多所大学和研究机构也根据自身条件和研究方向，相继建立起一批半/全物理仿真实验室，对航天器的控制系统、结构系统、电源系统等子系统进行了一系列的仿真试验。由于物理仿真系统对加快优化组合导航算法的研制进度、缩短研制周期、增加系统的可靠性都有重要意义，因此世界上各航天大国都对各种组合导航算法的仿真系统开发投入了大量的财力和人力，并极大地带动了相关技术相关产业的大发展。目前许多研究机构都开发了各自的相对导航仿真系统。但技术资料表明，尽管国内已有针对惯性/天文组合导航系统试验开发平台进行的相关研究，但技术可重用度低、研发周期长。造成这一状况的重要原因是目前各种组合导航系统硬软件平台差异很大。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种仿真初始参数可控、导航性能直观显示、可扩展性好的惯性天文组合导航半物理实验系统。

本发明的目的是这样实现的：它是由惯性系统、星空模拟系统、星敏感器、导航计算机和导航监视计算机组成的，惯性系统通过RS-422连接导航计算机，导航计算机通过RS-422分别连接星敏感器和导航监视计算机，导航监视计算机通过以太网连接惯性系统，星敏感器通过RS-422连接星空模拟系统，星空模拟系统通过以太网连接惯性系统。

本发明还有以下技术特征：

所述的惯性系统包括三轴仿真转台和惯性传感器模块，三轴仿真转台的三轴相互正交，相互独立旋转，惯性传感器模块由三个陀螺组成，三个陀螺安装在三轴仿真转台上，并互相正交，同时分别平行于三轴仿真转台的三个方向。

本发明惯性天文组合导航半物理实验系统，仿真初始参数可控、导航性能直观显示、可扩展性好；系统不仅能够演示组合导航系统的工作流程，而且能够有效验证各种导航算法；本发明为型号预研和立项提供基本依据，为工程应用打下良好的基础。

(四)附图说明

图1为本发明的系统方框图；

图2为本发明的三轴仿真转台静止时三轴仿真转台输出三轴姿态曲线；

图3为本发明的三轴仿真转台静止时组合结果输出三轴姿态曲线；

图4为本发明的三轴仿真转台静止时组合结果与三轴仿真转台输出误差三轴姿态曲线；

图5为本发明的三轴仿真转台运动时三轴仿真转台输出三轴姿态曲线；

图6为本发明的三轴仿真转台运动时组合结果输出三轴姿态曲线；

图7为本发明的三轴仿真转台运动时组合结果与三轴仿真转台输出误差三轴姿态曲线；

图8为本发明的系统工作流程图；

图9为本发明的系统结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图9，本发明一种惯性天文组合导航半物理实验系统，它是由惯性系统、星空模拟系统、星敏感器、导航计算机和导航监视计算机组成的，惯性系统通过RS-422连接导航计算机，导航计算机通过RS-422分别连接星敏感器和导航监视计算机，导航监视计算机通过以太网连接惯性系统，星敏感器通过RS-422连接星空模拟系统，星空模拟系统通过以太网连接惯性系统。

本发明还有以下技术特征：所述的惯性系统包括三轴仿真转台和惯性传感器模块，三轴仿真转台的三轴相互正交，相互独立旋转，惯性传感器模块由三个陀螺组成，三个陀螺安装在三轴仿真转台上，并互相正交，同时分别平行于三轴仿真转台的三个方向。

实施例2：组合导航系统一般由多种传感器和导航计算机组成。本发明是主要针对惯性/天文组合导航算法的半物理仿真验证系统。其硬件组成主要包括以下部分：三轴仿真转台、星空模拟系统、星敏感器系统、导航监视计算机、导航计算机、惯性导航器。本发明以RS-422串口实现各计算机之间的数据交联，用以太网连接三轴仿真转台控制箱与星空模拟系统，为了能进一步地直观显示组合导航算法的可行性，用以太网把三轴仿真转台的三轴角度真实值发给导航监视计算机，该计算机把真实值与导航结果作差，显示三轴姿态误差。因此，本发明由五个功能模块组成，分别如下：

A.三轴仿真转台：三轴相互正交，能相互独立旋转，分别模拟飞行器的三个姿态角和角速度，并且能模拟飞行器入轨、稳定飞行等各种情况下的三轴姿态角和姿态角速度的变化；

B.惯性传感器模块：由三个陀螺组成，三个陀螺安装在三轴仿真转台上，并互相正交，同时分别平行于三轴仿真转台的三个方向，用于检测三轴仿真转台转动时的三轴角速度，并把三轴角速度通过RS-422发送给导航计算机；

C.天文导航模块：由星空模拟系统和星敏感器组成，三轴仿真转台的三轴角度(即模拟飞行器的三轴欧拉角)发送给星空模拟系统，该系统收到后从星表中搜索视场内所有恒星，并计算这些恒星在像平面的坐标，并把像平面坐标通过RS-422发送给星敏感器(为了降低传输时间，可以选取部分星像发送给星敏感器)，星敏感器收到星像坐标后对这些观测星进行识别，并把识别结果发送给导航计算机；

D.导航计算机模块：导航计算机接收到陀螺的三轴姿态角速度和天文导航的计算结果，利用用户开发的导航算法计算导航结果，并通过RS-422把导航结果发送给导航监视计算机；

E.导航监视模块：由导航监视计算机组成，导航监视计算机收到导航计算机的结果和三轴仿真转台的三轴真实值，根据用户需要，可以实时显示导航结果、三轴仿真转台的三轴真实值以及导航结果与真实值的差，并把这些值实时保存，用户可以回放保存的数据，用于数据分析。

我们选用某型号星敏感器、某型号陀螺以及某型号三轴仿真转台进行试验。星敏感器主要参数如下：视场：12°×9°；星图面阵：670×520；探测星等：6.5等；数据更新率：5Hz；精度：3″(3σ，光轴指向)。

陀螺主要参数如下：随机漂移：0.1°/h(3σ)；漂移稳定性：0.5°/h(3σ)；频率响应：≥80Hz；最大跟踪速率：≥30°/s。三轴仿真转台的主要参数如下：工作方式：位置和速率两种方式；主台面负载重量：0-20kg；位置精度：0.1″；速度精度：优于0.1″/s。

三轴仿真转台模拟飞行器本体，将陀螺安装在三轴仿真转台上。半实物系统运行过程：由三轴仿真转台提供标准的姿态数据，传给星图模拟计算机，产生模拟星图，并进行星点坐标提取，将提取的星点坐标送给星敏感器，由星敏感器计算出当前的姿态，传给导航计算机，进行组合定姿的计算。陀螺的角速度数据直接传给导航计算机，导航计算机对陀螺和星敏感器的数据进行有效性判断，并进行相应的处理，导航监视计算机实时显示和保存三轴仿真转台输出三轴姿态、导航结果三轴姿态以及组合结果与三轴仿真转台输出误差三轴姿态。

分别设置三轴仿真转台静止和三轴运动进行实验：

①三轴仿真转台静止实验

三轴仿真转台静止实验主要验证组合导航算法的可行性、可靠性等功能。安装陀螺之前调试三轴仿真转台的零姿态，使之为东北天坐标系，保证三轴零姿态时陀螺处于水平。搭建硬件系统和软件平台，调试使其工作。实验结果如图2，图3。

②三轴仿真转台运动实验

三轴仿真转台运动实验不仅验证组合导航算法的可行性、可靠性等功能，还验证算法的动态跟踪特性等。利用三轴仿真转台控制柜，调整三轴仿真转台三轴运动，为了进一步验证组合导航算法的性能，设置转台一个轴的运动为变幅值的正弦运动，另外一个轴的运动为变幅值的余弦运动，第三个轴的运动为变幅值的正弦和余弦运动之和。实验结果如图4、图5、图6。因此，不管是验证组合导航算法的可行性、可靠性以及动态性能，都可以利用本发明来完成，本发明还可以模拟飞行器静态模式和各种姿态运动模式，除了能实时显示导航结果，还可以实时保存导航过程结果，从图3和图6的结果看出，滚动角的误差比偏航角和俯仰角的误差大，这主要是由于星敏感器输出的滚动角精度比其它两个轴的精度差。因此本发明使用户能更准确地为组合导航系统提出定量的数据和定性的论证，是研究和设计组合导航系统的有力工具，可以为各种导航算法工程实现研究节省大量的时间和经费。

本发明由惯性系统、星空模拟系统、星敏感器、导航计算机和导航监视计算机组成。用户控制三轴仿真转台的运动，三轴仿真转台把三个方向的欧拉角发送给星空模拟系统和导航监视计算机，惯性系统根据三轴仿真转台三个轴的运动，检测出三个方向的角速度，并把角速度信息发送到导航计算机，星空模拟系统收到转台的三轴姿态，搜索出视场内所有恒星，并计算出所有恒星的星像坐标，把星像坐标发送给星敏感器，星敏感器收到坐标信息后，对这些观测星进行识别，把识别结果发送给导航计算机，导航计算机根据陀螺和星敏感器的数据，利用用户的导航算法进行导航解算，并把结果发送到导航监视计算机中，导航监视计算机除了实时显示相应的曲线，还实时把这些数据保存到计算机中(如图7)。

图8是本发明的实施方案，其中导航计算机的CPU采用stm32f103，该CPU有5个串口，其中一路为惯性系统数据输入，一路为星敏感器姿态输入，一路为导航结果输出；导航监视计算机采用PC机，PC机插入RS-422卡作为导航结果输入，三轴仿真转台的实际姿态从以太网口输入，监视程序采用VC++6.0编写，监视程序把接收到的数据保存为txt文件；星空模拟系统采用PC机，PC机插入两路RS-422卡，一路为三轴仿真转台姿态输入，一路为星像坐标输出；星敏感器包含两路RS-422串口，一路为输入星像坐标，一路为输出姿态，星敏感器的CPU采用DSP，另外添加SRAM、FLASH等器件。

Claims (2)

1.一种惯性天文组合导航半物理实验系统，它是由惯性系统、星空模拟系统、星敏感器、导航计算机和导航监视计算机组成的，其特征在于：惯性系统通过RS-422连接导航计算机，导航计算机通过RS-422分别连接星敏感器和导航监视计算机，导航监视计算机通过以太网连接惯性系统，星敏感器通过RS-422连接星空模拟系统，星空模拟系统通过以太网连接惯性系统。

2.根据根据权利要求1所述的一种惯性天文组合导航系统半物理实验系统，其特征在于：所述的惯性系统包括三轴仿真转台和惯性传感器模块，三轴仿真转台的三轴相互正交，相互独立旋转；惯性传感器模块由三个陀螺组成，三个陀螺安装在三轴仿真转台上，并互相正交，同时分别平行于三轴仿真转台的三个方向。

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