CN104950688B - 分布式传递对准半实物仿真系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式传递对准半实物仿真系统及其方法。该系统包括机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机、弹载任务计算机、弹载导航计算机和监控计算机；所述机载主惯导仿真计算机生成主惯导数据，子惯导仿真计算机通过SBS实时网络获取该主惯导数据，处理后生成子惯导数据；主惯导数据经过火控仿真计算机和弹载任务计算机最终传送给弹载导航计算机，子惯导数据直接传送给弹载导航计算机；弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后进行传递对准运算，并将所得的传递对准运算结果发送到监控计算机；传递对准完成后，弹载导航计算机通过弹载任务计算机向火控仿真计算机返回传递对准成功信号。本仿真系统具有稳定性好、可靠性高的优点。

Description

分布式传递对准半实物仿真系统及其方法

技术领域

本发明涉及仿真导航技术领域，特别是一种分布式传递对准半实物仿真系统及其方法。

背景技术

惯性导航系统为自主式导航方式，具有隐蔽性好、不受电磁干扰等特点，在军事领域得到了广泛的应用，在国防科学技术中占有重要的地位。惯性导航系统采用推算式导航方式，即通过惯性测量组件(IMU)测量的加速度和角速度信息进行积分运算，获得载体的位置、速度和姿态信息，因此在系统开始工作前，需要向其提供载体的初始位置、速度和姿态信息。获得准确导航的一个关键因素就是在惯性导航系统开始工作前对其进行初始化(即初始对准)，即向其提供准确的载体位置、速度和姿态信息，任何初始信息中的误差将随着系统开始工作而产生输出误差。由于捷联算法结构的缘故，这些初始误差在很短的时间内将引起系统输出误差的快速积累，最终导致系统输出的位置、速度和姿态信息偏差很大，因此传递对准成为惯性导航系统应用的一项关键技术。

在传递对准技术的研究和系统的设计过程中，通常采用半实物仿真试验检测其性能，现有的传递对准仿真系统大多仍停留在软件仿真阶段，其仿真分析有一定的局限性，大多传递对准仿真系统通常结构单一，传递对准试验流程相对简单，不能真实地模拟空中传递对准流程；各子系统的硬件接口与实际的物理系统不太相符，不能真实地模拟传递对准的接口特性；不能真实的模拟飞机的飞行过程，以及各计算机之间的数据通信和主、子惯导数据时间同步问题，并且存在二次开发和扩展能力差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好、可靠性高的分布式传递对准半实物仿真系统及其方法，提高仿真系统的逼真度和实时性以便于研究中的实时检测和分析。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分布式传递对准半实物仿真系统，该系统包括机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机、弹载任务计算机、弹载导航计算机和监控计算机，其中机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机通过SBS实时网络连接，火控仿真计算机通过1553B接口与弹载任务计算机相连，子惯导仿真计算机通过RS232接口与弹载导航计算机相连，弹载任务计算机与弹载导航计算机通过RS422接口相连，弹载导航计算机通过RS232接口接入监控计算机；

所述机载主惯导仿真计算机模拟飞机的飞行过程并产生相应的飞行轨迹，根据该飞行轨迹生成主惯导数据；子惯导仿真计算机通过SBS实时网络获取该主惯导数据，向主惯导数据添加噪声、器件误差、杆臂效应、安装误差和挠曲效应后生成子惯导数据；主惯导数据经过火控仿真计算机和弹载任务计算机最终传送给弹载导航计算机，子惯导仿真计算机产生的子惯导数据直接传送给弹载导航计算机；弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对主、子惯导数据进行预处理并完成传递对准运算，弹载导航计算机将所得的传递对准运算结果发送到监控计算机；传递对准完成后，弹载导航计算机通过弹载任务计算机向火控仿真计算机返回传递对准成功信号。

一种分布式传递对准半实物仿真方法，步骤如下：

步骤1，弹载任务计算机进行自检，并将自检完成信号通过1553B发送给火控仿真计算机；

步骤2，弹载任务计算机通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到弹载任务计算机的握手信号后，子惯导仿真计算机界面显示弹载计算机握手成功；

步骤3，弹载任务计算机通过RS422串口向弹载导航计算机发送握手信号，弹载导航计算机收到握手信号后通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到握手信号后向弹载导航计算机返回握手信号；

步骤4，在自检和握手完成后，通过机载主惯导仿真计算机发送准备信号，子惯导仿真计算机收到准备信号后，通过SBS实时网络获取机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，向主惯导数据添加噪声、器件误差、杆臂效应、安装误差和挠曲效应后生成子惯导数据，然后子惯导仿真计算机通过RS232串口将生成的子惯导数据发送到弹载导航计算机；

步骤5，火控仿真计算机收到准备信号后，火控仿真计算机通过SBS实时网络获取由机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，并通过1553B发送到弹载任务计算机，最后主惯导数据经弹载任务计算机传送给弹载导航计算机；

步骤6，弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对主、子惯导数据进行预处理，并通过机载主惯导仿真计算机配置的摇杆做相应的机动辅助完成传递对准运算；传递对准运算完成后弹载导航计算机通过RS422串口向弹载任务计算机发送传递对准完成信号，弹载任务计算机收到传递对准完成信号后通过1553B发送到火控计算机；

步骤7，传递对准运算完成后，通过机载主惯导仿真计算机配置的飞行摇杆进行扣板机操作以发送发射指令，子惯导仿真计算机收到发射指令后切换到弹道仿真线程。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）机载主惯导仿真计算机采用人工操作和飞控两种模式，采用飞行摇杆可以更加真实的模拟飞机的飞行过程，方便做各种机动；（2）采用图形界面系统，所有参数在图形界面下用对话框实现交互与参数设置，使仿真系统具有友好的人机界面和交互功能，方便操作；（3）将系统划分成众多子模块，各子模块相互独立，采用多台计算机来分担不同的仿真任务，提高仿真系统的逼真度和实时性；（4）将算法数据处理封装起来，通过模块化、层次化的设计具有较好的二次开发能力和扩展能力；采用与物理系统相同或相似的接口，使仿真系统具有较好的实用性，便于向实验仿真系统过渡。

附图说明

图1是本发明传递对准半实物仿真系统结构示意图。

图2是本发明传递对准半实物仿真方法的传递对准过程流程图。

图3是本发明传递对准半实物仿真系统的工作流程图。

图4是本发明实施例1中主、子惯导姿态角曲线图。

图5是本发明实施例1中安装误差角估计曲线图。

图6是本发明实施例1中姿态角估计误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明分布式传递对准半实物仿真系统，包括机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机、弹载任务计算机、弹载导航计算机和监控计算机，其中机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机通过SBS实时网络连接，火控仿真计算机通过1553B接口与弹载任务计算机相连，子惯导仿真计算机通过RS232接口与弹载导航计算机相连，弹载任务计算机与弹载导航计算机通过RS422接口相连，弹载导航计算机通过RS232接口接入监控计算机；所述的机载主惯导仿真计算机配置有飞行摇杆，该飞行摇杆通过USB接口连接到机载主惯导仿真计算机。

所述机载主惯导仿真计算机模拟飞机的飞行过程并产生相应的飞行轨迹，根据该飞行轨迹生成主惯导数据；子惯导仿真计算机通过SBS实时网络获取该主惯导数据，向主惯导数据添加噪声、器件误差、杆臂效应、安装误差和挠曲效应后生成子惯导数据；主惯导数据经过火控仿真计算机和弹载任务计算机最终传送给弹载导航计算机，子惯导仿真计算机产生的子惯导数据直接传送给弹载导航计算机；弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对主、子惯导数据进行预处理并完成传递对准运算，弹载导航计算机将所得的传递对准运算结果发送到监控计算机；传递对准完成后，弹载导航计算机通过弹载任务计算机向火控仿真计算机返回传递对准成功信号。

上述各个硬件模块的功能如下：

(1)机载主惯导仿真计算机：通过飞控系统或人工操作两种模式生成飞行轨迹数据，当选用人工操作模式时，可以通过机载主惯导仿真计算机上飞行摇杆人为的控制飞机的飞行，做俯仰、滚转和航向各轴的机动，更真实的模拟飞机的驾驶过程，同时通过人机界面实时的显示当前飞机的轨迹参数和飞行姿态等，当前飞机的飞行轨迹数据经过处理得到传递对准所需的主惯导数据；

(2)子惯导仿真计算机：收到机载主惯导仿真计算机的准备信号时，子惯导仿真计算机通过SBS实时网络获取由机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，通过添加噪声、安装误差、杆臂效应和挠曲效应后得到传递对准所需的子惯导数据，并通过RS232串口发送到弹载导航计算机；

(3)火控仿真计算机：接收机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，进行飞行任务的计算和装订，控制信号的接收与执行等，火控仿真计算机收到主惯导数据后，通过1553B发送给弹载任务计算机；

(4)弹载任务计算机：采用浮点型TMS320C6000系列，利用其处理速度快，运算精度高等特点，完成任务的快速执行；弹载任务计算机通过1553B获取主惯导信息，经过处理后通过RS422串口发送到弹载导航计算机；

(5)弹载导航计算机采用DSP+FPGA模式，其中DSP采用浮点型数字信号处理芯片TMS320C6747，该芯片相比其它C6000系列芯片功耗更低，其运算速度高达300MHz，处理速度≥1200MFLOPS；芯片内核为两级缓存结构，片内RAM为448KB；同时C6747芯片具备丰富的外围模块，外形尺寸更小，是理想的弹载导航处理芯片；采用FPGA处理芯片实现主、子惯导信息的并行采集，预处理和信息同步；弹载导航计算机收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对数据进行预处理，完成传递对准运算，通过RS232串口将运算结果发送到监控计算机，传递对准完成后，弹载导航计算机通过RS422串口向弹载任务计算机发送对准好信号，弹载任务计算机收到对准好信号后，通过1553B发送到火控计算机；

(6)监控计算机：接收监控数据并在监控界面上实时显示；部分数据通过曲线和表盘等实时显示；保存试验数据。

本发明的原理是：在实验室条件下形成“真实”的传递对准试验系统，用于模拟或再现传递对准的试验过程。机载主惯导仿真计算机通过模拟飞机的飞行过程，实时的产生飞行轨迹数据，对飞行轨迹数据进行处理，得到传递对准所需的主惯导数据；机载主惯导仿真计算机有飞控和人工操作两种模式，当选用飞控模式时，通过机载主惯导仿真计算机的飞控系统控制飞机的飞行；当选用人工操作模式时，通过机载主惯导仿真计算机上配置的飞行摇杆，人为的控制飞机的飞行；子惯导仿真计算机获取主惯导数据后，通过添加噪声、安装误差、杆臂效应和挠曲效应后得到传递对准所需的子惯导数据；开始对准前，通过机载主惯导仿真计算机发送准备信号，子惯导仿真计算机在收到准备信号后，通过SBS实时网络获取主惯导数据，通过添加噪声、安装误差、杆臂效应和挠曲效应后得到传递对准所需的子惯导数据，并将生成的子惯导数据发送到弹载导航计算机；弹载任务计算机收到准备信号后，开始给弹载导航计算机发送主惯导数据，弹载导航计算机收到主、子惯导收据后，对数据进行预处理，然后进行传递对准运算。因为传递对准过程需要一定的机动，这时通过机载主惯导仿真计算机配置的飞行摇杆，做相应的机动，然后通过监控计算机查看整个传递对准的过程。传递对准过程结束后，弹载导航计算机向弹载任务计算机发送对准好信号，弹载任务计算机收到对准好信号后，将对准好信号发送给火控仿真计算机。

结合图2～3，本发明分布式传递对准半实物仿真方法，步骤如下：

步骤1，弹载任务计算机进行自检，并将自检完成信号通过1553B发送给火控仿真计算机，此时火控仿真计算机界面上会显示弹载任务计算机自检完成；

步骤2，弹载任务计算机通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到弹载任务计算机的握手信号后，子惯导仿真计算机界面显示弹载计算机握手成功；

步骤3，弹载任务计算机通过RS422串口向弹载导航计算机发送握手信号，弹载导航计算机收到握手信号后通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到握手信号后向弹载导航计算机返回握手信号；

步骤4，在自检和握手完成后，通过机载主惯导仿真计算机发送准备信号，子惯导仿真计算机收到准备信号后，通过SBS实时网络获取机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，向主惯导数据添加噪声、器件误差、杆臂效应、安装误差和挠曲效应后生成子惯导数据，然后子惯导仿真计算机通过RS232串口将生成的子惯导数据发送到弹载导航计算机；

步骤5，火控仿真计算机收到准备信号后，火控仿真计算机通过SBS实时网络获取由机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，并通过1553B发送到弹载任务计算机，最后主惯导数据经弹载任务计算机传送给弹载导航计算机；

步骤6，弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对主、子惯导数据进行预处理，并通过机载主惯导仿真计算机配置的摇杆做相应的机动辅助完成传递对准运算；传递对准运算完成后弹载导航计算机通过RS422串口向弹载任务计算机发送传递对准完成信号，弹载任务计算机收到传递对准完成信号后通过1553B发送到火控计算机；所述的传递对准流程如下：

第1步，系统上电后完成系统初始化工作：包括弹载导航计算机中定时器、卡尔曼滤波器、计数器的初始化；

第2步，弹载导航计算机向子惯导仿真计算机发送握手信号，然后等待子惯导仿真计算机返回握手信号，当弹载导航计算机收到返回握手信号时，进入下一步；

第3步，在弹载导航计算机中对主、子惯导数据进行时间同步处理；

第4步，进行粗对准，把主惯导数据中的速度信息、位置信息、姿态信息赋给子惯导数据中的对应参数，作为子惯导的解算初值；

第5步，建立卡尔曼滤波模型，进行卡尔曼滤波迭代运算，估计出主惯导和子惯导之间的差值；

第6步，将卡尔曼滤波估计出的信息进行校正，最终获得子惯导数据经校正后的速度信息和姿态信息。

步骤7，传递对准运算完成后，通过机载主惯导仿真计算机配置的飞行摇杆进行扣板机操作以发送发射指令，子惯导仿真计算机收到发射指令后切换到弹道仿真线程。

实施例1

结合图1，分布式传递对准半实物仿真系统结构图示意图，各子系统之间按照图1所示的接口进行连接，实验开始前，通过子惯导仿真计算机在X，Y，Z轴方向各添加-1°的安装误差角，通过机载主惯导仿真计算机的配置文件设定初始航向角为-150°，初始位置为东经105.61°，北纬39.13°，高度为5000m。在该实施例中，采用“速度+姿态角”匹配传递对准算法，设置完成后，按照系统工作流程开始仿真，试验结果如图4～6所示：在传递对准过程中，通常采用摇翼机动，由图4可以看出，主、子惯导滚转角在-15°到15°之间；由图5可以看出：X、Y、Z轴的安装误差角均收敛在-1°左右；收敛时间在10s左右；由图6可以得出，姿态角估计误差均收敛在0°左右。

综上所述，本发明分布式传递对准半实物仿真系统能够真实地模拟空中传递对准流程以及飞机的飞行过程，解决了计算机之间的数据通信和主、子惯导数据时间同步问题。

Claims (2)

1.一种分布式传递对准半实物仿真方法，其特征在于，对应的系统包括机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机、弹载任务计算机、弹载导航计算机和监控计算机，其中机载主惯导仿真计算机、子惯导仿真计算机、火控仿真计算机通过SBS实时网络连接，火控仿真计算机通过1553B接口与弹载任务计算机相连，子惯导仿真计算机通过RS232接口与弹载导航计算机相连，弹载任务计算机与弹载导航计算机通过RS422接口相连，弹载导航计算机通过RS232接口接入监控计算机，步骤如下：

步骤1，弹载任务计算机进行自检，并将自检完成信号通过1553B发送给火控仿真计算机；

步骤2，弹载任务计算机通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到弹载任务计算机的握手信号后，子惯导仿真计算机界面显示弹载计算机握手成功；

步骤3，弹载任务计算机通过RS422串口向弹载导航计算机发送握手信号，弹载导航计算机收到握手信号后通过RS232串口向子惯导仿真计算机发送握手信号，子惯导仿真计算机收到握手信号后向弹载导航计算机返回握手信号；

步骤4，在自检和握手完成后，通过机载主惯导仿真计算机发送准备信号，子惯导仿真计算机收到准备信号后，通过SBS实时网络获取机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，向主惯导数据添加噪声、器件误差、杆臂效应、安装误差和挠曲效应后生成子惯导数据，然后子惯导仿真计算机通过RS232串口将生成的子惯导数据发送到弹载导航计算机；

步骤5，火控仿真计算机收到准备信号后，火控仿真计算机通过SBS实时网络获取由机载主惯导仿真计算机产生的主惯导数据，并通过1553B发送到弹载任务计算机，最后主惯导数据经弹载任务计算机传送给弹载导航计算机；

步骤6，弹载导航计算机在收到主、子惯导数据后，根据传递对准流程对主、子惯导数据进行预处理，并通过机载主惯导仿真计算机配置的摇杆做相应的机动辅助完成传递对准运算；传递对准运算完成后弹载导航计算机通过RS422串口向弹载任务计算机发送传递对准完成信号，弹载任务计算机收到传递对准完成信号后通过1553B发送到火控计算机；

步骤7，传递对准运算完成后，通过机载主惯导仿真计算机配置的飞行摇杆进行扣板机操作以发送发射指令，子惯导仿真计算机收到发射指令后切换到弹道仿真线程。

2.根据权利要求1所述的分布式传递对准半实物仿真方法，其特征在于，步骤6所述的传递对准流程如下：

第1步，系统上电后完成系统初始化工作：包括弹载导航计算机中定时器、卡尔曼滤波器、计数器的初始化；

第2步，弹载导航计算机向子惯导仿真计算机发送握手信号，然后等待子惯导仿真计算机返回握手信号，当弹载导航计算机收到返回握手信号时，进入下一步；

第3步，在弹载导航计算机中对主、子惯导数据进行时间同步处理；

第4步，进行粗对准，把主惯导数据中的速度信息、位置信息、姿态信息赋给子惯导数据中的对应参数，作为子惯导的解算初值；

第5步，建立卡尔曼滤波模型，进行卡尔曼滤波迭代运算，估计出主惯导和子惯导之间的差值；

第6步，将卡尔曼滤波估计出的信息进行校正，最终获得子惯导数据经校正后的速度信息和姿态信息。