CN105259787B - 一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法，本发明充分考虑组合导航半物理仿真测试系统中各分系统特性，采用控制量预置、延迟量估计补偿与同步脉冲触发相结合的同步控制方法，削除系统运行中的不同数据源的同步误差，解决GNSS/INS组合导航半物理仿真中GNSS模拟信号、惯性测量数据模拟信号和三轴转台惯性姿态变化激励之间的同步问题。

Description

一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法

技术领域

本发明涉及组合导航半物理仿真测试系统中卫星导航模拟器与三轴位置速率转台设备的同步控制方法，尤其涉及从仿真控制计算机下发测试指令，到GNSS(GlobalNavigation Satellite System)信号模拟器产生射频信号、发送IMU(InertialMeasurement Unit)模拟数据、转台转动到模拟载体姿态时刻的时间同步控制，保证GNSS信号模拟时刻、IMU数据模拟时刻、转台转动姿态时刻三者对齐，实现组合导航系统半物理仿真测试的逼真性和正确性。

背景技术

随着精确制导武器、各种复杂电磁环境的出现，单一的导航系统越来越不能满足任务的需求，因此目前各个国家都在大力研究多传感器融合的导航系统。目前在导航领域，卫星导航方法在导航市场占据垄断地位。GNSS(Global Navigation Satellite System)具有全球、全天候、精度长期稳定性等优点。然而在森林、隧道、水下以及高楼林立的城市峡谷等场景，其信号容易被遮挡，从而失去导航定位能力。除此之外，在战况复杂的局部战场，GNSS信号容易被干扰、诱骗从而使GNSS无法定位甚至出现错误的定位结果。INS(InertialNavigation System)利用其自身的陀螺和加速度计根据量测到的载体的角速度和加速度信息来推算载体的位置、速度、姿态信息。其不向外界辐射任何信号，因此具有较强的抗干扰性能。然而由于陀螺和加速度计输出存在误差，惯导推算的位置、速度、姿态信息会随时间积累。长时间导航会导致导航信息的发散。GNSS、INS具有良好的互补特性，是常用的组合导航方式。GNSS/INS组合导航根据组合方式的不同分为松组合、紧组合、深耦合三个层次。在松组合中，采用的GNSS组合量为GNSS解算的位置、速度信息，由于GNSS定位至少需要四颗卫星，因此在可观测卫星数量小于四颗的情况下松组合方式便无法进行。紧组合采用的观测量是卫星伪距和伪距率信息，在观测星数小于四颗的情况下仍然具有一定的导航定位能力。深耦合是GNSS接收机根据INS提供的载体的速度、以及加速度信息来辅助GNSS接收机的捕获跟踪，从而提高GNSS接收机在高动态、弱信号以及强干扰环境下的捕获跟踪能力。

为了验证INS/GNSS组合导航系统以及组合导航算法的性能，对组合导航系统的大量测试是必不可少的。由于组合导航系统载体的运动形式多样，并且有机载、弹载、车载等多种应用场合，对于一个高精度的组合导航系统，如果全部采用实际搭载试验，会耗费大量的人力、物力、时间，而纯粹的数学仿真、建模不能很好模拟载体真实运动的测量误差，因此，采用实验室GNSS/INS组合导航模拟器与三轴转台组成的组合导航半物理仿真平台进行测试试验，能够很好地解决这一问题。

GNSS/INS组合导航半物理仿真平台包括控制计算机、GNSS/INS信号模拟器、三轴转台以及惯性测量单元。其中控制计算机用于设定载体的运动轨迹、运动速度信息，并且将用户设定的载体运动轨迹、运动速度进行离散采样，并将离散采样的数据发送给GNSS/INS信号模拟器。GNSS/INS信号模拟器在接收到控制计算机生成的离散采样数据后计算生成卫星星历信息，并且将卫星星历信息经过上变频形成模拟的卫导射频信号,同时生成加速度计模拟信号。而三轴转台用于控制惯导的横滚、俯仰、航向姿态信息发生动态变化，从而模拟实际导航应用中载体的真实运动场景。GNSS/INS半物理仿真系统既解决了高动态场景难以执行的问题，同时由于使用转台提供载体的角运动信息，从而能够更加逼真地模拟GNSS/INS组合导航系统运动场景。

组合导航半物理仿真测试是采用GNSS/INS组合导航模拟器模拟载体运动过程中接收机接收的射频信号，同时根据载体运行轨迹、速度、加速度等信息，仿真生成模拟的IMU测量的加速度数据，另外利用转台设备模拟载体运行中姿态变化，测试过程中，GNSS/INS组合导航系统安装于转台上，IMU敏感姿态变化获得陀螺仪测量数据，接收机单元接收GNSS/INS组合导航模拟器模拟的卫星导航射频信号，组合处理单元一方面采集陀螺仪测量数据，一方面接收模拟生成的加速度计数据，并进行捷联惯导解算及接收机环路辅助信息计算。

通过仿真控制计算机、GNSS导航模拟器、转台及被测组合导航接收机的联合测试，可以用于组合导航设备开发及测试。

GNSS/INS组合导航系统半物理仿真系统的一个关键性问题是保证GNSS/INS模拟器生成的卫导模拟信号、加速度计模拟信号以及转台姿态变化三者之间的时间同步性。当模拟载体的高动态运动场景时，时间同步准确性尤其重要。在验证组合导航半物理仿真测试时，保证GNSS/INS组合导航模拟器生成的射频信号、模拟的IMU数据以及三轴转台姿态的时间同步，是组合导航半物理仿真测试的关键。

IMU数据的输出没有绝对的时间基准，一般是离散的数据采样点进行输出，对于采样频率为200Hz的IMU来说，每个采样点间隔是5ms，对于高速飞行的载体来说，GNSS模拟信号与INS时间数据同步一致性应该在1ms以内，如果时间不同步，那么数据就不能对齐，不能实时准确的反应载体的速度、姿态、位置等信息，使实验毫无意义，另一方面不对齐的卫星导航测量信息和惯性导航测量信息无法进行数据融合，也就无法进行组合导航系统的开发和测试。

GNSS/INS组合导航模拟器与INS转台运动不同步的原因主要由以下几方面造成：

1)仿真控制计算机从仿真控制软件接受参数配置指令到形成仿真控制指令需要时间；

2)仿真控制计算机下发指令数据到GNSS/INS组合导航模拟器和转台控制计算机有数据传输延迟，且延迟时间不固定；

3)GNSS/INS组合导航模拟器从接收到仿真控制指令到产生模拟的射频数据中间计算时间延迟；

4)转台控制器向转台电机驱动控制器下发控制指令到转台电机带动转台运行到相应控制点需要运行时间；

上述各流程时间延迟的不确定性，直接导致了模拟的GNSS导航信号和IMU模拟数据以及转台运行到得姿态之间无法同步，组合导航系统得到的测量信息也是不同步的，无法模拟真实的使用环境，也无法测试系统性能。

目前国内学者主要针对组合导航接收机内部IMU与GNSS数据输出的频率不同造成的时间不同步这一问题研究较多，但是对于半物理仿真测试中GNSS/INS组合导航模拟器和转台联合测试方面，如何保证射频信号、模拟加速度计数据和转台姿态变化同步方面没有有效的解决方案，本发明主要解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是GNSS/INS组合导航半物理仿真中，GNSS模拟信号、加速度计模拟信号以及转台姿态变化的时间同步问题。组合导航测试中，载体高动态的场景难以执行。仿真生成组合测试所需要的高动态数据，能够有效提高测试的可控性，同时能够极大降低测试的人力、物力以及成本。组合导航算法中，时间同步是影响组合精度的重要因素。在组合导航半物理仿真中必须严格保证GNSS仿真数据信号、INS仿真数据信号以及转台运动的时间同步精度。本发明解决了GNSS/INS组合导航模拟器和转台联合测试中GNSS数据仿真射频信号、加速度计仿真数据信号和转台姿态变化同步的问题。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：

一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法，所述的组合导航半物理仿真测试系统由仿真控制计算机、GNSS/INS组合导航模拟器、转台控制器、三轴仿真转台以及惯性测量单元组成，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在仿真控制计算机上运行仿真控制软件，通过用户界面设定实验场景，配置载体的运动参数，包括载体运动轨迹、运动速度、姿态信息，并且设定仿真时间长度；

步骤2：仿真控制软件根据配置的参数，生成载体运行轨迹仿真采样点，并计算各时刻运行轨迹上载体的加速度、加加速度、角速率角加速度信息，形成GNSS/INS组合导航模拟器的仿真控制指令信息和转台控制器的仿真控制指令信息；

步骤3：GNSS/INS组合导航模拟器根据仿真控制指令信息中描述的载体运动参数，结合配置的卫星星历数据，计算卫星位置、速度、钟差、钟漂信息，经上变频形成模拟的导航射频信号；同时，GNSS/INS组合导航模拟器根据设定的时间，利用内部高精度原子钟，形成秒脉冲信号；秒脉冲信号与模拟的导航射频信号之间的时延信息通过模拟器通道时延标定进行补偿，实现模拟GNSS射频信号与秒脉冲信号的同步；

步骤4：GNSS/INS组合导航模拟器利用配置的参数，计算载体的位置、速度、姿态信息，结合设定的被测组合导航系统中的惯性测量单元误差参数，仿真生成加速度计模拟数据，并将数据存放在数据发送缓冲区中，同时由内部时钟生成数据发送触发脉冲，并保证数据发送触发脉冲与秒脉冲时钟沿对齐，在数据发送触发时刻，将惯性测量单元模拟数据进行输出，实现加速度计数据和秒脉冲的同步；

步骤5：由转台控制器内部生成电机驱动控制指令触发脉冲。指令触发脉冲与GNSS/INS组合导航模拟器的秒脉冲信号进行同步。转台控制器根据设定的载体姿态角、姿态变化角速率和角加速度信息计算电机驱动控制指令，并将指令存入指令缓存器中，当在控制指令触发脉冲时刻到达时对电机进行控制，实现控制指令和秒脉冲的同步；

完成组合导航半物理仿真测试的同步控制。

本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：

不借助其它外部设备的前提下能够实现组合导航半物理仿真中GNSS数据仿真射频信号、加速度计数据仿真信号以及转台姿态变化的同步。该同步方法简便易行，精度高，能够有效削弱由于GNSS数据仿真射频信号、加速度计数据仿真信号以及转台控制指令三者时间不同步对组合导航半物理仿真测试带来的误差。

该组合导航半物理仿真测试同步控制方法的创新点在于采用控制量预置、延迟量估计补偿与同步脉冲触发相结合的同步控制方法，补偿消除系统运行中的各类同步误差，解决卫星导航信号模拟、加速度计数据仿真信号和三轴转台姿态变化激励之间的同步问题。

附图说明

图1为组合导航半物理仿真测试系统组成图。

图2为仿真控制原理示意图。

图3为GNSS/INS组合导航模拟器原理框图。

图4为转台控制器系统原理框图。

图5为组合导航半物理仿真测试同步控制示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

下面给出了本发明的一个实施例,并结合附图详细说明本发明。

一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法，是借助于组合导航半物理仿真测试系统来实现的，所述的组合导航半物理仿真测试系统由仿真控制计算机、GNSS/INS组合导航模拟器、转台控制器、三轴仿真转台和惯性测量单元组成，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：仿真控制计算机运行仿真控制软件，通过用户界面进行参数配置，设定试验测试场景、载体运动轨迹、运动参数、仿真时间；试验场景根据动态仿真的需要进行设定，典型的试验场景一般包括直线运动、爬升以及圆周运动。

步骤2：仿真控制软件根据配置的载体运动轨迹信息，按照一定的步长来生成载体的仿真采样点。对于GNSS/INS组合导航仿真，典型的采样频率GNSS为1Hz，采样间隔为1s，INS数据的采样频率为200Hz，采样间隔为5ms。通过计算得到的载体位置、速度信息形成GNSS/INS组合导航模拟器的仿真控制指令信息和转台控制器的仿真控制指令信息；

步骤3：GNSS/INS组合导航模拟器根据仿真控制指令信息中描述的载体运动参数，结合配置的卫星星历数据，计算卫星位置、速度、钟差、钟漂信息，卫星位置以及速度的计算通常根据开普勒轨道九根数方法进行计算。在计算得到卫星的位置、速度信息后，为了研究各类误差对导航定位的影响通常还在卫星位置等信息中加入各种误差参数来研究不同种类的误差对导航定位的影响，同时也用来研究数学模型对定位的影响。数学模型误差因素对定轨精度的影响研究，包括各种摄动力模型(地球引力场模型、太阳辐射压力、地球辐射压、大气阻尼、固体潮、洋潮、相对论效应等模型)和基本参数误差。

在计算得到卫星的位置、速度、钟差、钟漂参数后。参数信息经上变频形成模拟的导航射频信号；同时，GNSS/INS组合导航模拟器根据设定的时间，利用内部高精度原子钟，形成秒脉冲信号；秒脉冲信号与模拟的导航射频信号之间的时延信息通过模拟器通道时延标定进行补偿，实现秒脉冲信号和模拟GNSS射频信号的同步；

步骤4：GNSS/INS组合导航模拟器利用配置的参数，计算载体的位置、速度、姿态信息，结合设定的惯性测量单元误差参数，仿真生成加速度计模拟数据。

惯导模拟源仿真在算法上来说可以认为是机械编排的逆向运算，机械编排算法是已知惯导原始输出的比力以及角速率信息，来推算载体的位置、速度、姿态，而惯导数据模拟源技术是通过给定自定义的轨迹以及载体的姿态信息来反推惯导原始输出的比力、以及角速率等信息。

假定已知载体在地固坐标系下的原始轨迹序列、原始速度序列以及载体的姿态信息(假定为方向余弦矩阵)，这些信息都可以通过GNSS/INS组合导航半物理仿真器的控制部分进行配置。根据惯导的比力方程可知：

惯导速度更新的离散形式为：

对上式进行整理可得：

因此历元之间的速度增量可以理解为惯导输出转换到n系后再扣除掉有害加速度项其计算方法如下：

在上式中，gⁿ代表载体所在位置的重力加速度在n系的投影，分别代表地球自转在导航坐标系下的投影和n系相对于e系运动在n系下的投影，vⁿ代表载体相对于n系的速度，Δt_k代表从k-1时刻到k时刻的时间间隔，下标k-1/2代表计算采用的是中间时刻的相关量。

当GNSS/INS组合导航模拟器生成加速度数据后，对生成的信号进行调制，并将数据存放在数据发送缓冲区中，同时由内部时钟生成数据发送触发脉冲，并保证数据发送触发脉冲与秒脉冲时钟沿对齐，在数据发送触发时刻，将惯性测量单元模拟数据进行输出，实现了加速度计数据和秒脉冲的同步；

步骤5：根据设定的控制指令，利用转台控制器生成转台电机驱动控制指令，并保证与秒脉冲的同步；转台控制器内部生成电机驱动控制指令触发脉冲，指令触发脉冲与组合导航模拟器的秒脉冲信号进行同步；转台控制器根据设定的载体姿态角、姿态变化角速率和角加速度信息计算电机驱动控制指令，并将指令存入指令缓存器中，当在控制指令触发脉冲时刻到达时对电机进行控制，从而实现了控制指令和秒脉冲的同步；

完成组合导航半物理仿真测试的同步控制。

附图1为组合导航半物理仿真测试系统组成图，主要包括仿真控制计算机、GNSS/INS组合导航模拟器、转台控制器、三轴仿真转台以及被测组合导航系统组成，按照系统组成及其连接关系构建组合导航半物理仿真测试系统。

其中仿真控制计算机为用户交互部分，通过仿真控制计算机来设定运动场景，配置载体的运动轨迹、运动速度等信息。控制计算机对用户设定的运动轨迹进行离散采样后将离散采样点发送给GNSS/INS组合导航模拟器。

附图2为仿真控制原理示意图，在仿真控制计算机运行仿真控制软件，通过用户界面进行参数配置，设定试验场景、仿真时间、载体运动参数、导航卫星参数、被测设备参数，并实施仿真测试控制。计算得到的GNSS/INS组合导航模拟控制参数和姿态模拟控制参数，分别传输给GNSS/INS组合导航模拟器和转台控制器，启动仿真测试。

附图3为GNSS/INS组合导航模拟器原理框图，GNSS/INS组合导航模拟器根据GNSS/INS组合导航模拟控制参数，按照一定步长生成导航信号仿真控制参数，通过信号生成单元产生中频信号，中频信号经过上变频后形成模拟的导航射频信号，通过射频线传输到组合导航接收机中进行模拟仿真测试，用来测试在高动态环境下接收机对新号的捕获，跟踪能力，同时可以研究在高动态，弱信号的条件下惯导对GNSS接收机的辅助效果。GNSS/INS组合导航模拟器根据模拟控制参数按照一定步长计算模拟的加速度计数据，并按照设定的被测惯导误差参数添加测量误差，将仿真生成的加速度计模拟数据存放在数据发送缓冲区中，同时由内部时钟生成与秒脉冲时钟沿对齐的数据发送触发脉冲，在数据发送触发时刻将加速度计模拟数据按照规定的数据接口协议进行输出，实现了惯性导航数据模拟并保证了与模拟射频信号同步。

图4为转台控制器系统原理框图，转台控制器按照控制指令中配置的重力场模型参数、载体轨迹、速度、加速度、姿态、姿态变化率、姿态变化加速度等参数形成转台电机控制参数，参数计算每秒钟计算一次，将所有数据存储到电机驱动控制指令缓存中，转台控制器采集秒脉冲信号，并生成与秒脉冲同步的指令触发脉冲。在指令触发脉冲到达时刻电机驱动控制信号控制转台电机进行相应的姿态变化动作，转台台体变化实现了与模拟射频信号的同步。

图5给出了组合导航半物理仿真测试同步控制示意图，可以看到所有的控制指令执行都采用了数据缓存和触发脉冲触发结合的方式进行了同步，避免了数据计算、数据传输延迟带来的系统同步误差。

Claims (2)

1.一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法，是借助于组合导航半物理仿真测试系统来实现的，所述的组合导航半物理仿真测试系统由仿真控制计算机、GNSS/INS组合导航模拟器、转台控制器、三轴仿真转台和被测组合导航系统组成，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在仿真控制计算机上运行仿真控制软件，通过用户界面设定实验场景，配置载体的运动参数，包括载体运动轨迹、运动速度、姿态信息和仿真时间；

步骤2：仿真控制软件根据配置的运动参数，生成载体运行轨迹仿真采样点，并计算各时刻运行轨迹上载体的加速度、加加速度、角速率和角加速度信息，形成GNSS/INS组合导航模拟器的仿真控制指令信息和转台控制器的仿真控制指令信息；

步骤3：GNSS/INS组合导航模拟器根据仿真控制指令信息中描述的载体运动参数，结合配置的卫星星历数据，计算卫星位置、速度、钟差、钟漂信息，经上变频形成模拟的导航射频信号；同时，GNSS/INS组合导航模拟器根据设定的时间，利用内部高精度原子钟，形成秒脉冲信号；秒脉冲信号与模拟的导航射频信号之间的时延信息通过模拟器通道时延标定进行补偿，实现模拟GNSS射频信号与秒脉冲信号的同步；

步骤4：GNSS/INS组合导航模拟器利用配置的运动参数，计算载体的位置、速度、姿态信息，结合设定的被测组合导航系统中的惯性测量单元误差参数，仿真生成惯导模拟数据，并将数据存放在数据发送缓冲区中，同时由内部时钟生成数据发送触发脉冲，并保证数据发送触发脉冲与秒脉冲时钟沿对齐，在数据发送触发时刻，将惯性测量单元模拟数据进行输出，实现了惯导模拟数据和秒脉冲的同步；

步骤5：根据生成的转台控制器的仿真控制指令信息，由转台控制器内部生成电机驱动控制指令触发脉冲；指令触发脉冲与GNSS/INS组合导航模拟器的秒脉冲信号进行同步；转台控制器根据设定的载体姿态角、姿态变化角速率和角加速度信息计算电机驱动控制指令，并将指令存入指令缓存器中，当在控制指令触发脉冲时刻到达时对电机进行控制，从而实现了控制指令和秒脉冲的同步；

完成组合导航半物理仿真测试的同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法，其特征在于：采用控制量预置、延迟量估计补偿与同步脉冲触发相结合的同步控制方法，补偿消除系统运行中的各类数据之间的同步误差，解决卫星导航信号模拟、惯性测量单元 模拟数据和三轴仿真 转台惯性姿态变化激励之间的同步问题。