CN106324572A - 一种gps模拟器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS模拟器的实现方法，该方法具体为：(1)上位机在飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块，输入为初始经纬度、射向角以及当前弹道的射程、高度、侧偏，输出为实时经纬度，并将经纬度定义为NI VeriStand输出；(2)上位机将经纬度信息转换为标准的0183协议，并封装为LabView自定义组件；(3)上位机将自定义组件加入下位机中的实时仿真系统平台NI VeriStand中运行。本发明不仅可以满足仿真测试的需要，而且大大的缩短了计算量，保证系统的实时性。基于软件方式的信号模拟器应用灵活，可扩展性好。

Description

一种GPS模拟器及其实现方法

技术领域

本发明属于飞行控制仿真领域，具体涉及一种GPS模拟器及其实现方法，用于飞行仿真试验过程中GPS的模拟。

背景技术

GPS(Global Positioning System)是一种通过卫星来完成无线电导航和授时系统，它是由美国国防部负责研制和开发的旨在替代子午仪系统的全球卫星导航系统。随着GPS的发展，弹上系统已开始广泛将其加入系统控制中。GPS的信号仿真技术和信号模拟器越来越多地受到人们的关注。GPS信号模拟器就是通过模拟产生一定环境条件下特定参考点上的信号，为实验系统的研究、用户端设备测试和性能评估提供仿真信号源和相应的分析工具。常见的GPS卫星信号模拟器产生射频信号，以广播的形式向外围空间发射。这些产品优缺点很鲜明，优点是信号逼真性好，缺点是计算量大、实时性差。此外，传统的射频信号模拟器大多数是基于硬件的方式实现，只能对已开发完成的原型系统或产品进行测试、硬件信号产生方式决定了其结构和功能的可扩展性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题和迫切需求，本发明提供一种GPS模拟器及其实现方法，其目的在于，在地面试验中模拟GPS信号，方法简单，扩展性好。

一种GPS模拟器的实现方法，该方法具体为：

(1)上位机在飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块，函数模块的输入为初始经纬度、射向角以及当前弹道的射程、高度、侧偏，函数模块的输出为实时经纬度，并将经纬度定义为NI VeriStand输出；

(2)上位机将经纬度信息转换为标准的0183协议，并封装为LabView开发环境的自定义组件；

(3)上位机将自定义组件加入下位机中的实时仿真系统平台NI VeriStand中运行，NI VeriStand平台将自定义组件转换成标准的GPS数据，通过硬件口送出。

进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：

第一步：打开Custom Device Template Tool VI；

第二步：创建Send Page以及Receive Page两个VI，Receive Page用于接收经纬度输出模块输出的经纬度信息，Send Page用于实现标准0183协议信息的填充；

第三步：自定义配置Main Page，在前面板中加入输入框，加入串口号，设置波特率、输出数据格式以及类型、输出数据的间隔时间；

第四步：为自定义组件创建XML文件，该文件在System Explorer中使用以自定义路径将全局唯一标识符GUID关联至VI。

一种GPS模拟器，包括加载于上位机上的弹道经纬度数据转换模块、0183协议数据生成模块和组件加载模块；其中，

弹道经纬度数据转换模块用于在飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块，函数模块的输入为初始经纬度、射向角以及当前弹道的射程、高度、侧偏，函数模块的输出为实时经纬度，并将经纬度定义为NI VeriStand输出；

0183协议数据生成模块用于将经纬度信息转换为标准的0183协议，并封装为LabView开发环境的自定义组件；

组件加载模块用于将自定义组件加入下位机中的实时仿真系统平台NIVeriStand中运行，NI VeriStand平台将自定义组件转换成标准的GPS数据，通过硬件口送出。

进一步地，所述0183协议数据生成模块包括：

第一子模块，用于打开Custom Device Template Tool VI；

第二子模块，用于创建Send Page以及Receive Page两个VI，Receive Page用于接收经纬度输出模块输出的经纬度信息，Send Page用于实现标准0183协议信息的填充；

第三子模块，用于自定义配置Main Page VI，在前面板中加入输入框，加入串口号，设置波特率、输出数据格式及类型、输出数据的间隔时间；

第四子模块，用于为自定义组件创建XML文件，该文件在System Explorer中使用以自定义路径将全局唯一标识符GUID关联至VI。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，在飞行器控制系统地面仿真测试中，GPS模拟器并不一定要产生射频信号，只需将飞行器模型仿真中输出的位置信息转换为GPS的通用协议即可以实现GPS模拟器的功能，这种方法不仅可以满足仿真测试的需要，而且大大的缩短了计算量，保证系统的实时性。基于软件方式的信号模拟器应用灵活，可扩展性好。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明GPS模拟器生成原理图；

图2是Simulink模型嵌入式m函数连接示意图；

图3是LabView自定义组件ThreeinOne函数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在飞行器控制系统地面仿真测试中，GPS模拟器并不一定要产生射频信号，只需将轨道模型仿真中输出的位置信息转换为GPS的通用协议即可以实现GPS模拟器的功能，这种方法不仅可以满足仿真测试的需要，而且大大的缩短了计算量，保证系统的实时性。基于软件方式的信号模拟器应用灵活，可扩展性好。

本发明实验使用的平台为某飞行器仿飞测试系统，该系统采用“上下位机”的结构，上位机使用Matlab中的Simulink对飞行器系统进行建模，下位机由基于PXI总线的板卡组成，其主要功能为运行Simulink生成的目标程序以及数据采集和通讯。上下位机之间通过“以太网”进行连接。

参见图1，本发明所采用的技术方案利用NI公司开发的实时集成平台VeriStand实现LabVIEW和Simulink交互式编程。该平台可利用LabView自定义的用户界面，交互式地验证Simulink模型，并轻松地将这些模型配置到实时硬件中运行。

GPS模拟器的实现过程如下：

首先在上位机飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块。该模块的功能为计算实时经纬度，并将经纬度定义为VeriStand输出。函数模块的输入为初始经纬度、射向角(即初始点与目标点的连线与正北向的夹角)以及当前弹道的x、y、z(依次表示弹道的射程、高度以及侧偏)。其中，初始经纬度和射向角信息可由人为设定，轨道的射程、高度以及侧偏由飞行器模型实时计算得到。

接着设计一个将经纬度信息变成标准0183协议的自定义组件，NI VeriStand通过基于配置的开发方法，为创建实时测试应用程序提供软件架构，但实际应用时有许多功能无法直接通过配置VeriStand来实现，需编写自定义功能的程序来实现扩展功能。按照VeriStand支持的格式来编写扩展功能的程序并加载至VerIStand运行，称该类程序为自定义设备组件。使用自定义设备可将更多的功能添加至NI VeriStand引擎，使用该接口进行编程并加载运行，可实现对硬件I/O或自定义功能的支持。

自定义设备在上位机使用LabView编写自定义配置界面，发布并加载至VeriStand中，可在该类界面中输入配置参数，定义运行属性。当软件部署至下位机实时系统运行时，下位机软件结合硬件的输入输出端口将模型参数输出至硬件端口，也可从硬件输入端口获取数据，发送至上位机。

自定义组件有通用的模板可以使用，只需根据所需功能补充相应代码即可实现。

第一步：打开Custom Device Template Tool VI，更改目标文件夹位置和自定义设备名称，本例中自定义组件的名称为ThreeinOne。项目文件库中将默认创建三个VI以方便进行开发，分别为：Main Page、Intialization、RT Driver，根据需要可对VI进行更改。

第二步：创建Send Page以及Receive Page两个VI，Receive Page用于接收经纬度输出模块输出的经纬度信息，Send Page用于实现标准0183协议信息的填充。

第三步：自定义配置Main Page。在前面板中加入输入框，并按照指定的内容更改VI的代码。在本例中体现为加入串口号，设置波特率，输出数据格式以及类型，输出数据的间隔时间，如图3界面所示

第四步：创建XML文件。每个自定义设备都需要一个对应的XML文件，默认的XML文件是在使用Custom Device Template Tool工具时由程序自动创建的，该文件需要在System Explorer中使用以自定义路径将GUID关联至VI。GUID由Custom Device TemplateTool中的GUID Generator生成自定义的GUID。

这样就完成了0183协议自定义组件的编写，该组件可模拟不同的GPS的情况。如当前GPS卫星数为2，则在Send Page页面的填充中将0183协议里标志卫星数的字节改为2即可，同理也可以模拟GPS故障，无信号，丢星等各种情况，为飞行轨道仿真中GPS的信号输出提供了各种形式的模拟。

最后，自定义组件需加入VeriStand平台进行运行。并将该组件的信息与实际的硬件端口关联即可，比如GPS信息的模拟具体由硬件的那个串口输出。通过VeriStand平台将Simulink模型输出的信息，经过LabView组件转换成标准的GPS数据，通过用户指定的硬件口送出。达到根据实际弹道实时模拟GPS数据的目的。

本发明的主要技术优点如下：a)技术实现难度不高，无需额外的硬件投入，成本较低；b)技术通用性高，可根据实际应用场合进行协议以及端口的变化；c)实时性强，可先在Simulink模型中模拟输出系统运动轨迹，由运动轨迹实时的转换为GPS信号输出。

图2为Simulink模型中m函数的连接示意图，射程以及侧偏由弹体模型引入，经过运算后得到的实时经纬度需设置为VeriStand输出，否则不能在LabView组件中被调用。

图3为m函数程序流程。图中jing1为初始经度，wei1为初始纬度，jing为实时经度，wei为实时纬度，jiajiao为射向角，x为射程，z为侧向偏移。Pi为固定值3.1415926。

在VeriStand中加入自定义组件的界面，可以选择串口端、波特率、输出数据格式以及时间间隔。

通过上述步骤即可实现GPS模拟器的功能。虽然结合示图详细描述了本发明的实施过程，但这并不是本发明实际使用的唯一方法，对于本领域的技术人员来说，仍可以对上述实施方式作出修改而不改变本发明的实质和范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种GPS模拟器的实现方法，其特征在于，该方法具体为：

(1)上位机在飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块，函数模块的输入为初始经纬度、射向角以及当前弹道的射程、高度、侧偏，函数模块的输出为实时经纬度，并将经纬度定义为NI VeriStand输出；

(2)上位机将经纬度信息转换为标准的0183协议，并封装为LabView开发环境的自定义组件；

(3)上位机将自定义组件加入下位机中的实时仿真系统平台NI VeriStand中运行，NIVeriStand平台将自定义组件转换成标准的GPS数据，通过硬件口送出。

2.根据权利要求1所述的GPS模拟器的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实现方式为：

第一步：打开Custom Device Template Tool VI；

第二步：创建Send Page以及Receive Page两个VI，Receive Page用于接收经纬度输出模块输出的经纬度信息，Send Page用于实现标准0183协议信息的填充；

第三步：自定义配置Main Page VI，在前面板中加入输入框，加入串口号，设置波特率、输出数据格式及类型、输出数据的间隔时间；

第四步：为自定义组件创建XML文件，该文件在System Explorer中使用以自定义路径将全局唯一标识符GUID关联至VI。

3.一种GPS模拟器，其特征在于，包括加载于上位机上的弹道经纬度数据转换模块、0183协议数据生成模块和组件加载模块；其中，

弹道经纬度数据转换模块用于在飞行器Simulink模型中加入一个Matlab自带的m函数模块，函数模块的输入为初始经纬度、射向角以及当前弹道的射程、高度、侧偏，函数模块的输出为实时经纬度，并将经纬度定义为NI VeriStand输出；

0183协议数据生成模块用于将经纬度信息转换为标准的0183协议，并封装为LabView开发环境的自定义组件；

组件加载模块用于将自定义组件加入下位机中的实时仿真系统平台NI VeriStand中运行，NI VeriStand平台将自定义组件转换成标准的GPS数据，通过硬件口送出。

4.根据权利要求3所述的GPS模拟器，其特征在于，所述0183协议数据生成模块包括：

第一子模块，用于打开Custom Device Template Tool VI；

第二子模块，用于创建Send Page以及Receive Page两个VI，Receive Page用于接收经纬度输出模块输出的经纬度信息，Send Page用于实现标准0183协议信息的填充；

第三子模块，用于自定义配置Main Page VI，在前面板中加入输入框，加入串口号，设置波特率、输出数据格式及类型、输出数据的间隔时间；

第四子模块，用于为自定义组件创建XML文件，该文件在System Explorer中使用以自定义路径将全局唯一标识符GUID关联至VI。