CN106840196A - 一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法，属于导航设备测试领域。本发明通过对惯性传感器硬件接口进行模拟的方式构建半实物测试平台，通过航迹仿真反推出惯性传感器的理论输出，向理论输出加入误差的方式模拟真实器件输出，以此作为模拟接口的数据源。通过灵活的参数设置手段调整模拟的惯性传感器输出的数据格式与数据精度，最后用数理统计方法对比分析导航解算的位置、速度、姿态与设定的航迹差异，让试验人员方便测试导航计算机的性能，实现对导航计算机系统软硬件的性能进行评估和验证。本发明可以针对不同类型导航计算机和不同的动态要求进行硬件接口和软件算法测试，节约了测试成本，提高了测试的通用性与可复现性。

Description

一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法，属于导航设备测试领域。

背景技术

惯性导航系统可以连续地提供姿态、速度和位置等导航参数，具有较高的短期精度和良好的稳定性，应用领域广泛。惯性导航系统的主要缺点是导航定位误差随时间累积，导航误差主要由惯性传感器的精度、导航算法的精度以及运载体的运动动态特性决定。随着科技的进步，惯性导航与制导技术已成为航空、航天和航海领域中的核心技术，其发展水平也己经成为衡量一个国家国防科技实力的重要标尺。

捷联惯性导航系统由载体上固联的惯性传感器、导航计算机和显控设备等组成。导航计算机是捷联惯导系统的核心部分，负责数据接收、处理、解算、输出等工作。为了能更加精确地测试导航计算机的初始对准、航姿解算、故障检测等导航算法的精度以及可靠性，需要对导航计算机的性能进行大量的静态和动态测试试验。

传统的导航计算机性能测试试验需要运动载体上各种真实传感器的实时、同步数据，测试成本高，通用性低，同时由于环境和人为因素会导致试验结果无法复现。因此，有很多研究人员采用软件仿真形式验证导航计算机性能，节约了测试成本，提高了测试效率，但是没有考虑到硬件接口的传输与导航计算机硬件的可靠性问题。同时，有一些研究人员在实验室采用将惯性传感器放置于三轴转台上模拟载体运动，并利用此惯性传感器信号测试导航计算机性能，实现了对于导航计算机硬件的测试，但无法验证导航计算机的动态性能。

发明内容

本发明针对传统的导航计算机测试通用性和灵活性不高，测试结果不可复现的问题，动态测试耗费资源、成本高的问题，提出了一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法，通过航迹仿真反推惯性传感器理论输出，理论输出加入误差后作为模拟接口的数据源。本发明可设置不同动态下的惯性传感器输出，解决了纯数字仿真方法无法验证系统可靠性的问题。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种捷联惯性导航计算机测试系统，包括运动轨迹仿真模块、惯性器件参数设定模块、惯性器件数据仿真模块、数据格式转换与存储模块、测试系统控制模块、误差分析模块、数据缓冲模块、惯性数据封装模块，数据同步触发模块和数据发送模块；其中，惯性器件参数设定模块和运动轨迹仿真模块分别与惯性器件数据仿真模块连接，惯性器件数据仿真模块分别与误差分析模块、数据格式转换与存储模块连接，数据格式转换与存储模块和测试系统控制模块分别通过PCI总线与数据缓冲模块连接，数据缓冲模块通过PCI总线与误差分析模块连接，数据缓冲模块分别与数据同步触发模块和惯性数据封装模块连接，数据同步触发模块和惯性数据封装模块分别与数据发送模块连接。

一种捷联惯性导航计算机测试系统的实现方法，包含以下步骤：

步骤1、在计算机上选择Microsoft Visual C++开发平台设计上位机软件，通过该软件设定运动轨迹参数和惯性传感器及其接口参数，包括：

(1)设置载体运动时长，即航迹仿真时间；

(2)设置载体运动的轨迹参数；

(3)设置惯性传感器种类、误差、输出更新率参数；

(4)设置模拟的惯性传感器接口的通信格式。

步骤2、根据运动轨迹反推惯性传感器理论输出，加入惯性传感器误差后生成最终实际输出数据并存储，包括：

(1)读取步骤1中通过上位机设定的运动轨迹参数，反推出加速度计和陀螺仪理论输出；

(2)根据用户设置的惯性传感器参数推导出陀螺仪和加速度计误差；

(3)将陀螺仪和加速度计的理论输出与误差进行合成，得到带有误差的加速度计和陀螺仪输出，即模拟的惯性传感器的实际输出；

(4)按照用户设置的器件输出更新周期将模拟的惯性传感器的实际输出结果保存文件；

步骤3、基于FPGA设计开发测试系统的硬件平台，FPGA硬件平台根据步骤1中对于惯性传感器接口的设置，完成对模拟接口的输出格式与通信协议的配置，完成硬件初始化，进入待命状态，随时可以启动测试。包括：

(1)设置模拟的接口有效电平；

(2)设置模拟的通讯接口传输协议；

(3)设置惯性传感器输出数据包的长度、更新周期、帧头、帧尾和校验方式信息；

(4)上位机通过PCI总线与FPGA进行通信，以FPGA扩展存储器作为硬件端数据缓冲区，按照器件类型划分区域，分别存储加速度计、陀螺仪和温度数据；在初始化阶段，上位机首先向缓冲区各区域填满数据，为测试做好准备；

步骤4、FPGA通过模拟的接口，按照设定的参数实时、同步的向被测导航计算机发送数据，包括：

(1)首先判断缓冲区中的数据量是否符合大于等于一半的缓冲空间容量；当缓冲区数据量不满一半容量时，通过中断触发上位机填写半个缓冲空间容量的数据；当缓冲区数量大于等于一半容量时，继续进行下面步骤；

(2)测试系统根据初始化阶段设置的数据更新周期，生成用于控制数据发送周期的trig信号，trig信号为占空比1:9，频率等于数据更新周期的方波；

(3)数据处理模块根据初始化时设置的数据长度、帧头、帧尾和校验方式完成数据的自动硬件封装，生成符合导航计算机通讯协议的数据包；

(4)数据发送模块按照trig信号的周期将封装完成的数据包通过相应的模拟接口发送给被测导航计算机；

步骤5、导航计算机性能评估，包括：

(1)采集导航计算机输出的速度、位置和姿态信息，并将这些数据与步骤1中设定的运动轨迹参数对比；

(2)通过数理统计方法得到其差异的大小及变化趋势，并生成对比图和数据对比文件，对导航计算机性能进行评估。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出导航计算机半实物测试平台可以自主设定航迹，不用运动载体搭载整套惯导系统，使对于导航计算机的测试更加灵活，节约测试成本。

(2)通过半实物仿真惯性传感器并行接口，可以实时、同步的输出惯性传感器信息，从提高测试的可信度和可复现性。

(3)通过自主设定惯性传感器种类、参数和通信格式，适应多种型号、不同性能参数的惯性传感器模拟，可以提高测试的通用性。

(4)通过对比被测导航计算机解算的位置、速度、姿态信息和设定的航迹信息，可以定量的分析被测导航计算机的初始对准、姿态解算、故障检测等算法的精度和可靠性。

附图说明

图1表示捷联惯性导航计算机测试系统的结构示意图。

图2表示基于PCI总线的惯性传感器接口模拟板卡示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明一种捷联惯性导航计算机性能测试的系统结构示意图如图1所示，其具体实施步骤如下：

步骤1、在计算机上选择Microsoft Visual C++开发平台设计上位机软件。通过该软件设定运动轨迹参数和惯性传感器及其接口参数，其方法如下：

(1)设置载体运动时长，即航迹仿真时间。航迹仿真时间中包含了对准时间，用于后期与导航计算机回传数据对齐；

(2)设置载体运动的轨迹参数。运动轨迹参数包括载体的位置、速度、姿态、线加速度、角速度信息；

(3)设置惯性传感器种类、误差、输出更新率等参数。惯性传感器参数包括陀螺种类，陀螺和加速度计的零偏、随机误差、刻度系数误差、安装误差漂移温度相关系数等。惯性传感器输出数据的更新率为1Hz-10KHz可调；

(4)设置惯性传感器接口通信格式，包括脉冲输出，RS422输出以及RS232输出等格式。

步骤2、运动轨迹与惯性数据生成与存储，其方法如下：

(1)读取步骤1中设定的运动轨迹参数，生成理想加速度计和陀螺输出。

a)陀螺的理想输出模型为：

其中，角标n，b，i，e分别代表到导航坐标系、载体坐标系、惯性坐标系、地球坐标系。

分别为导航系内地球角速率、速度引起的绕地球的转动角速率，是机体系相对于导航系的转动角速度在机体系上的投影，为导航系到机体系变换矩阵，是机体系相对于惯性系的转动角速度在机体系上的投影，即陀螺的输出。

根据上一时刻计算的地理速度和纬度可得：

其中：V_N为北向速度；R_M为地球半径；V_E为东向速度；L为纬度；h为高度；为地理坐标系的绝对角速度；

由姿态角确定转换矩阵

其中：θ为俯仰角；ψ为航向角；γ为横滚角；

由欧拉方程得到载体坐标系相对于地理坐标系的角速率

其中：为俯仰角速率；为横滚角速率；为航向角速率；

在与均已知后，即可求得陀螺的理想输出

(b)加速度计的理想输出模型为：

其中，fⁿ为导航系下的比力；f^b为机体系下的比力。

和为导航坐标系内载体对地速度和对地加速度，可以通过运动轨迹信息得到；为捷联姿态矩阵的转置矩阵，在求解陀螺输出时已求得；分别为导航系内地球角速率、速度引起的绕地球的转动角速率，在求解陀螺输出时也已求得；g＝(0 0g₀)为重力加速度的矢量形式，可根据当地纬度求得。

因此，在上述参数已知的情况下即可求得加速度计的理想输出f^b。

(2)根据用户设置的惯性传感器参数生成加速度计和陀螺误差。

a)陀螺的误差包括零偏、随机误差、刻度系数误差、安装误差、漂移温度相关系数。

陀螺刻度系数误差与安装误差的数学模型为：

其中ω_mn(n＝x、y、z)代表陀螺真实输出值，ω_n(n＝x、y、z)代表陀螺的理想输出值，θ_ωpq、θ_gpq(p＝x、y、z，q＝x、y、z,p≠q)代表陀螺的安装误差，K_ωm(m＝x、y、z)代表陀螺的刻度系数因数误差。

陀螺的漂移温度相关系数与陀螺所处的温度环境有关，温度值与系数之间的关系采用多项式的形式表示，多项式的阶次与系数将根据需求进行设置。

陀螺的随机误差模型为：

ε＝ε_b+ε_r+w_g (8)

其中ε_b为随机常数；ε_r为一阶马尔可夫过程；w_g为白噪声。

假定三个轴向的陀螺漂移误差模型想同，均为

式中：为随机常数变化率；为一阶马尔科夫过程变化率；T_g为相关时间，w_r为白噪声。定义为陀螺随机漂移方差，A_ε为陀螺随机漂移方差；σ_ε为随机因素误差；η₁为强度为1的白噪声，其协方差Cov[η₁(t),η₁(τ)]＝1。则有

b)加速度计的误差包括零偏、随机误差、刻度系数误差、安装误差以及零偏温度相关系数。

加速度计刻度系数误差与安装误差的数学模型为：

其中f_mn(n＝x、y、z)代表加速度计的真实输出值，f_n(n＝x、y、z)代表加速度计的理想输出值，θ_gpq(p＝x、y、z，q＝x、y、z,p≠q)代表加速度计的安装误差，K_gm(m＝x、y、z)代表加速度计的标度因数误差。

加速度计的零偏温度相关系数与其所处的温度环境有关，温度值与零偏之间的关系采用多项式的形式表示，多项式的阶次与系数将根据需求进行设置。

加速度计的随机误差模型为：

▽＝▽_b+▽_r (11)

其中▽_b为随机常数；▽_r为一阶马尔可夫过程。

假定三个轴向加速度计的误差模型相同，均为

式中：为随机常数变化率；为一阶马尔科夫过程变化率；T_a为相关时间，w_a为白噪声。同理定义为加速度计随机误差方差，A_a为随机误差方差；σ_a为随机因素误差；η₂为强度为1的白噪声，其协方差Cov[η₂(t),η₂(τ)]＝1。则有

(3)将理想的加速度计和陀螺输出值加上相应误差得到模拟的加速度计和陀螺输出，即模拟的惯性传感器的实际输出。

(4)按照用户设置的器件输出更新周期，将带有误差的加速度计和陀螺输出结果增加时间标准后保存文件。

步骤3、选择并行硬件平台FPGA(现场可编程门阵列，Field-Programmable GateArray)设计测试系统的仿真接口，基于PCI(外部设备互连总线，Peripheral ComponentInterconnect)总线的惯性传感器接口模拟板卡示意图如图2所示。FPGA硬件平台根据步骤1中对于惯性传感器接口的配置，分别设置接口参数，完成硬件初始化，其方法如下：

(1)设置模拟的接口为高电平有效或低电平有效。若设置为高电平有效，则无信号输出时端口电平保持为低。高电平输出为标准TTL电平，驱动能力不小于15mA。

(2)设置模拟的RS422和RS232接口波特率、起始位、数据位、停止位、校验位、终止位等传输协议。通讯波特率满足9.6kbps—614.4kbps系列，每个通讯接口波特率可单独设置。起始位可设为1-2位，数据位可设为5-8位，停止位可设为1-2位，校验位可设为奇校验、偶校验和无校验。

(3)设置通过RS422和RS232发送的数据包长度，更新周期，数据包帧头、帧尾、校验方式等信息。数据包长度取值范围为1-200字节，更新周期1Hz-10KHz。FPGA根据数据包长度，帧头、帧尾以及校验设置实现自主硬件数据封装与解码。

(4)上位机通过PCI总线与FPGA进行通信，为保障输出信号的实时性，以FPGA扩展随机存储器作为硬件端数据缓冲区，将Windows系统引入的延时控制在Windows到FPGA这一段。由于不同类型的惯性传感器发送不同长度和不同格式的数据，因此缓冲区按照不同的器件类型划分区域大小，分别存储加速度计、陀螺、温度等数据。缓冲区采用半空中断的方式填写数据，填写的数据量要保证可以发送到上位机下一次填写数据。因此缓冲区容量的设计值理论值计算见式13，系统设计时，FIFO(先入先出队列，First Input First Output)设计的实际值大于理论值，以避免由于不确定因素导致系统不正常工作。

式中，V_FIFO为随机存储器中为每个器件开辟缓冲的容量，t_Windows为Windows最慢响应时间，f为惯性传感器更新率，l为惯性传感器数据长度，n为需要设置的信号数量。

在初始化阶段，上位机首先向缓冲区各区域填满数据，为测试做好准备。

以上四步操作可以配置好FPGA端接口输出格式与通信协议并完成数据准备工作，使测试系统完成初始化，进入待命状态，随时可以启动测试。

步骤4、FPGA通过模拟的接口，按照设定实时、同步的向被测导航计算机发送数据，其方法如下：

(1)首先判断缓冲区中的数据量是否符合大于等于一半的缓冲空间容量。当缓冲区数据量不满一半容量时，通过中断触发上位机填写半个缓冲空间容量的数据，以保证测试过程中数据不会间断；当缓冲区数量大于等于一半容量时，继续进行下面步骤。

(2)测试系统根据初始化阶段设置的数据更新周期，生成数据发送触发脉冲trig(触发脉冲)信号，触发trig信号为占空比1:9的方波。

(3)数据处理模块根据初始化时设置的数据长度，帧头、帧尾，校验方式，完成数据的自主硬件封装，生成符合导航计算机协议的数据包。

(4)数据发送模块以trig信号上升沿作为触发，按照trig信号的周期将封装完成的数据包通过相应的接口发送给被测导航计算机。

通过以上的计算机与FPGA配合，实现FPGA模拟的惯性接口输出的数据满足实时性和同步性要求。同时通过导航计算机通信接口读取导航计算机解算的位置、速度、姿态信息并回传给上位机。

步骤5、导航计算机性能评估，其方法如下：

(1)采集导航计算机输出的速度、位置、姿态信息，并将这些数据与步骤1中设定的运动轨迹参数对齐；

(2)通过数理统计方法得到其差异的大小及变化趋势，并生成对比图和数据对比文件。

Claims (5)

1.一种捷联惯性导航计算机测试系统，其特征在于，包括运动轨迹仿真模块、惯性器件参数设定模块、惯性器件数据仿真模块、数据格式转换与存储模块、测试系统控制模块、误差分析模块、数据缓冲模块、惯性数据封装模块，数据同步触发模块和数据发送模块；其中，惯性器件参数设定模块和运动轨迹仿真模块分别与惯性器件数据仿真模块连接，惯性器件数据仿真模块分别与误差分析模块、数据格式转换与存储模块连接，数据格式转换与存储模块和测试系统控制模块分别通过PCI总线与数据缓冲模块连接，数据缓冲模块通过PCI总线与误差分析模块连接，数据缓冲模块分别与数据同步触发模块和惯性数据封装模块连接，数据同步触发模块和惯性数据封装模块分别与数据发送模块连接。

2.一种捷联惯性导航计算机测试系统的实现方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、在计算机上选择Microsoft Visual C++开发平台设计上位机软件，通过该软件设定运动轨迹参数和惯性传感器及其接口参数，包括：

(1)设置载体运动时长，即航迹仿真时间；

(2)设置载体运动的轨迹参数；

(3)设置惯性传感器种类、误差、输出更新率参数；

(4)设置模拟的惯性传感器接口的通信格式；

步骤2、根据运动轨迹反推惯性传感器理论输出，加入惯性传感器误差后生成最终实际输出数据并存储，包括：

(1)读取步骤1中通过上位机设定的运动轨迹参数，反推出加速度计和陀螺仪理论输出；

(2)根据用户设置的惯性传感器参数推导出陀螺仪和加速度计误差；

(3)将陀螺仪和加速度计的理论输出与误差进行合成，得到带有误差的加速度计和陀螺仪输出，即模拟的惯性传感器的实际输出；

(4)按照用户设置的器件输出更新周期将模拟的惯性传感器的实际输出结果保存文件；

步骤3、基于FPGA设计开发测试系统的硬件平台，FPGA硬件平台根据步骤1中对于惯性传感器接口的设置，完成对模拟接口的输出格式与通信协议的配置，完成硬件初始化，进入待命状态，随时可以启动测试，包括：

(1)设置模拟的接口有效电平；

(2)设置模拟的通讯接口传输协议；

(3)设置惯性传感器输出数据包的长度、更新周期、帧头、帧尾和校验方式信息；

(4)上位机通过PCI总线与FPGA进行通信，以FPGA扩展存储器作为硬件端数据缓冲区，按照器件类型划分区域，分别存储加速度计、陀螺仪和温度数据；在初始化阶段，上位机首先向缓冲区各区域填满数据，为测试做好准备；

步骤4、FPGA通过模拟的接口，按照设定的参数实时、同步的向被测导航计算机发送数据，包括：

(1)首先判断缓冲区中的数据量是否符合大于等于一半的缓冲空间容量；当缓冲区数据量不满一半容量时，通过中断触发上位机填写半个缓冲空间容量的数据；当缓冲区数量大于等于一半容量时，继续进行下面步骤；

(2)测试系统根据初始化阶段设置的数据更新周期，生成用于控制数据发送周期的trig信号，trig信号为占空比1:9，频率等于数据更新周期的方波；

(3)数据处理模块根据初始化时设置的数据长度、帧头、帧尾和校验方式完成数据的自动硬件封装，生成符合导航计算机通讯协议的数据包；

(4)数据发送模块按照trig信号的周期将封装完成的数据包通过相应的模拟接口发送给被测导航计算机；

步骤5、导航计算机性能评估，包括：

(1)采集导航计算机输出的速度、位置和姿态信息，并将这些数据与步骤1中设定的运动轨迹参数对比；

(2)通过数理统计方法得到其差异的大小及变化趋势，并生成对比图和数据对比文件，对导航计算机性能进行评估。

3.根据权利要求2所述的一种捷联惯性导航计算机测试系统的实现方法，其特征在于，步骤2(1)中所述陀螺仪理想输出模型为：

${\mathrm{\ω}}_{ib}^b=C_n^b({\mathrm{\ω}}_{ie}^n+{\mathrm{\ω}}_{en}^n)+{\mathrm{\ω}}_{nb}^b---\left(1\right)$

其中，角标n，b，i，e分别代表到导航坐标系、载体坐标系、惯性坐标系、地球坐标系；

分别为导航系内地球角速率、速度引起的绕地球的转动角速率，是机体系相对于导航系的转动角速度在机体系上的投影，为导航系到机体系变换矩阵，是机体系相对于惯性系的转动角速度在机体系上的投影，即陀螺的输出。

4.根据权利要求2所述的一种捷联惯性导航计算机测试系统的实现方法，其特征在于，步骤2(1)中所述加速度计理想输出模型为：

$f^n={\stackrel{\·}{V}}_{en}^n+(2{\mathrm{\ω}}_{ie}^n+{\mathrm{\ω}}_{en}^n)\×V_{en}^n-g---\left(5\right)$

$f^b=C_n^b{f}^n---\left(6\right)$

其中，fⁿ为导航系下的比力；f^b为机体系下的比力；

和为导航坐标系内载体对地速度和对地加速度，通过运动轨迹信息得到；为捷联姿态矩阵的转置矩阵，在求解陀螺输出时已求得；分别为导航系内地球角速率、速度引起的绕地球的转动角速率，在求解陀螺输出时也已求得；g＝(0 0 g₀)为重力加速度的矢量形式，根据当地纬度求得。

5.根据权利要求2所述的一种捷联惯性导航计算机测试系统的实现方法，其特征在于，步骤3(1)所述设置模拟的接口为高电平有效或低电平有效，若设置为高电平有效，则无信号输出时端口电平保持为低；高电平输出为标准TTL电平，驱动能力不小于15mA。