CN109612500A - 一种导航设备测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导航设备测试系统及方法，包括，其特征在于：包括管理控制单元，还包括信号采集单元、数据存储单元、导航信号生成单元和激励生成单元，其中采集的信号存储到存储单元，在回放时从存储单元读取数据并控制激励生成单元生成物理的测试激励给被测导航设备进行测试。在需要利用采集回来的数据进行重放时，则由信号生成单元从数据存储单元读取各种测试激励数据，并将其恢复为物理的测试激励信号，提供给被测设备；将被测导航设备输出的运动状态数据与标准运动状态数据相比较以评价被测导航设备的性能。

Description

一种导航设备测试系统及方法
技术领域
本发明涉及INS(Inertial Navigation System,惯性导航系统)/GNSS(GlobalNavigation Satellite System,全球卫星导航系统)组合导航技术领域，特别是涉及一种INS/GNSS组合导航设备测试系统及方法。
背景技术
INS/GNSS组合导航技术是结合了卫星导航技术和惯性导航技术向用户提供位置、导航和时间服务的技术，目前已经广泛应用于军事和民用领域。
在INS/GNSS组合导航设备的测试验证中，目前采用最多的方式是将其安装在运动载体(例如车辆、飞机、导弹等)上，在实际运动条件下将被测INS/GNSS组合导航设备输出的位置、姿态数据与标准位置、姿态数据(由同等精度或更高精度的其他导航系统提供)相比较，计算其精度是否满足要求。另外，也有一些测试系统基于数学仿真模拟器和三维转台等运动机构构成半实物仿真测试系统，由模拟器产生的仿真运动数据驱动转台等运动机构。上述方法的局限性表现为：
1.实际环境下的外场车载、船载、机载测试，测试条件要求较高，测试成本高、周期长且试验条件不易获得。
2.测试的可重复性差，受测试时段的卫星几何构形、气候条件、电磁环境、载体运动状态等多种变量的共同影响，较难在多次外场测试中复现测试结果。
3.基于数学仿真方法构造的运动状态信息与实际运动状态的符合度严重依赖于所用数学模型，对于复杂运动状态，其仿真正确性较难验证。
发明内容
本发明根据现有技术存在的缺陷，提供一种基于记录回放技术的INS/GNSS组合导航设备的测试系统，能够通过记录载体实际运动过程中的卫星导航信号、运动状态数据(包括位置、速度、加速度、姿态角等)并在实验室内回放，由回放数据同步驱动射频导航信号发生装置、姿态运动发生装置和加速度信号发生装置为被测INS/GNSS组合导航设备提供与外场测试一致的测试激励，在实验室内最大程度地实现接近于外场条件的测试。
具体而言提供一种导航设备测试系统，其特征在于：包括管理控制单元，其特征在于：还包括卫星导航信号采集单元，载体姿态信号采集单元，载体加速度信号采集单元，标准运动状态解算单元，数据存储单元，信号生成单元和时间同步单元，其中，各采集单元采集实际测试环境下各种测试激励信息，由标准运动状态解算单元根据各采集单元采集的测试激励信息实时解算得到标准运动状态数据；数据存储单元存储各采集单元采集的测试激励信息和标准运动状态解算单元解算得到的标准运动状态数据；在需要利用采集回来的数据进行重放时，则由信号生成单元从数据存储单元读取各种测试激励数据，并将其恢复为物理的测试激励信号，提供给被测设备；将被测设备输出的运动状态数据与标准运动状态解算单元解算的标准运动状态数据相比较。
进一步的，其特征在于：所述载体姿态采集单元和载体运动加速度采集单元，分别用于采集载体姿态数据和载体运动加速度数据。
进一步的，其特征在于：所述标准运动状态解算单元，用于对采集的载体姿态数据和载体运动加速度数据进行误差修正和标准运动状态解算，标准运动状态解算可以在采集时实时进行，也可以在事后通过读取存储单元中存储的测试激励数据完成解算。标准运动状态解算单元采用子滤波器实现对卫星导航信号I、Q数据的捕获跟踪，主滤波器对卫星导航、惯性导航误差状态统一进行最优估计，并将载波频率误差和码相位误差反馈回卫星导航跟踪环路，将惯性参数误差反馈给误差补偿单元，完成惯性解算，得到标准的位置、速度和姿态等标准运动状态数据，并将其存入标准运动状态存储单元。
进一步的，其特征在于：所述数据存储单元包括卫星导航数据存储单元、姿态数据存储单元、加速度数据存储单元，分别用于存储对应的数据。
进一步的，其特征在于：所述信号生成单元包括导航信号生成单元、姿态激励生成单元、加速度激励生成单元。
进一步的，其特征在于：时间同步单元为各采集单元和信号生成单元提供时间同步信号，各采集单元利用时间同步信号为测试激励数据加上时标信息，该时标信息与测试激励数据一同被存储，并用于数据回放时的时间对齐。
进一步的，其特征在于：所述姿态激励生成单元为转台，所述被测设备安装于转台上。
进一步的，其特征在于：所述数据存储单元的存储区分为临时存储区和永久存储区，临时存储区用于实时存储采集单元采集的测试激励数据，实时数据以一定的方式分段存储于临时存储区；管理控制单元监控临时存储区的使用状况，在满足设定条件时将临时存储区内已写满的的数据块转移到永久存储区存储，同时释放被转移数据所占用的原临时存储区供循环使用。
进一步的，其特征在于：临时存储区使用策略为：将临时存储区分为一系列固定大小的数据块，各数据采集单元在需要存储数据时申请使用临时存储区中标记为可用的数据块，将该数据块标记为已用，并将采集的数据存入该数据块，在数据块写满时将数据块的编号、数据块开始写入时间、数据块写满时间等信息按采集数据类型分别加入射频数据块队列、姿态数据块队列、加速度数据块队列；管理控制单元顺序读取各数据块队列中数据块编号，将相应编号的数据块信息附加该数据块描述信息(包括数据类型、该数据块发送顺序编号、数据块开始写入时间、数据块写满时间、校验信息等)以本地或远程方式转移入存储单元的永久存储区，在完成该数据块的转移后将临时存储区中的该数据块标记为可用；各信号生成单元可以根据需要从存储单元根据数据块描述信息重新将数据块按各类型数据的各自采集顺序恢复为时间上连续的数据，并生成相应的激励信号。
本发明还提供一种导航设备测试方法，其特征在于采用权利要求1至7任一项所述的系统进行测试，其中，具体测试方法为包括数据采集记录阶段、数据回放阶段和数据分析评估阶段。
进一步的，其特征在于：所述数据采集记录阶段包括在外场实际环境下，将测试系统的各采集单元固定安装于运动载体上，选择在不同时段、不同对流层、电离层条件下，载体以不同速度、加速度、姿态运动，测试系统的各采集单元同步采集运动阶段不同条件下的各种测试激励数据和解算出的标准运动状态数据，经实时处理和远程数据传输，将形成的真实测试场景数据回传并存储于各数据存储单元。
进一步的，其特征在于：数据回放阶段：测试系统从各数据存储单元读取测试激励数据及时标信息，由各信号生成单元在时钟同步单元统一同步下，重新生成各种测试激励信号，提供给被测设备。
进一步的，其特征在于：数据分析评估阶段：测试系统采集被测设备在回放测试激励下的运动状态数据输出，与标准运动状态数据相比较，以评估被测设备是否能够满足不同环境、动态等条件下的导航技术指标要求。
本发明提供的一种基于记录回放技术的INS/GNSS组合导航设备的测试系统，可以由外场采集的测试激励数据，驱动实验室内的测试装置重新生成与外场一致的测试激励，从而实现在实验室内无限次地复现外场测试条件，也可以显著节约测试成本，缩短测试周期。
附图说明
图1是本发明的基于记录回放技术的INS/GNSS组合导航设备的测试系统实施例示意图。
图2是本发明的标准运动状态解算单元示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1，本发明的INS/GNSS组合导航设备测试系统，包括卫星导航信号采集单元、载体姿态采集单元、载体运动加速度采集单元、标准运动状态解算单元、卫星导航数据存储单元、姿态数据存储单元、加速度数据存储单元，卫星导航信号生成单元、姿态激励生成单元、加速度激励生成单元、时间同步单元、管理控制单元。在工作过程中，各信息采集单元采集实际测试环境下各种测试激励信息；标准运动状态解算单元由采集的激励信息解算出标准运动状态数据；各数据存储单元则对各采集单元传输来的数据进行存储；在需要利用采集回来的数据进行重放时，则由各信号生成单元从数据存储单元读取各种测试激励数据，并将其恢复为物理的测试激励信号，提供给被测设备；将被测设备输出的运动状态数据与标准运动状态解算单元采集的标准运动状态数据相比较，可以得到在该测试激励下被测设备运动状态测量误差等测试数据；时间同步单元为各采集单元和信号生成单元提供时间同步信号，各采集单元利用时间同步信号为测试激励数据加上时标信息，该时标信息与测试激励数据一同被存储，并用于数据回放时的时间对齐；管理控制单元对测试系统的各个单元的运行进行控制，同时也为用户提供管理和监视界面。
上述测试系统，可以基于实现的便捷性、模块的复用性等因素，对所述各组成单元进行适当组合来实现。例如，可以将载体姿态和加速度采集单元、存储单元整合为惯导信号记录装置，同时将姿态存储单元和加速度存储单元合为一个存储单元，以实现存储的复用。
其中卫星导航信号采集单元负责采集导航卫星信息、载体的位置/速度等运动轨迹信息、环境电磁信号和导航信号空间传播误差信息等卫星导航解算所需要处理的信息。一般而言，该单元完成射频导航信号的接收采集，并将模拟信号经变频、模数转换等处理后变为数字信号以便存储单元进行数字化存储。
载体姿态采集单元负责采集载体姿态角信息，载体运动加速度采集单元负责采集载体加速度信息。可以将载体姿态采集单元和加速度采集单元集成为惯导数据采集单元，并由惯性传感器实现。
所述标准运动状态解算单元，用于对采集的载体姿态数据和载体运动加速度数据进行误差修正和标准运动状态解算，标准运动状态解算可以在采集时实时进行，也可以在事后通过读取存储单元中存储的测试激励数据完成解算。标准运动状态解算单元如图2所示，采用子滤波器实现对卫星导航信号I支路、Q支路数据的捕获跟踪，主滤波器对卫星导航、惯性导航误差状态统一进行最优估计，并将载波频率误差和码相位误差反馈回卫星导航跟踪环路，将惯性参数误差反馈给误差补偿单元，完成惯性解算，得到标准的位置、速度和姿态等标准运动状态数据，并将其存入标准运动状态存储单元。
具体来说，如图2所示，以采集或存储的卫星导航数字(GNSS)信号与本地载波NCO生成的载波信号相乘完成IQ解调，其中，与余弦载波信号相乘得到I支路信号、与正弦载波信号相乘得到Q支路信号，I、Q支路信号分别与本地码NCO控制的码发生器生成的本地伪码并送到相关器进行相关积分，并将相关积分的结果送入子滤波器，子滤波器可以基于卡尔曼滤波算法得到伪距(误差)、伪距率(误差)、载波相位(误差)的最优估计，并将其送入主滤波器；将采集或存储的加速度计数据、陀螺仪数据经惯性解算后，也作为主滤波器的输入，与前述数据一起由主滤波器采用适当的数据融合算法得到码相位误差、载波频率误差、惯性参数误差，其中码相位误差、载波频率误差反馈回卫星导航信号的跟踪环路，对载波NCO和码NCO进行调整，以保持对信号的持续跟踪；而主滤波器得到的惯性参数误差则反馈回惯性解算单元进行对惯性参数进行误差补偿。
卫星导航数据存储单元存储带有时标的卫星导航信息，姿态数据存储单元存储带有时标的姿态角数据，加速度数据存储单元存储带有时标的加速度数据，标准轨迹数据存储单元存储带有时标的标准运动状态信息。以上数据存储单元既可以统一由多路数据存储控制模块实现，也可以基于系统功能分配的不同与各自的数据采集单元集成为某一类数据的记录装置。
在外场执行数据采集工作时，各采集单元和存储单元需要安装于运动载体上，且因高精度和高速数据采集存储的要求，短时间内会生成大量的存储数据，故存储单元在本测试系统中占有较大的重量和体积，限制本测试系统的应用。为降低对存储介质的容量要求，优选地，所述存储单元的存储区分为临时存储区和永久存储区，临时存储区用于实时存储采集单元采集的测试激励数据，实时数据以一定的方式分段(如固定采集时长或固定采集数据量)存储于临时存储区；管理控制单元监控临时存储区的使用状况，在满足设定条件时将临时存储区内已写满的的数据块压缩并到转移到永久存储区存储，同时释放被转移数据所占用的原临时存储区供循环使用，在这种方式下，可以仅将存储单元的临时存储区集成安装于载体，而将存储单元的永久存储区与回放单元集成，两部分之间通过数据通讯链路进行远程数据传输。
优选地，临时存储区使用策略为：将临时存储区分为一系列固定大小的数据块，各数据采集单元在需要存储数据时申请使用临时存储区中标记为可用的数据块，将该数据块标记为已用，并将采集的数据存入该数据块，在数据块写满时将数据块的编号、数据块开始写入时间、数据块写满时间等信息按采集数据类型分别加入射频数据块队列、姿态数据块队列、加速度数据块队列；管理控制单元顺序读取各数据块队列中数据块编号，将相应编号的数据块信息附加该数据块描述信息(包括数据类型、该数据块发送顺序编号、数据块开始写入时间、数据块写满时间、校验信息等)以本地或远程方式转移入存储单元的永久存储区，在完成该数据块的转移后将临时存储区中的该数据块标记为可用；各信号生成单元可以根据需要从存储单元根据数据块描述信息重新将数据块按各类型数据的各自采集顺序恢复为时间上连续的数据，并生成相应的激励信号。
卫星导航信号生成单元生成导航信号测试激励，该单元从卫星导航数据存储单元中获取数字化的导航信号数据，经数模转换、上变频等处理后形成射频导航信号输出。
姿态激励生成单元生成姿态测试激励，可以由所采集的姿态数据驱动的任何形式的姿态信号激励生成装置或姿态运动机构，包括但不限于姿态光电信号激励生成装置、运动转台等。
加速度激励生成单元生成加速度测试激励，为由所采集的加速度数据驱动的任何形式的加速度信号激励生成装置或加速运动机构。可以根据被测组合导航系统中加速度计种类的不同，提供不同的加速度比力输入，例如对于石英挠性加速度计可以采用电模拟的方式为被测设备中的加速度计提供电流力矩作为测试激励。
时钟同步单元为各采集单元和各激励生成单元提供时钟同步信号，可以为能够提供时钟信号的时钟芯片，例如IDT公司的ICS8430I-61芯片。
管理控制单元对系统中其他单元进行管理、控制，并提供人机交互界面，
下面通过具体实施例说明书本发明的工作方法：
下面以飞行器INS/GNSS组合导航设备作为被测设备，说明应用本测试系统的测试工作过程。
(1)数据采集记录阶段：在外场实际环境下，以飞行器作为载体，将测试系统固定安装于载体上，选择在不同时段、不同对流层、电离层条件下，飞行器以不同速度、加速度、姿态飞行，测试系统的各采集单元同步采集飞行阶段不同条件下的各种测试激励数据并解算出标准运动状态数据，经实时处理和传输，形成真实测试场景数据文件，存放于各数据存储单元。
(2)数据回放阶段：在实验室环境下，测试系统从各数据存储单元读取真实测试场景数据，并控制各测试激励生成单元，同步重新生成物理的测试激励提供给被测INS/GNSS组合导航设备。例如，可以将被测设备安装于位于微波暗室静区内的转台上，管理控制单元读取测试场景文件中的卫星导航信号数据，控制卫星导航信号激励生成单元生成射频导航信号，通过发射天线发送给被测设备的接收天线；读取测试场景文件中的姿态数据，控制转台进行姿态运动为被测设备提供姿态激励；读取测试场景文件中的加速度数据，控制电流力矩生成装置为被测设备提供加速度激励。
(3)数据分析评估阶段：测试系统采集被测设备在回放测试激励下的运动状态数据输出，与标准运动状态数据相比较，以评估被测设备是否能够满足飞行器不同环境、动态等条件下的导航技术指标要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种导航设备测试系统，其特征在于：包括管理控制单元，还包括信号采集单元、数据存储单元、导航信号生成单元和激励生成单元，其中采集的信号存储到存储单元，在回放时从存储单元读取数据并控制激励生成单元生成物理的测试激励给被测导航设备进行测试。
2.一种导航设备测试系统，其特征在于：包括管理控制单元，还包括卫星导航信号采集单元，载体姿态信号采集单元，载体加速度信号采集单元，标准运动状态解算单元，数据存储单元，信号生成单元和时间同步单元，其中，采集单元采集实际测试环境下各种测试激励信号，由标准运动状态解算单元根据各采集单元采集的测试激励信息解算得到标准运动状态数据；数据存储单元存储各采集单元采集的测试激励信息和标准运动状态解算单元解算得到的标准运动状态数据；在需要利用采集回来的数据进行重放时，则由信号生成单元从数据存储单元读取各种测试激励数据，并将其恢复为物理的测试激励信号，提供给被测设备；将被测导航设备输出的运动状态数据与标准运动状态解算单元解算的标准运动状态数据相比较以评价被测导航设备的性能。
3.根据权利要求2所述的导航设备测试系统，其特征在于：所述载体姿态采集单元和载体运动加速度采集单元，分别用于采集载体姿态数据和载体运动加速度数据。
4.根据权利要求2所述的导航设备测试系统，其特征在于：所述数据存储单元包括卫星导航数据存储单元、姿态数据存储单元、加速度数据存储单元，分别用于存储对应的数据。
5.根据权利要求2所述的导航设备测试系统，其特征在于：所述信号生成单元包括导航信号生成单元、姿态激励生成单元、加速度激励生成单元。
6.根据权利要求2所述的导航设备测试系统，其特征在于：时间同步单元为各采集单元和信号生成单元提供时间同步信号，各采集单元利用时间同步信号为测试激励数据加上时标信息，该时标信息与测试激励数据一同被存储，并用于数据回放时的时间对齐。
7.根据权利要求2所述的导航设备测试系统，其特征在于：所述姿态激励生成单元为转台，所述被测设备安装于转台上。
8.一种导航设备测试方法，其特征在于采用权利要求1至7任一项所述的系统进行测试，其中，具体测试方法为包括数据采集记录阶段、数据回放阶段和数据分析评估阶段。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述数据采集记录阶段包括在外场实际环境下，以飞行器作为载体，将测试系统固定安装于载体上，选择在不同时段、不同对流层、电离层条件下，飞行器以不同速度、加速度、姿态飞行，测试系统的各采集单元同步采集飞行阶段不同条件下的各种测试激励数据，并由标准运动状态解算单元解算出标准运动状态数据，经实时处理和传输，形成真实测试场景文件，存放于各数据存储单元。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于：数据分析评估阶段：测试系统采集被测设备在回放测试激励下的运动状态数据输出，与标准运动状态解算单元解算出的标准运动状态数据相比较，以评估被测设备是否能够满足飞行器不同环境、动态等条件下的导航技术指标要求。
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