CN109917672B

CN109917672B - 一种导航与控制环路的半实物仿真系统及方法

Info

Publication number: CN109917672B
Application number: CN201910250334.7A
Authority: CN
Inventors: 吴舜晓; 史鹏亮; 朱文慧; 李廷立; 杜蒙杉
Original assignee: 93216 Troops Of Chinese Pla
Current assignee: 93216 Troops Of Chinese Pla
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109917672A

Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种导航与控制环路的半实物仿真系统及方法。该系统包括仿真服务器、软无平台和卫星导航接收机；所述仿真服务器与软件无线电信号收发平台通过PCIE线缆连接，所述卫星导航接收机与软无平台通过射频线缆连接，所述卫星导航接收机与仿真服务器通过串口连接。在仿真服务器上，运行有具有硬实时性能的子操作系统，同时还运行自主运动控制、导航卫星数学仿真和中频信号生成等软件，完成导航与控制全环路的闭环仿真处理。本发明仿真方法，系统初始化后，由软件生成数字中频信号，通过PCIE总线将数字中频信号传送到软无平台上进行D/A和上变频处理后得到的射频信号，传输到待测试的卫星导航接收机上。

Description

一种导航与控制环路的半实物仿真系统及方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种对导航定位设备与载体的自动运动控制所构成的环路进行半实物仿真的系统及方法。

背景技术

近年来，卫星导航技术已经在无人机等无人系统中得到较广泛应用，在此类应用中卫星导航设备输出的定位、测速等导航信息直接输出给载体的自主运动控制单元，再由运动控制单元产生控制载体运动状态的各类操作，由此构成一个闭合的控制环路。无人系统的自主导航能力取决于上述导航与控制环路的功能与性能，目前测试和验证此环路的方法通常包括两个方面：一是将导航设备采用理想化的模型替代和运动控制软件在一起进行纯软件仿真验证；二是让载体实际运动起来，通过实际运动试验进行测试和验证。纯软件仿真方法存在对卫星导航设备建模不准确，难以模拟存在欺骗干扰、多径干扰等复杂电磁环境时接收机的行为和性能，而实际的全实物试验需要载体配合，实施成本高，且可控制性较差。目前单纯对卫星导航设备的测试和验证已有较好的仿真模拟手段，通常采用卫星导航信号模拟源在实验室产生能反映载体运动、多径和干扰环境的射频信号，从而模拟测试接收机在复杂电磁和动态环境下的性能。然而，现有的卫星导航信号模拟源通常是根据预设的固定运动轨迹产生导航信号，或者是通过实时闭环接口从外部输入载体的运动轨迹，响应运动轨迹变化的时延较大，不能有效地对导航和控制全环路进行半实物的仿真验证。

因此，亟需构建一种能够同时运行运动控制仿真和卫星导航信号模拟的、可提供导航信号给实际卫星导航接收机的半实物仿真系统，以有效支撑对导航和控制全环路的仿真验证。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种导航与控制环路的半实物仿真系统及其实现方法。通过在一台带有GPU和具有硬实时性能的子操作系统的高性能仿真服务器上运行自主运动控制、导航卫星数学仿真和中频信号生成等软件，完成导航与控制全环路的闭环仿真处理。同时，仿真软件将通过高速PCIE接口实时地将生成的中频信号传送到通用软件无线电信号收发平台上，然后由软件无线电信号收发平台变频得到可由实物接收机接收的射频信号；实物接收机再将定位、测速等导航信息通过通用串口反馈到仿真服务器上。具体采用以下技术方案：

一种导航与控制环路的半实物仿真系统，所述系统包括仿真服务器、软件无线电信号收发平台(下文简称：软无平台)和卫星导航接收机；所述仿真服务器与软件无线电信号收发平台通过PCIE线缆连接，所述卫星导航接收机与软无平台通过射频线缆连接，所述卫星导航接收机与仿真服务器通过串口连接；

所述仿真系统的系统时间由软件无线电信号收发平台中的一个位宽为64的计数器TsCnt维持，该计数器由D/A采样时钟驱动，即设D/A采样时钟的频率为F_s，则对应的仿真持续时间为

仿真服务器采用固定的步长进行仿真处理，设仿真步长为T，同时通过PCIE总线传送的A/D数据和D/A数据，可打上从TsCnt获得的精确时戳；

所述仿真服务器安装有自主运动控制软件、导航卫星数学仿真软件和数字中频信号生成软件，仿真服务器通过PCIE线缆实现对软件无线电信号收发平台的操作控制、对A/D数据的读取、对D/A数据的写入；

所述软件无线电信号收发平台用于将仿真服务器生成的数字中频信号变换为射频信号；

所述卫星导航接收机用于接收射频信号，并将导航信息通过串口反馈到仿真服务器上。

本发明还提供了一种导航与控制环路的半实物仿真方法，采用上述仿真系统，具体包括以下步骤：

(S1)系统初始化：设TsCnt表示计数器值，仿真服务器通过PCIE总线将软件无线电信号收发平台的TsCnt置为0且停止计数，待仿真服务器上的各软件完成初始化操作，并设置仿真步数k初始值为0后，控制TsCnt开始计数；

(S2)仿真服务器控制软无平台在等待TsCnt增长到(k+1)*T*F_s后，发送在此时刻采集的1个A/D采样数据，即发送时戳为(k+1)T的1个采样点的A/D数据到仿真服务器；

(S3)仿真服务器响应读A/D数据的中断，接收一个采样点的A/D数据，执行k＝k+1；

(S4)如果k>1，将仿真服务器在第(k-1)个仿真区间所生成的对应于第(k+1)仿真区间的数字中频信号组成一个数据包，并启动软无平台，将此数据包以DMA的方式搬移到软无平台中，并指定从(k+1)T时刻开始将数据包连续送入射频芯片，进行D/A处理后对外输出射频信号；否则，跳转至步骤(S5)；

(S5)仿真服务器上的软件根据用户设定的载体运动规划、运动模型，结合接收机通过串口提供的导航信息计算得到(k+2)T时刻的载体运动轨迹参数，同时通过对导航星座的仿真计算出(k+2)T时刻各导航卫星的运动状态；

(S6)根据(k+2)T时刻载体运动轨迹参数、卫星的运动状态和导航卫星星历，计算出对应于第(k+2)仿真区间的数字中频信号，且在此计算过程中充分利用服务器上的GPU资源实现加速，在GPU程序中采用memory map的映射方式，使GPU生成的数据直接写入到仿真服务器的锁页内存中，使GPU生成的数字中频信号直接存储在仿真服务器的内存中，减少了CPU与GPU之间的数据复制操作；

(S7)判断当前仿真时刻是否到达设定的结束时刻，若到达则结束仿真，否则回到步骤(S2)继续进行下一个仿真区间的仿真处理。

本仿真系统采用软件无线电思想进行设计，D/A处理所需的数据全部由仿真服务器上的软件计算得到。为保证射频信号的实时输出可被导航接收机接收，要求仿真服务器具备在不超过一个仿真步长T的时间内计算出对应一个仿真区间的数字中频信号的能力。一个仿真区间的数字中频信号具有的采用点数目为F_s*T，由于采用率F_s通常为50MHz、100MHz等较大的数，一个仿真区间内需要计算的D/A采样点数也较大，在服务器上只使用CPU资源达不到上述计算能力要求。为此，本仿真系统通过使用GPU加速计算来满足上述计算能力要求，即在仿真处理时，由GPU来实现根据各可见卫星的电文数据、伪距、伪距变化率、信号强度等参数计算得到数字中频信号的处理。为了克服GPU不能直接通过服务器的PCIE总线操作软无平台的问题，需提前2个仿真步长启动GPU进行计算，即：在第k个仿真区间，GPU完成第(k+2)个仿真区间的数字中频信号的计算，并将其存储在CPU的内存中，在第(k+1)个仿真区间则完成前一个仿真区间生成的对应于第(k+2)个仿真区间的数字中频信号从CPU内存到软件无线电信号收发平台的搬移，如此可确保在第(k+2)个仿真区间时，对应该区间的数字中频信号已经在软无平台的缓存区中，可确保有有效的数据进行D/A转换。上述计算、搬移和D/A转换是按照流水的方式并发执行的，即在第k个仿真区间时，该区间的数字中频信号正在进行D/A转换，与此同时第(k+1)个区间的数字中频信号正在执行搬移操作，第(k+2)个区间的数字中频信号正在由GPU计算产生。

为了更好理解本发明技术方案，下面对系统相关原理作进一步介绍。

软件无线电信号收发平台，主要由射频前端芯片(包括上下变频的射频链路、数模转换(D/A)电路、模数转换(A/D)电路)和实现信号和接口处理的FPGA构成。由在FPGA内部的可编程逻辑电路实现对PCIE总线接口的转换，通过接口转换实现的功能包括：1)仿真服务器可以实现对射频前端芯片的参数配置和工作模式控制；2)将待进行D/A转换的数字中频信号存储在由存储器构成的缓存区中(即：D/A数据)，根据控制命令从指定的时刻开始将按照射频芯片的时序要求输出给射频芯片以进行D/A转换；3)按照射频芯片的时序要求，接收其进行A/D转换所得到的数字中频信号，并存储到由存储器构成的缓存区中(即：A/D数据)，并可根据控制命令，将存储在缓存区中的A/D数据通过PCIE总线发送到服务器的内存系统中。在仿真服务器的硬实时子系统上有与软无平台对应的驱动层软件，通过驱动软件与软无平台FPGA的配合，使得在应用程序端看来，软无平台就是3个可以进行数据读写操作的数据通道。第一个通道为控制数据通道，该通道为可读写的通道，服务器将控制采样率，链路的衰减值，本振频率等参数以控制命令数据包的形式写入该通道，再由软无平台做出相应的控制响应，同时仿真服务器可以从该通道读取控制数据包，这些数据包可实现控制命令回执，查询平台的相关状态和参数的功能。第二个通道为A/D数据读取通道，该通道为只读通道，可以将从指定时刻处开始的指定长度的A/D采样数据打包为一个数据包发送给仿真服务器。第三个通道为D/A数据发送通道，该通道为只写通道，可以接收指定长度的待转换为模拟信号的数字中频信号，并从指定的时刻开始进行D/A转换。通过PCIE总线发送或接收完一个数据包以后，都会在PCIE总线上产生MSI类型的中断。

整个仿真系统所使用的时间由软无平台内部的高稳定度频率源产生，即由此频率源产生D/A转换和A/D转换所需的采样时钟，同时还产生上下变频所需的本振信号，设D/A采样时钟的频率为F_s。通过在软无平台的FPGA上维持一个由D/A采样时钟驱动的64位的计数器来表示仿真系统的时间，A/D接收数据包和D/A发送数据包的收发时刻都是参考的TsCnt的取值，将A/D数据和D/A数据的收发时刻精确地以采样时钟个数为最小单位进行控制。为进行仿真处理，需对连续时间进行等间隔的离散化处理，设仿真步长为T，第k个仿真区间所对应的时间起止范围为：从kT至(k+1)T，为保证离散化以后的环路与实际模拟环路差异较小，T通常取1ms、2ms、5ms等较小数值。由于软无平台在仿真时间到达kT后会立即发起数据传输，且硬实时子系统响应MSI类中断的时间不超过2微秒，由此确定接收完A/D数据之后的时刻是kT之后2微秒以内。

为确保仿真的实时性和可以连接接收机实物，仿真服务器上调度软件无线电信号收发平台的软件运行在一个具有硬实时性能的子系统上。为使上述方法能够正常执行，需要PCIE接口在不超过T的时间内完成D/A数据的传送，同时还要求软件进行运动模型仿真、卫星轨道仿真和GPU生成数据的全部处理时间加起来不超过T，同时还可以看出整个环路的处理时延为2T，即从运动控制模型改变载体的运动状态到这种运动状态的改变体现到生成的射频信号上所需的时间为2T。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的仿真系统充分利用了GPU强大的并行计算能力，硬件结构简单，连接关系简洁紧凑，采用了软件无线电的设计思想，只需一台服务器和一个通用的软件无线电信号收发平台即可为实际卫星导航接收机提供实际的射频信号，实现将卫星导航接收机实物纳入导航和控制的仿真环路中，实现半实物仿真。

2、首次实现了在同一平台上对导航和运动控制所构成的环路进行软件仿真，环路的更新间隔最小可支持1ms，环路的处理时延最小可达到2ms，能较好地模拟真实的导航与控制环路，可对无人系统在整个任务阶段的导航与控制情况进行仿真，可方便地在实验室条件下对运动控制和导航定位的相关设计进行测试和验证。

3、本发明的半实物仿真系统以软件为主，具有良好的开放性和扩展性，很容易适应多种载体的自动运动控制模型，也支持对惯性器件、无线电高度表等传感器的建模，进而扩展到可实现对惯性卫星等组合导航进行仿真测试和验证。

附图说明

图1为本发明实施例所示的仿真系统示意图；

图2为本发明实施例所示的仿真系统软件运行流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1所示为本发明系统示意图，一种导航与控制环路的半实物仿真系统，包括一台带有GPU的高性能仿真服务器、一个由FPGA和射频芯片构成的通用软件无线电信号收发平台和一台卫星导航接收机。在仿真服务器上，运行具有硬实时性能的子操作系统，同时还运行自主运动控制、导航卫星数学仿真和中频信号生成等软件，完成导航与控制全环路的闭环仿真处理。与通常的卫星导航信号模拟源不同，本系统采用软件无线电的设计思路，直接由软件生成数字中频复信号，通过高速的PCIE总线将数字信号传送到软无平台上，由软无平台进行D/A和上变频处理后，得到的射频信号通过射频线缆传输到待测试的卫星导航接收机上。

本实施例中，所述仿真服务器的型号为惠普的Z840型台式服务器，配置有一颗英伟达公司的型号为QuroM5000的GPU专用于加速数字中频信号生成，内存大小为32G Byte，CPU一共有12个核心。服务器上使用的操作系统为64位的Win7系统，在此基础上通过安装IntervalZero公司的RTX3.0软件，开辟了一个占用7个CPU核心的硬实时地子系统。软无平台选用威视锐公司的型号为Y410的平台，包括一片FPGA和AD9361射频芯片，PCIE接口采用了Gen2X4设计，理论传输速率可达到5G bit/s。将A/D和D/A的采样率都设置为50MHz，在BDS的B3频点进行信号的模拟(信号带宽为20MHz)，传送的复数字信号的I、Q部分(实部、虚部)都是位宽为16的有符号整数。

按照如图2所示的仿真流程，根据现有技术，设计了自主运动控制软件、导航卫星数学仿真软件、中频信号生成软件、底层驱动软件和包括用户界面的整体调度软件。自主运动控制软件的功能是实现对载体自主运动控制的建模和仿真，即在对载体建立动力学和运动学模型的基础上，将待调试和测试的自主运动控制功能也集成进来，以实现根据导航接收机反馈的导航信息实时地推算出载体的运动轨迹。导航卫星数学仿真软件的功能是对导航卫星星座进行建模和数学仿真，计算得到各导航卫星的位置、速度，生成各卫星的导航电文，在此基础上再得到对应于卫星的伪距、伪距变化率、信号功率等生成数字中频信号相关的参数。中频信号生成软件的功能是根据导航卫星数学仿真软件提供的参数，调用GPU资源，快速地生成数字中频信号。底层驱动软件的功能是在硬实时子系统上，实现对软件无线电信号收到平台及其他硬件设备的底层操控。整体调度软件的功能是实现对上述各软件的整体调度和实现对仿真系统进行操作的用户界面和接口。

在上述软件中，需要实时响应的部分都在硬实时地子系统上运行，其余的软件功能部分仍然运行在Windows系统下。由于卫星导航接收机输出的定位测速结果，传送到仿真服务器时有较大时延，在自主运动控制软件中使用此数据进行反馈时，进行了标定时延和外推及插值等处理，确保在控制环路中可估计在每个kT时刻载体的位置。根据测试结果表明，在本实施例中，读取一个采样点的A/D数据所需时间小于4us，完成1ms的数据包(大小为4Byte*1ms*50M＝200K Byte)的传送，所需时间不超过0.5ms，通过优化GPU程序的代码实现，在GPU上模拟100个B3单频点信号生成通道时，生成1ms的中频数据所需时间不超过0.6ms，达到了实时生成射频信号的实时性要求。因此，在本实施例中，设定的仿真步长为T＝1ms，即可以实现对仿真环路按照1KHz的频度进行更新，从而使得环路的总响应延时为2ms，很好地实现了高度逼真的半实物实时仿真。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种导航与控制环路的半实物仿真方法，采用导航与控制环路的半实物仿真系统，其特征在于，所述系统包括仿真服务器、软件无线电信号收发平台和卫星导航接收机；所述仿真服务器与软件无线电信号收发平台通过PCIE线缆连接，所述卫星导航接收机与软件无线电信号收发平台通过射频线缆连接，所述卫星导航接收机与仿真服务器通过串口连接；所述仿真服务器安装有自主运动控制软件、导航卫星数学仿真软件和数字中频信号生成软件，仿真服务器通过PCIE线缆实现对软件无线电信号收发平台的操作控制、对A/D数据的读取和对D/A数据的写入；所述软件无线电信号收发平台用于将仿真服务器生成的数字中频信号变换为射频信号；所述卫星导航接收机用于接收射频信号，并将导航信息通过串口反馈到仿真服务器上；所述仿真服务器为带有GPU和具有硬实时性能子操作系统的高性能仿真服务器；仿真服务器具备在不超过一个仿真步长的时间内计算出对应一个仿真区间的数字中频信号的能力；具体包括以下步骤：

(S2)仿真服务器控制软件无线电信号收发平台在等待TsCnt增长到(k+1)*T*F_s后，发送在此时刻采集的1个A/D采样数据到仿真服务器，T表示仿真步长，F_s表示D/A采样时钟的频率；

(S4)如果k>1，将仿真服务器在第(k-1)个仿真区间所生成的对应于第(k+1)仿真区间的数字中频信号组成一个数据包，并启动软件无线电信号收发平台，将此数据包以DMA的方式搬移到软件无线电信号收发平台中，并指定从(k+1)T时刻开始将数据包连续送入射频芯片，进行D/A处理后对外输出射频信号；否则，跳转至步骤(S5)；

(S6)根据卫星和载体在(k+2)T的运动状态和导航卫星星历，计算出对应于第(k+2)仿真区间的数字中频信号，在GPU程序中采用memory map的映射方式，使GPU生成的数据直接写入到仿真服务器的锁页内存中；

(S7)判断当前的仿真时刻是否到达设定的结束时刻，若到达，则结束仿真，否则回到步骤(S2)继续进行下一个仿真区间的仿真处理。