CN1330936C

CN1330936C - 一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统

Info

Publication number: CN1330936C
Application number: CNB2006100894372A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 全伟; 徐帆; 刘百奇; 盛蔚; 杨胜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: CN1869589A

Abstract

一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，包括捷联惯性子系统、天文子系统、组合导航终端、轨迹发生终端、演示验证与评估终端，采用轨迹发生终端生成标称轨迹数据，作为信息处理参考源输入给天文子系统和组合导航终端；天文子系统采用ARM(或DSP)+液晶光阀的星图模拟器和CMOS(或CCD)敏感器件+DSP(或ARM)的星敏感器构成；组合导航终端由DSP(或ARM)实现，并行接收惯性和天文子系统的输出数据，完成高精度组合导航；最后利用以ARM(或DSP)处理器为核心的控制终端，根据标称轨迹数据和组合导航结果，实现系统的演示验证和评估。本发明有效降低组合导航系统的试验成本，缩短研制周期，这对研究组合导航系统的动态性能和工程应用具有重要理论和实践意义。

Description

一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及一种组合导航半实物仿真系统，适用于捷联惯性/天文组合导航系统的理论方法和工程应用技术的研究，以及组合导航系统的性能验证。

背景技术

进入21世纪，随着信息技术的快速发展，航空航天技术逐渐向智能化、高效化和隐形化等方向飞速迈进。高精度的导航技术作为实现远程精确打击的核心技术之一，是研制高精度导航系统，为现代飞行载体提供高精度运动状态信息必须突破的主要技术瓶颈。目前，远程、长航时飞行载体的高精度导航，无法依靠任何一种导航手段独立实现(成本高且可靠性差)；纯惯性导航系统能够自主、实时提供全面导航信息，短时精度高，但其误差随工作时间积累，难以满足远程、长时间高精度导航要求；天文导航能够提供高精度姿态信息，但易受气候条件限制；卫星导航系统能够全天候、实时提供三维位置、速度信息，但导航信息不连续，不能提供姿态信息，且易被干扰。因此，将多种导航方式有机结合，充分发挥各自优势，进行组合导航，是实现高精度导航的必由之路。但我国目前还没有功能完备的卫星导航系统，若依赖GPS与GLONASS，平时是不可靠的，战时是危险的。因而研究惯性/天文组合导航系统对我国实现远程、长航时飞行载体的高精度导航具有重要意义。

我国在工程应用中大都是平台惯性/天文组合导航系统，不但成本高、体积大，而且结构复杂。捷联惯性/天文组合导航系统作为发展方向，各国都投入了大量的精力进行深入研究。在捷联惯性/天文组合导航系统的研制过程中，由于飞行实验费用大，各子系统的地面调试，算法的实验测试，以及组合导航系统的演示验证与评估，不可能都通过实时飞行测试完成。因此为检验算法的性能，器件调试及组合导航的数学仿真、半实物仿真、演示验证与评估，以及加快组合导航系统样机研制的周期，降低成本，提高效率等方面出发，构建一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统是解决以上问题最为有效的途径。国外在此方面起步较早，上世纪60年代，美国就在U-2高空侦察机和B-2高空侦察机上采用了平台惯性/天文组合导航技术，但这种平台惯性/天文组合导航的缺点是成本较高，结构设计复杂。80年代，美国已将捷联惯性/天文/卫星组合导航技术应用于“全球鹰”无人机，虽然含有捷联惯性/天文组合导航系统，但存在体积大、实时性和时间同步差的缺点，且没有实验室用功能完备的捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统。国内SINS/GPS组合导航系统已经得到了较好应用。专利申请号为200610011580.X中提出了一种SINS/CNS/GPS组合导航半实物仿真系统，但存在两个问题：(1)GPS不为我国所拥有，平时不可靠，战时危险；(2)其中的SINS/CNS组合导航半实物仿真系统仅仅是将由计算机实现的SINS和CNS系统简单的通过串口连接，不但体积大、精度低、实时性差，而且时间同步性差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种成本低、体积小、实时性强的捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统。

本发明的技术解决方案是：一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，包括捷联惯性子系统(1)、天文子系统(2)、组合导航终端(3)、演示验证与评估终端(4)、轨迹发生终端(5)，其中天文子系统(2)由星图模拟器(21)和星敏感器(22)组成，轨迹发生终端(5)生成标称轨迹数据分别输出至组合导航终端(3)、演示验证与评估终端(4)及天文子系统(2)的星图模拟器(21)中，作为它们信息处理的参考源来统一规范输入，使惯性、天文子系统实时同步运行；星图模拟器(21)根据标称轨迹数据生成星图，由星敏感器(22)敏感星图后，进行实时快速的星图预处理和匹配识别算法以及高精度定姿，完成星敏感器精确快速的姿态输出；组合导航终端实时并行采集捷联惯性子系统(1)和天文子系统(2)真实器件的输出姿态数据，通过数据平滑处理得到组合滤波所需的子系统真实误差特性数据，经信息同步处理叠加到轨迹发生终端(5)生成的标称轨迹数据上，通过先进最优滤波算法，实现高精度的组合导航；演示验证与评估终端(4)根据轨迹发生终端(5)生成的标称轨迹数据和组合导航终端(3)输出数据，实现系统的演示验证和评估，并根据验证和评估结果进行系统改进和优化，实现系统最优性能。

其中CNS子系统中的星图模拟器主要由ARM(或DSP)处理器、液晶光阀、平行光管和显示设备组成；其中装有基本恒星星表，高精度星图生成软件；ARM(或DSP)处理器根据星敏感器在载体上的安装矩阵和轨迹发生终端生成的轨迹数据，解算出星敏感器光轴的指向，结合星敏感器的视场，求解出当前光轴指向和此视场下的导航星，经过坐标转换完成星图的生成，同时利用ARM(或DSP)处理器易于控制的优点，实现星图的直观显示；此显示的信号通过高分辨率液晶光阀和平行光管，最后完成无穷远处平行星光的模拟。

其中CNS子系统中的星敏感器主要由CMOS(或CCD)敏感器件、DSP(或ARM)+CPLD组成；其中装有小容量、有序的导航星库，实时快速的星图预处理和匹配识别算法以及高精度定姿算法；采用运算精度高、处理速度快的浮点型DSP(或ARM)，完成星敏感器精确快速的姿态输出；最后通过软硬件设计实现处理器以高位存取方式访问存储器的功能，并利用此功能来加速星敏感器的上电初始化。

本发明的原理是：利用轨迹发生终端生成标称轨迹数据，输出给天文子系统中的星图模拟器、组合导航终端和演示验证与评估终端，作为它们信息处理的参考源来统一规范输入，使惯性、天文子系统实时同步运行，组合导航信息实时准确，有效提高了组合导航精度和演示验证与评估质量；在天文子系统的构建上，采用高精度星图模拟终端(ARM(或DSP)、液晶光阀、平行光管等)和高精度星敏感器(CMOS(或CCD)敏感器件、DSP(或ARM)+CPLD等)；组合导航终端由DSP(或ARM)+FPGA(或CPLD)构成，接收惯性和天文子系统输出的数据，完成高精度组合导航；最后使用以ARM(或DSP)处理器为核心的控制终端并配有显示设备，根据标称轨迹数据和组合导航输出数据，实现系统的演示验证和评估。

本发明与现有技术相比的优点在于：保留了传统平台惯性/天文组合导航算法简单，易于参数设置和优化，以及工程实现技术成熟的优点，用于组合导航系统在算法功能上的实现和优化，同时又克服了传统系统成本高、体积大、研发周期长及实时性较差的缺点，构建了一种惯性、天文子系统全捷联工作模式的组合导航半实物仿真系统。本发明的特点在于：(1)采用轨迹发生终端生成标称轨迹数据，作为各模块信息处理的参考源来统一规范输入来有效提高组合导航精度和演示验证与评估质量；(2)针对各模块功能需求，采用具有处理速度快、控制能力强等显著特点的处理器芯片，实现系统的小型化和一体化设计；(3)为提高实时性，组合导航时采用并行采集惯性、天文子系统输出数据方式，并利用子系统真实器件数据通过平滑处理得到其真实误差特性数据，实现高精度的半实物组合导航；(4)增加了惯性/天文组合导航的演示验证与评估功能，具有演示验证初始化、导航显示、载体飞行模拟、导航误差曲线实时显示以及评估结果生成等模块，可有效地降低组合导航系统的试验成本，缩短其研制周期，这对研究组合导航系统的动态性能、系统特性和工程应用等具有重要理论和实践意义。

根据轨迹发生终端生成的标称轨迹数据和组合导航终端输出数据，实现系统的演示验证和评估，来有效地降低组合导航系统的试验成本，缩短其研制周期，这对研究组合导航系统的动态性能、系统特性和工程应用等具有重要理论和实践意义。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明的软件流程图；

图4为本发明的组合导航终端的捷联解算算法和基于先进最优滤波算法的组合导航软件流程图；

图5为本发明的演示验证与评估终端软件流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由捷联惯性子系统1、天文子系统2、组合导航终端3、演示验证与评估终端4、轨迹发生终端5组成，捷联惯性子系统1主要包括光纤IMU、A/D采集模块和DSP处理器，装有数据预处理软件，输出100Hz的IMU数据；天文子系统2包括星图模拟器21和星敏感器22，星图模拟器21主要由ARM9TDMI系列处理器211、液晶光阀212、平行光管213和显示设备214组成，其中装有J2000基本星表，高精度星图生成软件；ARM处理器根据星敏感器在载体上的安装矩阵和轨迹发生终端生成的轨迹数据，解算出星敏感器光轴的指向，结合星敏感器的视场，求解出当前光轴指向和此视场下的导航星，经过坐标转换完成星图的生成，同时利用ARM处理器易于控制的优点，实现星图的直观显示；此显示的信号通过高分辨率液晶光阀和平行光管，最后完成无穷远处平行星光的模拟。星敏感器22主要由CMOS敏感器件221、DSP+CPLD 222组成，其中装有小容量、有序的导航星库，实时快速的星图预处理和匹配识别算法以及高精度定姿算法；DSP处理器采用浮点型TMS320C6000系列，利用其处理速度快，运算精度高等优点，完成星敏感器精确快速的姿态输出，实现DSP处理器以16位存取方式访问存储器的功能，并利用此功能来加速星敏感器的上电初始化。组合导航终端3主要由DSP+FPGA组成，装有高效的捷联解算算法和基于先进最优滤波算法的组合导航软件；它接收来自惯性子系统和天文子系统的输出数据，完成高精度组合导航；DSP处理器采用浮点型TMS320C6000系列，利用其运算精度高、处理速度快的特点，实现快速的捷联解算和组合导航；同时DSP处理器访问存储器设计为16位的存取方式，实现组合导航终端的快速初始化和对存储器的快速存取；为了达到数据快速采集和处理的目的，采用FPGA处理芯片实现惯性、天文子系统输出信号的并行采集、预处理和微秒级信息同步。演示验证与评估终端4主要由ARM9TDMI处理器和显示设备实现，装有捷联惯性/天文组合导航计算机仿真软件、半实物仿真软件和演示验证与评估软件；具有数学仿真、半实物仿真和数学/半实物混合仿真的评估功能，每个功能都包含演示验证初始值设置、导航显示、载体飞行模拟、导航误差曲线实时显示以及评估结果生成等模块；它根据轨迹发生终端生成的标称轨迹数据和组合导航终端输出数据，实现系统的演示验证和评估。

如图2所示，本发明的一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，其功能实现为：初始化星图模拟参数和轨迹发生终端参数，根据轨迹参数生成各子系统标称轨迹数据；利用此标称数据计算求解出对应捷联惯性子系统的标称数据和星图模拟器的光轴指向数据；接收静态SINS数据，去除均值后叠加到求解的SINS子系统的标称数据上，将其作为具有真实误差特性的SINS输出数据，通过捷联解算求解出速度、位置和姿态；利用生成的光轴指向数据产生特定视场下的星图图像，通过星敏感器敏感，星图处理、匹配识别和姿态确定，完成载体姿态的输出；组合导航终端接收惯性、天文的输出数据，根据组合逻辑对信号进行时间同步预处理，并完成组合滤波；演示验证与评估终端根据轨迹发生终端生成的标称轨迹数据和组合导航终端输出数据，实现系统的演示验证和评估，并根据验证和评估结果不断的进行系统改进和优化，实现系统最优性能。

如图3所示，本发明的软件流程，首先进行系统软硬件的初始化，设置组合导航及验证与评估参数，之后接收SINS数据，如果数据有效，进行工作模态判断，否则等待接收下一条SINS数据；判断是组合模式还是纯捷联解算模式，如是组合模式，则接收CNS数据，进行自适应滤波实现组合导航，完成反馈校正；否则直接进行纯捷联解算实现捷联惯性导航；后进行导航信息的实时演示验证；并判断数据是否接收完毕，如没有则继续接收下一条SINS的数据；否则进行组合导航系统的评估；评估结果如没有满足要求，则调整和优化整个系统的参数，进行下一次的验证和评估，否则生成评估报告，软件流程结束。

如图4所示，本发明的组合导航终端3的捷联解算算法和基于先进最优滤波算法的组合导航软件流程，首先读取SINS数据，通过捷联解算算法求解载体在导航坐标系下的位置、速度和姿态信息；同时读取CNS数据，求解出载体高精度的姿态信息；后根据这两路数据计算载体的姿态误差，进而求解出平台的姿态误差角；最后利用先进的最优滤波方法(UKF或UPF)，并结合平台的姿态误差角，估计出载体在导航坐标系的位置、速度和姿态信息，完成组合导航。

如图5所示，本发明演示验证与评估终端4的流程，首先是演示验证与评估初始化，后根据接收的导航信息数据实时进行显示和实时进行载体飞行的模拟，再结合标称轨迹数据，完成导航误差曲线的实时显示和飞行轨迹验证，最后针对形成的组合导航验证结果序列，采用误差标准差和误差均方差两种方法进行组合导航性能的评估。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1、一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，包括捷联惯性子系统(1)、天文子系统(2)、组合导航终端(3)、演示验证与评估终端(4)、轨迹发生终端(5)，其中天文子系统(2)由星图模拟器(21)和星敏感器(22)组成，轨迹发生终端(5)生成标称轨迹数据分别输出至组合导航终端(3)、演示验证与评估终端(4)及天文子系统(2)的星图模拟器(21)中，作为它们信息处理的参考源来统一规范输入，使惯性、天文子系统实时同步运行；星图模拟器(21)根据标称轨迹数据生成星图，由星敏感器(22)敏感星图后，进行实时快速的星图预处理和匹配识别算法以及高精度定姿，完成星敏感器精确快速的姿态输出；组合导航终端实时并行采集捷联惯性子系统(1)和天文子系统(2)真实器件的输出姿态数据，通过数据平滑处理得到组合滤波所需的子系统真实误差特性数据，经信息同步处理叠加到轨迹发生终端(5)生成的标称轨迹数据上，通过先进最优滤波算法，实现高精度的组合导航；演示验证与评估终端(4)根据轨迹发生终端(5)生成的标称轨迹数据和组合导航终端(3)输出数据，实现系统的演示验证和评估，并根据验证和评估结果进行系统改进和优化，实现系统最优性能。

2、根据权利要求1所述的一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，其特征在于：所述的星图模拟器(21)主要包括ARM或DSP处理器(211)、液晶光阀(212)、平行光管(213)和显示设备(214)，ARM或DSP处理器根据星敏感器在载体上的安装矩阵和轨迹发生终端(5)生成的轨迹数据，解算出星敏感器光轴的指向，结合星敏感器的视场，求解出当前光轴指向和此视场下的导航星，经过坐标转换完成星图的生成，并通过液晶光阀(212)实现星图的直观显示，此直观显示的星图信号通过平行光管(212)后输出，完成无穷远处平行星光的模拟。

3、根据权利要求1所述的一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，其特征在于：所述的星敏感器主要由CMOS或CCD敏感器件、DSP或ARM+CPLD组成，DSP或ARM根据CMOS或CCD敏感器件输出的星图数据，进行实时快速的星图预处理和匹配识别算法以及高精度定姿，完成星敏感器精确快速的姿态输出。

4、根据权利要求1所述的一种捷联惯性/天文组合导航半实物仿真系统，其特征在于：所述的先进最优滤波算法为UKF或UPF。