CN1361408A - 实时惯性测量装置模拟器 - Google Patents

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CN1361408A CN 00137728 CN00137728A CN1361408A CN 1361408 A CN1361408 A CN 1361408A CN 00137728 CN00137728 CN 00137728 CN 00137728 A CN00137728 A CN 00137728A CN 1361408 A CN1361408 A CN 1361408A
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Abstract

一运载体航电系统的惯性测量装置(IMU)之实时惯性测量装置模拟器包含:一6DOF飞行模拟器;一IMU计算机;一6DOF(Degree of Freedom)接口,该6DOF接口连接于该6DOF飞行模拟器和该IMU计算机之间,用以将飞行轨迹数据从6DOF飞行模拟器传送到该IMU计算机;其中,该IMU计算机接收飞行状态数据;计算IMU模拟数据,输出该IMU模拟数据到一IMU信号产生电路板,该IMU信号产生电路板用以接收该IMU模拟数据,产生IMU信号,并将该IMU信号馈入该航电系统。

Description

实时惯性测量装置模拟器
本发明系有关于一惯性测量装置模拟器，详而言之，是一个实时惯性测量装置(InterialMeasurement Unit，IMU)模拟器(Real-Time IMU Simulator)，为全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)接收机/惯性导航系统(Interial Navigayion System，INS)提供惯性测量模拟。
一个典型的GPS/INS组合系统，如第1图所示。GPS接收机和IMU是组合系统的两个主要部件。GPS接收机接收来自GPS卫星的无线信号，而IMU产生自己的信号，因为它是自主的。从机载系统(Installed System)的地面测试(ground Test)观点来看，GPS接收机与IMU的模拟是很不相同的。通常使用一个实时GPS卫星星座无线电信号模拟器，产生GPS卫星信号，将之馈入GPS接收机。但是我们不能从外部给IMU馈入任何信号。一种机载系统地面测试的直接方法是使用一个飞行运动转台，用来提供在模拟飞行中，飞机和武器的运动。使用这种方法，GPS接收机能收到实际的GPS卫星的RF(Radoi Frequency)信号。IMU本身能产生动态惯性测量信号，因为它是在实际运动的。但是这种方法不是一个可行的方法，它需要大型的测试设备，成本昂贵，並且动态泛围受限制，数据采样也不方便。因而非常迫切需要一种为机载系统的动态地面测试的实时计算机模拟系统。
本发明的主要目的是研制和设计一个实时IMU模拟器的硬体和软体。实时IMU模拟器是机载系统的一种测试设备，它用来提供装入飞机或其它运载体的制导导航和控制(Guidance，Navigation，and Control，GNC)系统的最后整合。它能使测试者确定机载GNC系统在飞行试验之前是否正常工作。它有助于调试机载GNC系统，验证它的性能。在测试中，IMU模拟器从6DOP(Degree of Freedom，6自由度)飞行轨道产生器接收实时飞行数据，根据用户定义的IMU测量模型和误差模型，产生IMU电子信号。馈入机载系统的模拟的电子信号能使机载系统计算“以为”飞机在实际飞行。IMU模拟器对机载GNC系统的实验室硬体动态地面测试是一个非常有用的工具，同时它也能广泛用于军用和民用场合。本发明的另外一个目的在于提供一个实时IMU模拟器，其中开发了多种表达在不同坐标系内的IMU模型，这些坐标系包括：地心惯性坐标系(Earth-Centered Inertial CoordinateSystem，ECIZ)，地心坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed Coordinate System，ECEF)，导航坐标系(N系，当地地理)，对于不同的轨道参考坐标系。IMU测量模型有不同的数学形式。为了实现高精度的IMU模型，对地球的重力也建立了模型。本发明的另外一个目的在于提供一个实时IMU模拟器，其中，进行了IMU误差建模，並用实验系统进行了验证。在开发IMU误差模型软件时，除一般的IMU误差模型，也为特定的IMU传感器提供了特定的IMU误差模型。本发明的另外一个目的在于提供一个实时IMU模拟器，其中，一个高性能的PC计算机用以实现实时IMU模拟器，这样，在设计IMU模拟器时可以利用PC机非富的软件和硬件资源。软件设计采用模块化的设计方法，采用C/C++语言进行编程。Matlab/Simulink和Labview软件用以模拟和验证IMU模拟器的算法和软件。本发明的另外一个目的在于提供一个实时IMU模拟器，其中，基于对已有的IMU电子电路的分析，IMU的输出信号可分为以下几类。1)模拟信号，2)脉冲信号，3)並行数字信号或並行标准总线模拟，4)串行数字信号或並行数字信号模拟，基于IMU输出信号的分类，提出三种硬件设计。本发明的另外一个目的在于提供一个实时IMU模拟器，其中，模拟一个IMU模拟器的目的是：1)验证数学模型的正确性，2)选择合适的算法，3)分析计算误差，4)验证模拟的IMU信号的保真性(fidelity)。模拟模块是用Matlay/Simulink软件开发的。Marlab/Simulink程序模块可用Matlab/Simulink的一个码生成器生成相应的C语言模块。经过验验的模拟模块进一步可以验证为IMU模拟器开发的C/C++程序。混合使用Matlab/Simulink和labview软件也能产生实时的电子信号。如果一个INS系统拥有一DAC板和馈入信号连接器，产生的实时IMU信号，可被显示或馈入该INS系统。为达到上述目的，本发明采用了若干新技术，包括下列特点：正确和精确的IMU测量模型是IMU模拟器的关键之一。惯性传感器的物理和运动学原理决定了IMU的测量原理，它描述了IMU的理想输出和IMU的载体的运动之间的关系。如果一个实际的IMU被安装在飞机或武器上，它能测量飞机的运动，产生相应的测量信号。然而一个IMU模拟器必须根据6DOF飞行模拟器提供的轨迹数据，通过软件模型产生IMU的测量信号和数据。一但确定飞行任务，6DOF飞行模拟器能实时产生整个飞行任务的实时飞行状态。这样，便要求一个IMU模拟器的测量模型，用以产生理想的IMU输出。通常，一个轨迹产生器包含一个完整的6DOF运动学模型，它计算得出的状态向量完整地描述了模拟飞机的轨迹。典型地，飞行状态变量包括：1)时间2)平移的位置，速度和加速度3)旋转矩阵，角速率和角加速度由于飞行轨迹或状态可根据不同的任务要求和测试者的选择，表达在不同等坐标系内，这样也必须开发出表达在不同的坐标系下的一套IMU测量模型。在开发出的IMU测量模型中，选用了三种坐标系：地心惯心坐标系(ECIZ)，地心地球固计坐标系(ECEF)，导航坐标系(或当地地理坐标系N系)。在不同的坐标系下，IMU测量模型有不同的数学形式。IMU的误差模型是高保真模拟的基础。为了能够产生出与模拟的实际IMU相同的信号，模拟过程中必须保含IMU误差模型。在IMU模拟器中，IMU误差模型用以刻划IMU的精度，在地面模拟测试中，误差模型用来研究惯性传感器误差对INS/GPS导航系统的影向，IMU误差模型基于IMU不同等物理特性，通常采用不同的数学公式来建模IMU的误差特性，在IMU误差模型设计中，除了通用的误差模型之外，也为特定的传感器提供了特殊的误差模型，如环形激光陀螺(Ring Laser Gyro)和微机械(Microelectro mechanical)陀螺和加速度计。IMU模拟器的技术核心是IMU信号产生的硬体和软体设计，该IMU模拟器可以在一台高性能的PC计算机上实现，PC机的丰富的软件和硬件可便于配置IMU模拟器。由于在某一种功能实现中，存在软体设计和硬体设计之间的折衷，在基于PC机的设计中，为IMU模拟器设计了最优的软体和硬体整合结构。从硬体的观点来看，IMU模拟器分为三个部份：与6DOF飞行模拟器的接口；PC计算平台；插入式IMU信号产生板。6DOF飞行模拟器和PC机之间的接口将飞行状态数据从6DOF飞行模拟器传给PC机。根据具体的应用环境，这个接口可是多种类型的，如标准的RS-232C串行接口，RS-422串行接口，以太(Ethernet)纲接口，或MIL-STD-1553A/B接口。在IMU软件中，为上述4种接口提供了相应的软体支持。来自飞行模拟器的飞行状态数据包括：飞机位置，速度，姿态和加速度等变量。这些轨迹变量数据，可表达在不同等坐标系内，可被转换到希望的导航坐标系。另外6个飞行状态变量可从上述6个飞行状态变量中提取出来，它们是飞机平移速度和角速率。使用这12个飞行状态变量，计算机能为IMU模拟产生完整的惯性测量。PC计算机是IMU模拟器的主要硬体和软体平台，整个IMU模拟是在PC计算机控制下进行的，它的主要功能是数据处理，用户接口及定时控制。IMU测量的传感器误差是在计算机内由软体产生的。通过CRT显示器，鼠标(Mouse)和键盘，在相应软体的支持下，用户可方便地操作模拟器和修改它的参数。计算机也能通过模式设定，参数修改和定时控制来控制信号产生板采用了模块化的软件设计方法，通过功能模块来组绩整个程序。软体是用C/C++语言开发的，MATLAB/SIMULINK和LABVIEW软件用来验证，测试，分析IMU模拟器的软体设计。为了能模拟使用在不同系统中的各类IMU，不同的程序模块以IMU模拟库的形式供用户选择，用户可用它们来构造一个特定的模拟模块，用以精确地模拟测试中的机体IMU。电信号的产生和馈入是IMU模拟器的关键特色之一，也是关键设计环节。IMU信号的产生和馈入的困难是实际的IMU是自由器件，它不从外界接收任何信号，自身产生惯性测量。也就是当载体静止时它不能产生动态信号。因此在机载系统的地面模拟测试中，机载IMU必须从系统中分离出来，用一个IMU模拟器来替换。这种替换本质上导致了对机载系统的输入。这个问题的困难之处在于现在没有IMU信号和连接的标准接口。现有许多由不同制造商生产的陀螺和加速度计，它们有不同的信号类型和连接要求。基于现有IMU电子电路的分析，IMU的信号输出可分为以下四类：1)模拟信号2)脉冲信号3)並行数字信号或並行标准总线信号4)串行数字信号或串行标准总线信号根据上述分类，设计了不同类型的信号产生电路，用以产生机载系统所要求的特定的信号。这些信号产生电路板可形成一系列可选择的模块，並根据模块化的IMU模拟器的结构进行设计的。完整的IMu模拟器是可重构的。模拟器的底板是标准的总线，例如ISA总线和VME总线。处理机模块，存储器模块及串行通信模块可从市场上的由航电制造商生产的模块中选用，信号产生模块是专门为满足应用要求而特别设计的。信号调整和连接电路，是根据被模拟的IMU的特性专门设计的。这意味著没有统一的信号调整和连接电路板。对特定的IMU，须设计一个连接板来匹配它。这是因为即使两个IMU有相同的输出信号类型，但通常有不同的信号泛围，刻度，电压，电流和不同的连接布局。在实际中，用户要求的信号调整和连接电路板並不会导致大的困难，因为这种电路板通常是非常简单的，包括放大器，缓冲器，联结器及罗辑电路。当然它也要形成适当的连接器，用以取代实际的IMU。对IMU模拟器的软体进行模拟的目的在于：1)验证数学模型的正确性，2)选择合适的算法，3)分析计算误差，4)检证IMU模拟信号的保实度。这种模拟模块是由Matlab/Simulink软件编制的。Matlab/Simulink的程序模块也可用它自己的一个转换器转换成相应的C语言模块。经过验证的模块用来验证为IMU模拟器开发的C/C++程序模块。混合使用Matlab/Simulink和Labview软件，通过插入计算机的D/A转换器也可产生实时的电信号。这个模拟系统也有非常高效的用户接口，借助于这个接口，能方便地选择轨迹和改变IMU参数。模拟的IMU信号能被显示或通过DAC板输出实时电信号。用Matlab/Simulink开发的这个模拟系统也可模拟地面测试过程。飞机轨迹模块产生理想的飞机轨迹。这个轨迹通过飞机平移加速度和角速率表达在N坐标系内。该轨迹状态被输入进IMU模拟器，通过IMU模拟器和INS导航器产生一个恢复的轨迹。由验证模块处理两个轨迹之间的差别，获得模拟器和导航器的精度数据。这个模拟系统也能用来验证IMU测量模型的正确性，分析模拟算法的精度，显示IMU传感器误差的影向。基于这个IMU模拟系统，设计了一个实验系统，将一多通道D/A(Digital/Analog)转换板附加在IMU模拟计算机上，便可得到模拟电信号作为IMU的输出。给INS计算机增加一个A/D(Analog/Digital)转换电路板，用以得到模拟的IMU信号。D/A和A/D板均有定时和时钟功能用来使两个计算机同步工作。这个实验系统能方便地验证基于PC的IMU模拟器的正确性和精度。给该实验系统增加软件模块並作一些改动，它也可用来验证IMU模拟器的误差模型。在仿真过程中，产生的实时信号可用示波器(Oscilloscope)和动态信号分析仪来分析信号的质量。动态信号分析仪也可用以检验IMU随机误差模拟。产生的实时IMU信号被显示或者被馈入装有DAC板和连接器的INS系统。一个PC机可用作6DOF轨迹产生器，基于PC的IMU模拟器接收这些轨迹，产生实时IMU信号。
第1图是GPS/INS组合导航系统的结构。第2图是机载航电系统的地面测试的方块图。第3图是基于PC的IMU模拟器的结构。第4图是模块化的IMU模拟器的结构。第5图是开放标准的IMU模拟器的方块图。第6图是标准总线计算机的结构。
本发明为空中，陆地，太空的运载体上安装的惯性测量装置(IMU)提供了一个实时模拟器，用以调试机载制导导航和控制系统，並检验其性能。IMU模拟器的主要用途是GPS/INS组合制导导航系统的地面测试。为了实现IMU信号的模拟，它的信号必须是它自身产生的或是由一个IMU模拟器产生的。这两种IMU信号产生方案对应于两种GPS/INS地面动态测试方法。采用模拟方法，在测试中，机载系统是静止的。因此测试工作可在实验室或无反射室(Anechoic Chamber)内进行，然而需要模拟测试设备的支持。主要的测试设备包括，六自由度(6DOF)飞行模拟器。实时GPS星座RF模拟器实时动态IMU模拟器。不像一个GPS接收机，当飞机静止时，IMU本身不能产生动态信号，也不能从外部对它输入信息。所以必须用一个IMU模拟器取代它，第2图示出IMU模拟器在机载系统的地面测试中的应用。在地面测试中，完整的GPS/INS组合系统已被安装入飞机。简单，有效和最小的侵入信号等要求是地面测试的最重要的问题。对于GPS接收机，可用现有的GPS卫星星座RF信号模拟器解决，产生的GPS RF信号与实际的GPS卫星信号是一致的，它们可通过天线馈入GPS接收机。对IMU模拟，须设计一种方法，可简单，有效能将最小侵入的模拟的IMU信号馈入GPS接收机或INS计算机。本发明中，提出一种新的方法用以解决这个问题，将一通用IMU信号产生器嵌入IMU模拟器，该IMU信号产生器包含好几种可选择的插入式电路板。这种电子信号产生板能产生各种类型的标准IMU信号，包括：模拟(Analog)信号，脉冲信号，数字串行信号，数字並行信号。电信号的产生和最小侵入是对IMU模拟器的首要的要求。对IMU模拟器其次的要求，是可在线(on-line)对IMU模拟器参数的修改，这是便于使IMU模拟器适应不同的测试环境，並能用于一大类GPS/INS组合导航或制导系统。IMU模拟器包括陀螺和加速度计的误差参数和信号的电气参数。IMU模拟的软件设计，提供了一系列的菜单或非富的窗口，用户可方便地修改模拟参数。第3个重要要求是整个IMU模拟器的可靠性。因为在地面测试中，在相对较小的空间内同时有大量电气和电子设备在运行。通常电磁干扰是相当严重的。为加速发展降低成本，简化测试，开发了基于PC的IMU模拟器。但是基于PC的设计在一些应用物合可能有许多缺点。除了它有较大的体积，不利于外场测试环境，而且PC並非是为军用和工业应用环境设计的。因此基于PC的IMU模拟器可能在强干扰的应用环境下不能满足EMC的要求，为能使IMU模拟器能同时适应商业和军用的应用环境。设计的IMU模拟器具有开放的标准总线和与之相配的模块。主要的改进是：1)大的PC微处理机被放弃，引入基于航电模块的模拟器设计方法。这样大大减小了模拟器的体积，提高了其可靠性。2)强调细致的EMC(Electro-Magnetic Compatibility)设计，以便能获得一个能工作在不同环境下的鲁棒(Robust)IMU模拟器。3)用户友好(user-friendly)的界面设计。它通过在航电模块上增加一个标准的RS-232C串行，用以与PC机相连。在软件的支持下，用户可在测试工作之前，选择IMU模拟器的工作模式和修改参数。一个EEPROM被嵌入在航电模块中，用以存储用户定仪的参数。对IMU模拟器的第4个重要的要求是其适当的电子信号调整和连线。IMU模拟器产生电子信号，並通过传感器接口将之直接馈入GPS/IMU组合系统中，但在实际中，设计信号产生器並非易事。现有许多不同类型的IMU正在使用中，它们由不同等制造商生产的。因此它们通常有不同的输出信号类型，即使输出信号的类型一致，其信号的特性和连接方式也是不同的。在本发明中，提出三种方案用来克服这个问题，首先设计了多种类型的插入式信号产生板，它们产生模拟(analog)，脉冲，数字並行，数字串行信号。其次，对每一种类型的信号产生板，用户通过信号调整电路能改变信号的参数，第三设计用户专用的接线盒，可用IMU模拟器直接代替IMU，並馈入电信号。这些信号产生器能使IMU模拟器可适应广泛的GPS/INS系统。根据某一应用场合，用户能选择某一种信号产生电路板。定义信号参数，使模拟器完全适应用户的GPS/INS系统。IMU模拟器综合了先进的硬体和软体技术。使用软体实现根据用户定义的飞行轨迹，传感器模型和参数的IMU测量模型和参数。使用硬体将模拟的IMU输出转换为电信号，並将之馈入机载系统。馈入的电信号必须是与机载惯性/全球定位系统相容的电信号，馈入信号的方法必须保证给机载系统提供最小的侵入信号。本发明的实时IMU模拟器包含下列器件：a)6DOF接口，它连接于6DOF飞行模拟器和IMU计算机之间，将飞行状态数据从6DOF飞行模拟器送入IMU计算机；b)IMU计算机，它作为一个计算平台，接收飞行状态数据，计算IMU模拟数据，並将之输出给IMU信号产生电路板；c)IMU信号产生电路板，接收IMU模拟数据，产生IMU信号，将之馈入机载航电系统。6DOF接口和IMU信号产生电路板，可以在IMU计算机之外，並通过电缆与IMU计算机相连，或者通过总线插入IMU计算机之内。6DOF飞行模拟器计算被模拟的运载体的6DOF轨迹，並以实时方式将6DOF轨迹数据通过6DOF接口输入IMU计算机；IMU计算机计算IMU模拟数据，並将之输入给IMU信号产生电路板；IMU信号产生电路板，产生特定的IMU电信号，並将之馈入被模拟的运载体的航电系统。一般地，6DOF飞行模拟器包含完整的6DOF运动学模型，它计算一状态向量，该向量包括一些标量能完整地描述被模拟的运载体的轨迹。典型地，飞行状态变量包括：
1)时间
2)平移位置，速度和加速度
3)旋转矩阵，角速率和角加速度根据特定应用环境，6DOF接口模块可以多种方式实现，如标准的RS-232C串行接口，RS-422串行接口，以态纲接口(Ethernetinterface)或MIL-STD-1553A/B接口。为了获得简单的IMU模拟器，以满足不同的要求，6DOF飞行模拟器可在机载系统进行地面测试之前，产生6DOF数据，並将6DOF数据存成一个数据文件，这些6DOF数据有时间标志。在地面测试中，6DOF飞机模拟器仅是从该数据文件中取出6DOF数据，将之送入IMU计算机。为了获得简单的IMU模拟器，以满足不同的要求，这个数据文件被拷入IMU计算机，在地而测试中，IMU计算机仅是从该数据文件中续入数据，以实时方式计算IMU模拟数据，将之送入IMU信号产生电路。IMU计算机是IMU模拟器的主要硬体和软体平台。完整的IMU模拟器的运作是在IMU计算机的控制下进行的，IMU计算机的主要功能是数据处理，用户接口和定时控制。IMU测量模型和传感器误差模型以软体方式实现在IMU计算机内。IMU计算机也通过模式设置，改变参数和定时控制，对IMU信号产生电路板进行控制，IMU计算机进一步包含：B1)飞行数据接口模块这些程序模块实际上是一组通信驱动程序。在地面测试中，6DOF飞行模拟器用以计算飞机的轨迹，並通过6DOF接口将之送入IMU计算机。实际上，不同类型的接口电路板，数据格式及通信协议可能用于6DOF飞行模拟器和IMU模拟器的通信中。这样，在IMU模拟器的软件中，应当提供这组程序模块集合，它可以用来驱动不同的6DOF模块。B2)轨迹产生模块这个程序模块是一个内部的轨迹产生模块，它使IMU模拟器成为一个自主系统。如果有6DOF飞行模拟器，则IMU模拟器通过通信接器从6DOF飞行模拟器中接收轨迹数据。在某些应用场合，如果没有飞行模拟器可用来产生飞行轨迹数据，则模拟器的输入将被转为内部轨迹产生模块。根据用户的定义，内部轨迹产生模块可产生不同坐标系下的飞行轨迹数据。B3)陀螺测量模块陀螺测量模块接收6DOF数据，输出被模拟IMU的陀螺的理想输出。在IMU模拟中，由于飞行的运动能被表达在不同的坐标系中，因而各个陀螺测量模型在数字形式和软件实现上是不同的。进而，在IMU模拟中，采用不同的地球模型也会导致不同等陀螺测量模型。下列是影响陀螺测量模型的几种因素：B3.1选择表达飞机运动的坐标系
-地心中心惯性坐标系(ECI2)
-地心地球固联坐标系(ECEF)
-导航坐标系(或称为地地理系)(N系)B3.2选择地球模型
-WGS-84椭圆球模型
-理想球体模型
-忽略地球形装的近似模型在IMU模拟器设计中，提供了一组软件模块，用以仿真不同等陀螺测量模型。B4)陀螺误差模块陀螺误差模块包括一个陀螺误差模型。它接收6DOF数据，输出被模拟的IMU的陀螺输出数据中的误差。在IMU模拟器设计中，提供了一个通用的陀螺误差模型，它包含下列误差项：
1)固定的陀螺漂移项
2)陀螺漂移的随机常数项
3)陀螺漂移的随机游走项
4)与温度有关的随机常数项
5)陀螺的非线性误差项
6)陀螺的刻度系数(scale factor)误差项
7)比力(specific force)引起的陀螺误差项
8)传感器安装误差项(misalignmenterror)
9)振荡误差项一个通用程序模块用来模拟陀螺误差，模块中的误差参数能由用户通过显示器和接口模块进行修改。另外也提供了一个特殊的陀螺误差模型，如RLG和FOG陀螺，以便用于通用误差模型不足以保证模拟的保真度的应用场合。B5)加速度计测量模块加速度计测量模块接收6DOF数据输出被模拟IMU的加速度计的理想输出。与陀螺测量模型相似，所有加速度计在原理上都有相同的测量模型，在IMU模拟中，由于飞机运动可表达在不同的坐标系中，因此加速度计测量模型在各个坐标系中具有不同的数学形式和软件实现方式，进一步，如果采用不同的地球模型和重力模型也会导致不同的加速度计模型，下列是决定加速度计测量模型接示的主要因素：B5.1选择表达飞机运动的坐标系
-地心中心惯性坐标系(ECI2)
-地心地球固联坐标系(ECEF)
-导航坐标系(或称为地地理系)(N系)B5.2选择地球模型
-WGS-84椭圆球模型
-理想球体模型
-忽略地球形装的近似模型B5.3选择的重力模型
-国际重力模型
-简化的国际重力模型
-近似的常数重力模型
-用当地重力异常修正的国际重力模型在IMU模拟器软件设计中，提供了一组软体模块用来模拟不同的加速度计测量模型。B6)加速度计误差模块加速度计误差模块包括一个加速度计误差模型，它接收6DOF数据，输出被模拟IMU的加速度计的输出数据中的误差。在IMU模拟器中，提供了一个通用加速度计误差模型，它包含下列误差项：1)固定的加速度偏置项2)随机常数的加速度计偏置项3)随机游走(Randomwalk)的加速度计偏置项4)与温度有关的加速度计偏置项5)加速度计的非线性误差项6)加速度计的刻度系数误差项7)传感器辅安装误差项8)振荡误差项一个通用的程序模块用来提供加速度计误差的模拟。模块中的误差参数能被用户通过显示器和接口模块进行修改。B7)电信号产生模块这些模块实际上是一组信号产生电路板的驱动程序。在IMU模拟器中，4类信号产生电路板用来产生相应的4类IMU信号。1)模拟信号2)脉冲信号3)並行数字信号4)串行数字信号大多数采用传统陀螺和加速计的IMU的输出信号是模拟的或脉冲信号。近来随著微电子技术和惯性传感器技术的发展。制造商们趋向于将微处理机峡入IMU中生产出所谓的智能IMU，它除了具有误差补偿和内部自检能力外，它能输出基于标准並行和串行总线的数字信号。从IMU模拟器的观点来看，智能IMU更复杂。为了模拟智能IMU的信号，在IMU模拟器中须包括一智能信号产生电路板。在IMU模拟器的软件设计中，提供了一组程序模块用以操纵不同的信号产生电路板，以便产生不同类型的电信号。B8)用户接口和显示器模块这个程序模块为用户和IMU模拟器之间提供了一个接口。通过这个模块，用户可以和其它模块通信，它包含以下功能：1)监视IMU模拟器的实时操作。这个用户接口模块可在IMU模拟器操作期间，观察其它模拟模块的输出和输入。2)从模拟程序库内选择合适的模块，形成用户特定的IMU模型。这个功能能使用户针对他们自己的应用场合，定义特定的IMU模拟模型。因此这个功能也使多功能的IMU模拟器能广泛地应用在军用和民用场合3)修改模拟器的参数。通过这个用户接口模块，用户可直接访问模拟器中的所有用户可修改的参数。用户接口模块的设计是基於窗口(Windows)编程技术，它提供了一组菜单和窗口，用以实现模拟模型的选择和参数的修改。也可将LABVIEW编程技术引入接口模块的设计，这将能在用户窗口内显示波形，只要这个功能不致於在实时模拟中导致太大的时间延时。电信号的产生和馈入是IMU模拟器的最重要的特征之一，也是最困难的设计问题之一。基於对现有IMU电子电路的分析，IMU输出信号可分为以下几类：1)模拟信号，在许多商用和军用场合，IMU的输出信号是模拟的，特别是低性能的IMU，它们经常是与GPS接收机相组合的。模拟信号易於产生，IMU与系统的接口也易於分离，模拟信号的精度不高。2)脉冲信号，大多数高性能的陀螺和加速度计可提供脉冲输出。RLG和FOG本质上是数字式传感器。许多高性能的机电陀螺和加速度计有脉冲调制的力反馈再平衡回路，与模拟信号相比，脉冲信号有许多优点，它有较高的精度和分辨率，同时具有较高的抗干扰性。3)並行数字信号，一些IMU有内部嵌入式罗辑电路和微处理机，它可输出並行数字信号，甚至可实现标准並行总线。在INS中，这种类型的IMU可向计算机的並行总线或导航系统的底板发送信号。4)串行数字信号，最近，IMU製造商趋向於在IMU中嵌入高性能的微处理机，形成所谓的“智能”IMU。这类型IMU能进行误差校正和内部自检。IMU输出信号由微处理机通过一个标准串行总线输出数据，如RS-422，1553总线。根据IMU输出信号的分类，需要设计不同类型的信号产生电路板，以便产生特定系统所要求的特定类型的信号。这些IMU信号产生电路能形成一系列模块：3.1模拟模块3.2脉冲模块3.4並行模块3.5串行模块参见第3图，IMU模拟器可用PC机实现，这样PC机的丰富的软件和硬件市场支持，可便於设计IMU模拟器。6DOF飞行模拟器(10)产生6DOF轨迹，通过6DOF接口将6DOF轨迹数据输出给IMU模拟器(20)的Pentium主板(mainboard)(60)。6DOF接口针对不同的飞行模拟器，有一系列可选择的电路板：A：1553总线(120)B：RS-422串行接口(30)C：RS-232C串行接口(80)D：其它接口，如纲络接口通过CRT显示器(70)，鼠标和键盘(50)在相应软件的支持下，用户可操作模拟器，修正它的参数，观察IMU数据。Pentium主板(60)处理IMU模拟器(20)的所有管理任务，並通过执行下列模块计算IMU模拟数据。A：飞行数据接口模块B：轨迹产生模块C：陀螺测量模块D：陀螺误差模块E：加速度计测量模块F：加速度计误差模块G：电信号产生模块H：用户接口和监视模块IMU信号产生模块进一步包括：A：並行数字电路板(90)B：脉冲信号产生电路板(100)C：模拟信号产生电路板(110)可选择其中的IMU信号产生电路板，用以适应被模拟的IMU的特定的输出信号。信号调整和连接电路板(130)连接於IMU信号产生电路板和机载系统之间，用於用户特定的IMU模拟。这意味著没有通用的信号调整和连接电路板。对於特定的IMU，需设计一特定的连接电路板与之匹配。这是因为即使两个IMU有相同的输出信号类型，但它们可能有不同的信号刻度系数，电压，电流，和连接器布局。这种电路板通常非常简单，包括放大器，缓冲器，耦合器和一些罗辑电路。它也能为机载系统形成合适的连接器，以便代替实际的IMU。Pentium主板(60)可用其它的CPU主板替代，以便获得不同的计算速度。基於PC的IMU模拟器，如同其它基於PC的系统，易於设计，成本低，也便於编程。但对於一些特定的应用场合，基於PC的IMU模拟器可能有一些内在的缺陷。例如，它的体积大，可靠性，维护性及电磁兼容(Electro-Magnetic Compatibility.EMC)差，基於上述考滤，一个基於航电模块的IMU模拟器能达到下列目的：A：小的体积B：高的可靠性C：能满足军用和商用的标准化设计D：高的电磁兼容性能E：适於外场测试应用F：智能型用户接口G：多种类型的I/O接口，便於下载，监视数据，並调试软件参见第4图，基於航电模块的IMU模拟器进一步包含：1)底板总线(205)，用以给各模块提供连接方法；2)处理机模块(210)，用以从1553总线接口(260)接收6DOF数据，计算IMU仿真数据，並将之输出给可选择的信号产生模块(模拟模块(270)，脉冲模块(280)，並行模块(290)，串行模块(295))，可选择的信号产生模块连接於底板总线(205)；3)RAM模块(230)，用来存取来自处理机模块(210)的数据和玛，它与底板总线(205)相连；4)EEPROM模块(240)，用来存取来自处理机模块(210)的数据和玛，它与底板总线(205)相连；5)通信模块(220)，用以提供一个与监视PC机相连的接口，它与底板总线(205)相连；6)可选择的信号产生模块，它包括模拟模块(270)，脉冲模块(290)，串行模块(295)。它们连接於底板总线(205)和用户特定的信号调整和连接电路板(250)之间，用以接收来自处理机模块(210)的IMU模拟数据，並给用户特定的信号调整和连接电路板(250)提供IMU信号模拟(Analog)模块(270)向用户特定的信号调整和连接电路板(250)提供IMU模拟(Analog)信号；脉冲模块(280)向用户特定的信号调整和连接电路板(250)提供IMU脉冲信号；並行模块(290)用户特定的信号调整和连接电路板(250)提供並行数字信号；串行模块(295)用户特定的信号调整和连接电路板(250)提供串行数字信号；信号调整和连接电路板(250)连接於可选择的IMU信号产生电路板(270和机载系统之间，用於用户特定的IMU模拟。这意味著没有通用的信号调整和连接电路板。对於特定的IMU，需设计一特定的连接电路板与之匹配。这是因为即使两个IMU有相同的输出信号类型，但它们可能有不同的信号刻度系数，电压，电流，和连接器布局。这种电路板通常非常简单，包括放大器，缓冲器，耦合器和一些罗辑电路。它也能为机载系统形成合适的连接器，以便代替实际的IMU。1553总线接口(260)用於与6DOF飞行模拟器接口。为满足不同的6DOF飞行模拟器的要求，1553总线接口(260)可被其它类型的接口板替代，如纲络适配器(Networkadapter)。RAM模块(230)和EEPROM模块(240)能包含在处理机模块(210)中，也可被其它存储模块替代。基於航电模块的IMU模拟器可进一步使用开放标准的总线设计，它可带来以下优点：1)快速的开发同期。开放的标准总线设计可快速和有效地配置高性能的系统。开发一个特殊设计的系统可能需要一到两时间，而採用开放标准总线的模块和部件集成相应的系统可能仅需几个月时间。2)可重构和柔性的系统结构。开放的标准总线是模块化的和可分割的。它的重构性允许用户为某一特定应用，选择系统结构。可以从基本的控制器到全尺才全功能的系统。一但系统建好，用户也可通过替换或增加开放标准总线I/O模块或升级其处理机，进一步加强其性能。这种柔性系统降低了系统开发和维护的成本。不需要替换实际系统即可提升系统的性能。3)抗严劣环境。大多数开放总线产品具有较高的可靠性和稳定性，以及在严劣环境下的高性能。由於机械和连接的特性，它们具有内在加固的特性，可操作在工业温度范围内。开放标准总线设计，可在电路板这一级进行加强设计，允许大范围的工作温度，高的冲击和振动容限。4)多操作系统，开放总线可採用多种市场上的操作系统(operating system)，既可使用非实时操作系统，如UNIX，Windows和DOS，也可使用实时操作系统，大多数控制和数据採集系统使用实时操作系统，实时操作系统有快速和简单的实时内核(Kernels)，如PSOS，便於实现自主开发平台，如OS-9，通常开放标准供应商能提供这些操作系统，它允许用户在系统水平上而不用在部件水平上，快速解决应用问题。实时操作系统将用户的应用问题与实际的硬件隔离，允许系统模块的替换，同时给应用软件带来最小的影响和改动。5)柔性实现，开放标准总线的实现成本正比於要求的性能和功能。开放标准总线的特点，允许使用复合功能的开放标准总线模块，允许开放标准总线模块有不同等电路实现方法。它可以是价值仅几美元的基本接口设计，也可是先进的多处理机接口设计。开放标准总线在两个器件(如8位数字接口)的最低层接口之间兼容。这些特点允许用户衡量性能和功能，以满足总的资金预算。参见第5图，开放结构的IMU模拟器包含：1)标准总线计算机(305)，它作为计算平台，有一个开放标准总线结构；2)一监视PC机(310)，作为监测控制台提供人一机接口；3)一信号调整和连接电路板(320)，用来将标准总线计算机(305)产生的IMU电信号转换为适当的形式和连接方法，以便它们可被直接饡入机载系统(10)；4)一电信号监视和控制器(330)，用以监视和校正与机载系统相连的每个连线的信号。参见第6图，标准总线计算机(305)主一步包含：1)底盘总线及电源(470)，为各模块提供标准的总线连接，如STD32总线，VME总线，PCI总线，和ISA总线；2)嵌入式PC(460)，它从纲卡(480)接收6DOF数据，计算IMU模拟数据，並将之输出给可选择的信号产生模模块(DAC电路样(420)，1553接口(405)，IMU串行信号接口(410)，数字I/O接口(430))，它与底盘总线及电源(470)相连；3)串行接口(440)，用以将一PC机控制台(310)连接到标准总线计算机(305)；4)闪烁(Flash)EPROM电路板(450)，用以存储来自嵌入式PC(460)的数据和代码。5)纲络控制器(480)，用以将6DOF飞行模拟器(104)与标准总线计算机(305)相连接；6)可选择的信号产生模块，包括DAC电路板(420)1553接口(405)，IMU串航信号接口(410)，数字I/O接口(430)，以及其它具有标准总线设计的接口电路板，以满足被模拟IMU输出数据的不同要求。嵌入式PC(460)、串行接口(440)以及闪烁EPROM板可被一嵌入式微处理机板替代。

Claims (18)

  1. (1)一运载体航电系统的惯性测量装置(IMU)之实时惯性测量装置模拟器包含：
    一6DOF飞行模拟器；
    一IMU计算机；
    一6DOF(DegreeofFreedom)接口，该6DOF接口连接于该6DOF飞行模拟器和该IMU计算机之间，用以将飞行轨迹数据从6DOF飞行模拟器传送到该IMU计算机；其中，该IMU计算机接收飞行状态数据；计算IMU模拟数据，输出该IMU模拟数据到一IMU信号产生电路板，该IMU信号产生电路板用以接收该IMU模拟数据，产生IMU信号，並将该IMU信号馈入该航电系统。
  2. (2)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该6DOF接口是一标准RS-232C串行接口。
  3. (3)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该6DOF接口是一RS-422串行接口。
  4. (4)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该6DOF接口是一以太(Ethernet)纲络接口。
  5. (5)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该6DOF接口是-MIL-STD-1553A/B接口。
  6. (6)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，其中该6DOF接口和该IMU信号产生电路在该IMU计算机之外，並通过一电缆与该IMU计算机连接。
  7. (7)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，其中该6DOF接口和该IMU信号产生电路，通过一总线被插入该IMU计算机中。
  8. (8)一运载体航电系统的惯性测量装置(IMU)之实时惯性测量装置模拟器包含：一IMU计算机从一数据文件中续取带有时间标志的飞行状态数据，並计算IMU模拟数据，将该IMU模拟数据实时送入一IMU信号产生电路，其中该带有时间标志的数据文件是由一6DOF飞行模拟器，在该航电系统进行地面测试之前，预先产生并存储的，该IMU信号产生电路板用以接收该IMU模拟数据，产生IMU信号，並将该IMU信号馈入该航电系统。
  9. (9)如上述申请专利范围第8项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该IMU信号产生电路在该IMU计算机之外，並通过一电缆与该IMU计算机连接。
  10. (10)如上述申请专利范围第8项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，该IMU信号产生电路通过一总线被插入该IMU计算机中。
  11. (11)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  12. (12)如上述申请专利范围第6项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  13. (13)如上述申请专利范围第7项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  14. (14)如上述申请专利范围第8项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  15. (15)如上述申请专利范围第9项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  16. (16)如上述申请专利范围第10项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，IMU计算机包含：
    一飞行数据接口模块，该飞机数据接口模块是一组通信驱动程序，用以驱动该不同数据格式的6DOF接口；
    一轨迹产生模块，该轨迹产生模块是一内部轨迹产生器，它使该IMU模拟器成为一自主系统；
    一陀螺测量模块，接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺的理想模拟输出；
    一陀螺误差模块，该陀螺误差模块，包含一陀螺误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的陀螺输出数据中的误差；
    一加速度计测量模型，接收该6DOF数据，並输出被模拟IMU的加速度计的理想模拟输出数据；
    一加速度计误差模模，该加速度计误差模块包含一加速度计误差模型，並接收该6DOF数据，输出该被模拟IMU的加速度计的输出数据中误差
    一电信号产生模块，该电信号产生模块是一组为该IMU信号产生电路板的驱动程序；
    一用户接口和监视模块，提供用户和该IMU模拟器之间的接口。
  17. (17)如上述申请专利范围第1项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中该6DOF接口、该IMU计算机和该IMU信号产生电路板是基于PC(Personal Computer)设计的，包含：
    一6DOF接口，为适应不同的飞行模拟器，该6DOF接口有一系列可供选择的模块：
    一1553总线接口；
    一RS-422接口；
    一RS-232C接口；
    一纲络接口；
    一CRT显示器鼠标和键盘，在一软体的支持下，用户能通过该CRT显示器鼠标和键盘，操作该模拟器，修改参数，观察IMU数据；
    一CPU主板，用以处理该IMU模拟器的所有管理並计算IMU模拟数据；
    一IMU信号产生电路板，该IMU信号产生电路板进一步包含数字並行电路板、脉冲信号产生电路板、模拟(Analog)信号产生电路板，其中该IMU信号产生电路板的上述可选择电路板，被选择用来匹配被模拟IMU输出信号的类型。
  18. (18)如上述申请专利范围第17项中所述之一实时惯性测量装置模拟器，其中，一信号调整和连接电路连接在该IMU信号产生电路板和该机载系统之间，该号调整和连接电路是根据该机载系统所用的特定IMU的信号要求设计的，用于用户的特定IMU。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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