一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种捷联惯性导航计算机测试系统及实现方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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MicrosoftVisualC++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。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术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专利技术创造做进一步详细说明。本专利技术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MicrosoftVisualC++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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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MicrosoftVisualC++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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，季国田，赖际舟，曾庆化，邢丽，陈维娜，刘建业，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32