一种导航与控制环路的半实物仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术仿真方法，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。

【技术实现步骤摘要】
一种导航与控制环路的半实物仿真系统及方法
本专利技术属于卫星导航
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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Fs，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。本专利技术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*Fs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memorymap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Fs*T，由于采用率Fs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。为了更好理解本专利技术技术方案，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)将待进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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。

【技术特征摘要】
1.一种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。2.如权利要求1所述的一种导航与控制环路的半实物仿真系统，其特征在于：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。3.一种导航与控制环路的半实物仿真方法，采用如权利要求1所述的仿真系统，其特征在于包括以下步骤：(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)仿真服务器控制软件无线电...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴舜晓，史鹏亮，朱文慧，李廷立，杜蒙杉，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军研究院通信与导航研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11