InertiaCube2在訓練仿真系統中的應用研究

史連艷，宋文淵，姚志敏

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

某型防空導彈裝備系統復雜，技術含量高，價格昂貴。導彈射手在面對廣闊的空域、復雜的敵情，各種類型的高速飛行目標時應具備超強技能。而導彈本身是一次使用性產品，因此導彈射手日常訓練都是在模擬訓練仿真系統中進行，故訓練仿真系統的逼真程度決定導彈射手的訓練效果，而正確、合理評定訓練成績也為受訓射手改進操作提供依據[1]。由于，該型防空導彈裝備是“發射后不管”的，因此該裝備的訓練是以發射前的一系列操作為主，包括武器系統展開、搜索目標、瞄準目標、系統供電、發射等，其中主要采集兩類數據：受訓射手各個動作的時間量和導彈發射前給定的前置量（角度量）。為使導彈出筒后便于控制，導彈彈道起始偏差減小，導引精度和命中概率提高，在發射前應施加一定的角度前置量，即目標瞄準點的提前量，該前置量分為高低角和水平角。這里給出基于InertiaCube2的前置量測量系統設計方案。

1 InertiaCube2傳感器

1.1 InertiaCube2參數

InertiaCube2是三自由度方向的跟蹤系統[2],具有反應快、跟蹤范圍廣以及跟蹤過程連續平滑等優點，能夠在3個垂直坐標軸上探測旋轉角速度、重力和地球磁場。綜合旋轉角速度得到傳感器的測量方位信息，包括偏航角，俯仰角，滾轉角。InertiaCube2主要性能指標如下：質量為 25 g；體積為（28.89×24.38×33.91）mm3；角分辨率為 0.01°～0.05°RMS；最小反應時間為2 ms；靜態精度為1°；動態精度為 3°；串行口更新速率為 180 Hz；最大角速率達到 1 200（°）/s；測量范圍為 0°～360°。

1.2 InertiaCube2工作原理

圖1為InertiaCube2功能示意圖。在3個互相垂直的坐標軸上分別安裝3個速率陀螺、3個加速度計和3個磁傳感器。角度測量是由慣性陀螺和線加速度計實現，而磁傳感器用于偏航漂移校正。

圖1 InertiaCube2功能示意圖

2 訓練仿真系統硬件組成

圖2為訓練仿真系統的硬件組成框圖。

圖2 訓練模擬器硬件組成框圖

圖2中，圖形工作站運行訓練仿真軟件[3－4]，通過多媒體技術控制音響系統模擬背景聲音和導彈聲音，視景畫面通過RGB信號分配器送到監視器和液晶顯示器上，供射手瞄準，通過專用信號采集電路采集射手訓練過程中所有動作，并以命令碼方式由RS232串行接口發送到圖形工作站，仿真軟件記錄命令碼[5]，以作為成績評定依據；InertiaCube2角度測量裝置將導彈方位、高低角等數據實時發送至圖形工作站，軟件根據導彈瞄準方向與飛機位置進行計算，如果落入瞄準區內即可控制產生聲光信息通知射手已發現目標。

3 基于InertiaCube2的角度測量系統

3.1 InertiaCube2模塊安裝

InertiaCube2有RS232或USB兩種簡單電氣連接方式與主機連接，而使用螺絲或螺釘將其緊固在模擬裝備上，其基面應與地面平行。這里針對仿真武器系統的特點，并考慮到InertiaCube2需測量弱地磁信號，因此將其安裝在發射筒尾部。這樣可避免筒內中前部電子元件與線路的電磁效應影響到InertiaCube2測量，若將其安裝在中部，則轉動中心間距r較小，而待測角度ω=v/r，故測量結果將受到影響。

3.2 基于InertiaCube2的數據采集

隨InertiaCube2配套提供有驅動程序、用于讀取測量數據的函數庫以及其他文件[6]。其中，main.cpp為主循環程序，所有應用程序調用都從該程序開始；isense.cpp為動態鏈接庫的入口程序，與所有編譯器接口兼容，不僅僅是VC++6.0的入口程序；isense.h為頭文件，包含InterSense所有跟蹤器的函數定義和描述；types.h為頭文件,定義數據類型；isense.dll為InterSense動態鏈接庫，安裝于Windows系統目錄或應用程序工作目錄下。動態鏈接庫中的主要函數及其功能如下：

1）ISD_TRACKER_HANDLE ISD_OpenTracker （HWND hParent， DWORD commPort， BOOL infoScreen， BOOL verbose）當打開跟蹤器成功時，函數返回非零的句柄，用于其他函數功能指向該跟蹤器；當打開跟蹤器失敗時，函數返回負值。其中，hParent為擴展功能時使用，目前未用；comport為當參數非零時，函數查找相應的RS232接口，否則查找USB接口；infoScreen為未用；verbose為TRUE時，函數打印動態鏈接庫版本信息。

2）BOOL ISD_CloseTracker（ISD_TRACKER_HANDLE handle）該函數用于關閉跟蹤器，釋放打開時所申請的資源。其中，Handle為打開跟蹤器函數返回的句柄。

3）BOOL ISD_GetTrackerData（ISD_TRACKER_HANDLE handle,ISD_DATA_TYPE*data）得到跟蹤器測得的3坐標數據。其中，Data保存3個坐標數據，符合ISD_DATA_TYPE數據結構定義。

4）BOOL ISD_GetCommInfo（ISD_TRACKER_HANDLE handle， ISD_TRACKER_INFO_TYPE*tracker）可得到跟蹤器的設備的信息和通訊信息。其中，Tracker符合ISD_TRACKER_HANDLE定義的結構。

測量過程如下：在程序進入時用ISLIB_OpenTracker函數打開跟蹤器；在Timer定義的事件中用ISLIB_GetTracker-Data函數讀取當前角位置；程序退出時采用ISLIB_Close-Tracker函數關閉跟蹤器。

3.3 角度前置量的解算方法

InertiaCube2角度測量以三自由度速率陀螺儀的測量解為主。三軸加速度計和三軸磁傳感器用來敏感地球重力場和地球磁場，進而消除陀螺儀的累積漂移誤差。速率陀螺儀測得的數據與加速度計測得的數據送入Kalman濾波器進行誤差估計，經角度綜合后補償，從而得到精度較高的俯仰角和偏航角數據。InertiaCube2磁場傳感器輸出數據，經航向誤差估計，補償陀螺儀解算得到的航向角誤差，最終得到綜合的角度數據，這里由于模擬訓練裝備無自旋狀態，故對滾轉角不予測量、解算。圖3為角度解算方法框圖。

圖3 角度解算方法框圖

從InertiaCube2磁場傳感器輸出到Kalman濾波器的虛線表示磁傳感器的使用可能會隨時失效，即只有當陀螺儀失效或陀螺儀航向誤差較大時該項補償起作用。對于俯仰角的誤差補償加速度計的測量已足夠，地磁傳感器的測量僅僅用于偏航方向的校正。轉臺實驗數據見表1。

因為導彈射手應給出的前置量是一個估計值，故測角精度達到1°。由表1可見，該測角系統滿足模擬訓練的要求。

4 結論

程序對所有測量、解算得到的俯仰角和偏航角數據按表1中的標準對照給出評分成績，并以數據庫的形式存儲在硬盤上。其中誤差在2°以內為優秀，2°～3°之間為良好，超過3°為不及格。最后再綜合時間量成績評定給出導彈射手完整的訓練成績。該型號導彈武器裝備訓練仿真系統已投入使用。從使用效果及用戶評價來看，無論是仿真的逼真性，測量系統的精度，或是成績評定的科學性均滿足訓練使用要求。

[1]史連艷，宋文淵.便攜防空導彈訓練仿真系統成績評定方法[J].計算機仿真，2004，22（5）：25-27.

[2]InterSens.Product manual for use with InertiaCube2serial and USB interfaces[R].InertiaCube2Manual Doc.No.072-IC210-0J01.

[3]馬立元，李增瑞，王 妍.戰術導彈概論[M].北京：兵器工業出版社，1997.

[4]郝永生，李洪儒，史連艷.仿真與模擬訓練技術[M].石家莊：軍械工程學院，2003.

[5]郭齊勝.系統仿真[M].北京：國防工業出版社，2006.

[6]祝常紅.數據采集與處理技術[M].北京：電子工業出版社，2008.