艦船綜合導航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)測試及精度評定系統(tǒng)＊

樊勇華 查 峰 李京書

（1.海軍東海艦隊司令部軍訓處 寧波 315122）（2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

1 引言

艦船綜合導航系統(tǒng)是艦船的重要導航裝備，其綜合了慣性導航系統(tǒng)、無線電導航系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)等各系統(tǒng)的導航信息。綜合慣導系統(tǒng)擔負著為艦船航行和武器設備提供各種姿態(tài)、航向等導航信息的重要使命，其系統(tǒng)狀態(tài)和精度直接影響艦船的安全航行和艦艇戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。因此，對綜合導航系統(tǒng)的測試和狀態(tài)評估是提高艦船綜合保障能力的重要方向。

艦船綜合導航系統(tǒng)包含的導航分系統(tǒng)繁雜，信息種類多，信息量大，測試難度大，且各系統(tǒng)信息的特點和誤差特性并不相同，難以對系統(tǒng)狀態(tài)和精度進行統(tǒng)一評定。目前，對于艦船導航系統(tǒng)的測試和故障檢測主要通過對各分系統(tǒng)進行獨立狀態(tài)測試和故障診斷、預測。由于系統(tǒng)特點和誤差特性，目前對艦船導航系統(tǒng)的狀態(tài)測試、診斷主要集中在慣性導航系統(tǒng)上。相關文獻對慣性導航系統(tǒng)的狀態(tài)測試、性能狀態(tài)評估進行了研究。文獻［1］利用灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡對陀螺的漂移數(shù)據(jù)進行了建模，文獻［2］將小波變換引入灰色模型，對陀螺的漂移數(shù)據(jù)進行了建模和預測，取得較好效果。研究表明［3］，陀螺電機故障為陀螺儀最主要的故障模式，直接影響陀螺儀的性能狀態(tài)。陀螺電機的支承結構是影響其狀態(tài)性能的關鍵因素［4］。在此基礎上，文獻［5～6］提出一種基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡的陀螺電機的狀態(tài)預測模型。文獻［7］提出一種基于卡爾曼濾波的BIT故障檢測方法，提出采用雙套慣性導航系統(tǒng)配置和GPS、計程儀組成容錯組合導航系統(tǒng)來進一步提高系統(tǒng)的故障檢測和隔離能力。

但是慣導系統(tǒng)組成復雜，影響其狀態(tài)和性能因素較多，且慣導系統(tǒng)屬于精密儀器，要從系統(tǒng)內(nèi)部對其性能測試和數(shù)據(jù)采集勢必影響系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)測試和評估困難。綜合導航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)包含了各分系統(tǒng)的導航信息，其分系統(tǒng)的輸出反映了其系統(tǒng)狀態(tài)，且各系統(tǒng)信息以串行接口的形式發(fā)送到綜合導航系統(tǒng)中，其信息測試較為簡單。為此，本文提出了一種基于串口輸出數(shù)據(jù)艦船綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試和精度評定系統(tǒng)設計方案。方案基于系統(tǒng)信息輸出協(xié)議，以Labview為軟件開發(fā)平臺設計了艦船綜合導航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集及精度評定算法。實現(xiàn)對綜合導航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實時、準確采集，為綜合導航系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和性能評估提供數(shù)據(jù)支持。同時針對綜合導航系統(tǒng)接收的導航設備信息種類和誤差特性不同，利用采集的GPS衛(wèi)星導航設備的速度、位置輸出為參考，設計了慣導系統(tǒng)、計程儀等自主性導航設備精度評定算法，可以為慣導系統(tǒng)的性能狀態(tài)提供參考。

2 系統(tǒng)組成

艦船綜合導航系統(tǒng)包含的導航系統(tǒng)主要有：慣性導航系統(tǒng)，GPS、北斗等衛(wèi)星導航系統(tǒng)，羅蘭C等無線電導航系統(tǒng)，平臺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)等姿態(tài)和航向指示系統(tǒng)。各分系統(tǒng)的信息輸出和特點不盡相同，系統(tǒng)誤差也因各自模型不同而呈現(xiàn)出不同的特性。平臺羅經(jīng)、慣性導航系統(tǒng)等慣性系統(tǒng)，由于其慣性元件（陀螺儀和加速度計）存在著不可消除的誤差，同時慣性器件存在安裝誤差，導致慣導系統(tǒng)在進行導航解算時，對慣性敏感元件輸出的積分會導致慣導存在隨時間發(fā)散的誤差積累，因此慣導系統(tǒng)不可避免的存在隨時間累積的姿態(tài)和位置誤差。對于GPS、北斗等衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其系統(tǒng)精度較高，誤差相對較為穩(wěn)定，但因其需與外界進行信息交換，因此其系統(tǒng)輸出容易受干擾。對于羅蘭C無線電導航系統(tǒng)，一方面精度有限，同時其信息也易受干擾，因此一般作為慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)的備份。

綜合導航系統(tǒng)各分系統(tǒng)的信息通過一定的通訊協(xié)議以串行接口的形式發(fā)送到系統(tǒng)顯控部件。其各分系統(tǒng)信息能夠反映各分系統(tǒng)狀態(tài)和特點，同時利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)精度高，不隨時間發(fā)散的特點，可以將其作為基準信息對慣性導航系統(tǒng)、無線電導航系統(tǒng)進行精度評估。針對綜合導航系統(tǒng)的信息特點，構建的基于串口的系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 綜合導航系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)框圖

綜合導航系統(tǒng)的各分系統(tǒng)將導航信息輸出以RS422的形式發(fā)送到綜合導航系統(tǒng)的顯示和控制部件。通過綜合導航系統(tǒng)的串行接口，利用串口／USB轉換模塊將RS422的信息輸出轉換為USB接口形式，輸入便攜式數(shù)據(jù)測試計算機。測試計算機利用設計的數(shù)據(jù)接收程序接收綜合導航導航系統(tǒng)的導航信息，并根據(jù)相應的通訊協(xié)議進行誤碼判斷，當確定數(shù)據(jù)接收正常后對數(shù)據(jù)進行解碼，得到各導航分系統(tǒng)輸出的導航信息。根據(jù)各系統(tǒng)導航系統(tǒng)的特點，利用GPS的位置和速度導航信息為基準，可對慣性導航系統(tǒng)等進行位置和速度精度評定。而由于綜合導航系統(tǒng)中的姿態(tài)信息均有慣性系統(tǒng)提供，因此難以找到有效的姿態(tài)基準。因此姿態(tài)位置參考設備采用MS860型高精度測姿系統(tǒng)，該系統(tǒng)為美國Trimble公司開發(fā)的一款GPS接收機設備，可以為運動載體和平臺提供精確的位置、航向、姿態(tài)和速度信息。MS860采用了Trimble公司專利的RTK（real－time kinematic）技術，利用接收的GPS位置信息進行運動載體姿態(tài)、航向和速度的精確解算［8］。同時系統(tǒng)采用全固態(tài)的電子設備和結構組成，沒有運動和轉動部件，可靠性和穩(wěn)定性較高，無需定期進行維護和校正。文獻［9］為了評估MS860型GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)的性能，將其安裝在某船上進行系統(tǒng)測，采用動態(tài)濾波的方法采集MS860姿態(tài)信息，同時同步采集某型平臺羅經(jīng)的數(shù)據(jù)，在此基礎上，用誤差統(tǒng)計方法評估姿態(tài)測量系統(tǒng)的精度性能。結果表明GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)可以滿足艦船姿態(tài)測量的需要，其航向的測量精度優(yōu)于平臺羅經(jīng)系統(tǒng)。

MS860測姿系統(tǒng)的信息同樣以串口形式輸出，因此采用MOXA公司的UPort 1400系列串口／USB轉換模塊接口作為通訊接口硬件，實現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)的轉換和通訊。該轉換模塊可以使計算機或工作站通過USB（通用串行總線）與四個串行RS－232／422／485外設進行通信，并與任何型號的RS232／422／485設備兼容。轉換模塊具有四個串口，串口的通訊波特率最高可達到921.6Kbps，滿足對過串口數(shù)據(jù)采集和精度評定的需求，而USB即插即用功能無需考慮IRQ，DMA或I／O地址資源，可以方便地實現(xiàn)串口的擴展，因此這一數(shù)據(jù)采集和通訊方案增加了系統(tǒng)的擴展性和便攜性。

3 軟件實現(xiàn)

Labview為美國國家儀器公司（NI公司）開發(fā)的一種應用于數(shù)據(jù)采集和測控的圖形化語言。與傳統(tǒng)的編程語言類似，LabVIEW也具有相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結構、程序的調試工具等［10］。它與文本編程語言相比，最大的區(qū)別就在于LabVIEW利用各種圖標、圖形符號、連線、圖形框架來編寫程序，控制程序的流程。從而使得程序的開發(fā)者和工程技術人員不需要懂得繁瑣枯燥的程序源代碼，而只需要利用自己熟悉的術語、流程圖來編寫和開發(fā)程序，大大提高了工作效率。作為圖形化編程語言的典型代表，Lab－VIEW簡易的編程風格、強大的數(shù)據(jù)可視化分析能力、良好的可移植性和直觀、友好的人機交互界面使之成為目前國際上應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制的開發(fā)環(huán)境之一，主要應用于數(shù)據(jù)采集、分析和處理、儀器控制等領域，能夠與多種不同的操作系統(tǒng)平臺兼容。

3.1 軟件算法流程

根據(jù)綜合導航系統(tǒng)的測試需求，其測試和精度評定系統(tǒng)的軟件的總體流程如圖3所示。系統(tǒng)利用VISA configure serial port控件進行串口參數(shù)設置和初始化后，接收來自綜合導航系統(tǒng)和MS860測姿系統(tǒng)的串口數(shù)據(jù)，采用LabVIEW中VISA read控件進行串口數(shù)據(jù)的讀取。根據(jù)綜合導航系統(tǒng)輸入接口協(xié)議，數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式傳輸，因此程序接收的數(shù)據(jù)為ASCII碼形式的字符串數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測試程序在讀取串口輸出數(shù)據(jù)后，首先對字符串數(shù)據(jù)進行誤碼檢測，確認數(shù)據(jù)傳輸無誤后對數(shù)據(jù)進行相應解碼。解碼后可得到各分系統(tǒng)的導航信息的數(shù)字量，同時可得到MS860系統(tǒng)的姿態(tài)輸出。根據(jù)各分系統(tǒng)的信息特點，將衛(wèi)星導航系統(tǒng)的位置和速度信息作為基準信息，同時將MS860的姿態(tài)輸出為姿態(tài)基準信息，進行慣導系統(tǒng)、羅經(jīng)等慣性系統(tǒng)的精度評定。

根據(jù)上述算法流程，設計的綜合導航系統(tǒng)測試和精度評定系統(tǒng)的程序如圖4所示。

圖4 綜合導航系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)框圖

3.2 解碼和誤碼檢測算法

各分系統(tǒng)向綜合導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、采集等硬件通訊過程中，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤碼現(xiàn)象，產(chǎn)生的誤碼數(shù)據(jù)會對數(shù)據(jù)的解碼和后續(xù)的精度分析帶來影響，因此在進行串口讀取后，因對數(shù)據(jù)傳輸進行誤碼檢測，剔除亂碼并舍去誤碼信息。

根據(jù)綜合導航系統(tǒng)的接口協(xié)議，其輸數(shù)據(jù)中包含了各分系統(tǒng)姿態(tài)、航向、位置、速度等大量的導航信息，該信息以ASCII碼形式傳輸。由于艦船運動狀態(tài)隨時間變化，因此固定時間內(nèi)發(fā)送信息并不是固定字長。在LabVIEW中，進行串口讀寫控件均為固定字長的讀取，為了保證數(shù)據(jù)解碼的準確性和實時性，應對系統(tǒng)的解碼算法進行設計，根據(jù)接收的固定字長ASCII碼對每次通訊接收的字符串信息進行處理和解碼，保證每條導航信息的完整性。根據(jù)系統(tǒng)信息輸出協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字頭為系統(tǒng)代號，中間為數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段之間以空格分開，數(shù)據(jù)以回車符結束。每次輸出一條數(shù)據(jù)的格式相同，但是字符長度不固定，因此根據(jù)相同的字頭對輸出數(shù)據(jù)進行識別和解碼，串口每次讀取最大可能字符長度來讀取串口數(shù)據(jù)。將讀取的字符以空格符識別后分別存入數(shù)組中，分別利用字頭字符串和回車符對數(shù)組進行索引操作，實現(xiàn)了不固定字長數(shù)據(jù)的分條讀取和解碼。進行數(shù)

式中n為試驗次數(shù)，mi為第i次試驗的采樣點數(shù)，ΔXij為第i次試驗第j時刻的姿態(tài)或速度誤差。

對綜合導航系統(tǒng)的輸出信息進行解碼后，利用基準信息與被評定系統(tǒng)輸出信息做差得到每次的試驗誤差。在進行誤差計算前，應對數(shù)據(jù)進行預處理。精度評定統(tǒng)計計算的數(shù)據(jù)，應剔除因判讀、傳輸、顯示等錯誤造成的奇異點，本文采用Thompson方法剔除慣導系統(tǒng)輸出的奇異點。利用LabVIEW數(shù)學控件模塊中的數(shù)學運算等控件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的Thompson方法剔除奇異點算法和精度評定算法。據(jù)解碼后，利用相應的誤碼檢測算法對數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)進行檢測，剔除亂碼數(shù)據(jù)。檢測算法利用校驗碼對解碼后的字符串進行校驗，若校驗正確，則表示此次接收的數(shù)據(jù)無誤。

3.3 精度評定算法

利用綜合導航系統(tǒng)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的速度和位置輸出，以及MS860測姿系統(tǒng)的姿態(tài)輸出為基準信息，可以綜合導航系統(tǒng)內(nèi)的慣導系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)、計程儀等系統(tǒng)進行精度評定，判斷各系統(tǒng)狀態(tài)和精度。精度評定應依據(jù)國軍標中的實驗程序和規(guī)則進行。精度評定的關鍵是輸出數(shù)據(jù)的精度分析和計算。以慣性導航系統(tǒng)為例，國軍標規(guī)定系統(tǒng)，慣導系統(tǒng)位置精度評定有兩種評價方法，一種利用徑向誤差率的圓概率半徑衡量，另一種利用評定時間間隔內(nèi)各時間采樣點上的位置誤差的圓概率誤差半徑的最大值作為評定標準，具體參見文獻［11］。

除系統(tǒng)位置精度評定利用上述兩種方法外，姿態(tài)誤差和速度精度誤差均采用誤差的RMS值衡量，其值按如下式計算：

4 慣導系統(tǒng)測試和評定試驗

圖5 系統(tǒng)軟件主界面

根據(jù)軟件的算法流程，基于Labview圖形化軟件卡法平臺，設計了綜合導航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)測試和精度評定算法，實現(xiàn)了對綜合導航系統(tǒng)各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收、解碼、存儲和精度分析與評定。系統(tǒng)進行測試及精度評定的主界面如圖5所示。

圖6 新型慣導系統(tǒng)試驗現(xiàn)場照片

利用MS860測姿態(tài)系統(tǒng)獲得艦船的姿態(tài)，同時基于綜合導航系統(tǒng)的串口輸出協(xié)議，搭建了多通道數(shù)據(jù)采集和精度評定系統(tǒng)。系統(tǒng)成功應用于某艦船綜合導航系統(tǒng)的測試和數(shù)據(jù)采集試驗中。同時，課題組在東海海域進行了某新型慣導系統(tǒng)的海試實驗，圖6為試驗現(xiàn)場照片。左圖所示，利用該數(shù)據(jù)測試和精度評定系統(tǒng)對同時試驗的四臺慣導系統(tǒng)進行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和測試，并以衛(wèi)星導航系統(tǒng)的輸出為速度、位置基準，以MS860系統(tǒng)的輸出為姿態(tài)基準，進行了新型慣導系統(tǒng)的精度評定。右圖為MS860型高精度GPS測姿系統(tǒng)的天線安裝。在為期半年的實驗過程中，系統(tǒng)運行可靠，數(shù)據(jù)采集完整，精度評定結論準確。

5 結語

針對綜合導航系統(tǒng)信息種類繁多，信息量大的特點，構建了基于艦船綜合導航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集及精度評定系統(tǒng)。根據(jù)綜合導航系統(tǒng)額信息輸出協(xié)議，設計了數(shù)據(jù)解碼和誤碼檢測算法，實現(xiàn)了綜合導航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實時、準確采集。針對綜合導航系統(tǒng)各分系統(tǒng)的信息特點，利用解碼得到的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的速度、位置輸出為參考，以MS860測姿系統(tǒng)輸出為姿態(tài)參考，設計了慣導系統(tǒng)、計程儀等自主性導航設備精度評定算法，對其精度進行了分析評定。系統(tǒng)成功應用于某新型慣導的精度評定海試試驗，試驗中系統(tǒng)運行可靠，數(shù)據(jù)采集完整，精度評定結論準確。

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