UAV組合導(dǎo)航半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計與研究*

胡奕明,盧　虎,牛江龍

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安　710077)

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UAV組合導(dǎo)航半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計與研究*

胡奕明,盧虎,牛江龍

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安710077)

摘要:為了驗證GNSS/MLS/VNS/INS/RA構(gòu)成的UAV五組合導(dǎo)航系統(tǒng)的航電綜合、導(dǎo)航解算算法以及飛行控制律性能,設(shè)計了集機載導(dǎo)航傳感器實物、物理效應(yīng)器、飛行仿真系統(tǒng)、無人機地面站模擬系統(tǒng)、試驗總控評估系統(tǒng)、視景與展示系統(tǒng)等的UAV導(dǎo)航與控制半物理仿真試驗系統(tǒng)平臺。平臺能夠考核組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和功能。

關(guān)鍵詞:組合導(dǎo)航;航電綜合;半物理仿真系統(tǒng);飛行仿真

0引言

文中提出將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、微波著陸系統(tǒng)(MLS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、無線電高度表(RA)以及視覺導(dǎo)航系統(tǒng)(VNS)綜合運用,構(gòu)成“UAV五組合導(dǎo)航系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠滿足無人機航路導(dǎo)航及著陸引導(dǎo)的需求。

為了驗證5組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能[1],構(gòu)建了無人機導(dǎo)航與控制半物理仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)是以無人機機載導(dǎo)航傳感器、機載組合導(dǎo)航計算機為核心的閉環(huán)半物理仿真試驗系統(tǒng),是研究和試驗機載設(shè)備航電綜合、導(dǎo)航算法優(yōu)化等的有效平臺。

1系統(tǒng)設(shè)計

基于5組合導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建的無人機導(dǎo)航與控制半物理仿真試驗系統(tǒng)是對5組合導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真模擬,其系統(tǒng)架構(gòu)除了盡可能的逼近真實系統(tǒng)外,還兼顧了教學(xué)功能。整個半物理仿真系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為8大子系統(tǒng),包括:1)黃色:機載導(dǎo)航與傳感實物;2)藍色:物理效應(yīng)器;3)綠色:教學(xué)系統(tǒng);4)橙色:飛行仿真系統(tǒng);5)白色:試驗總控與評估系統(tǒng);6)粉色:航電總線子系統(tǒng);7)灰色:無人機地面站模擬系統(tǒng);8)紫色:視景仿真與展示系統(tǒng)。

在本半物理仿真系統(tǒng)環(huán)境中,機載設(shè)備的衛(wèi)星接收機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、微波著陸機載接收機、無線電高度表、視覺傳感器采用真正的物理部件,機體平臺采用計算機仿真。各導(dǎo)航子系統(tǒng)相對應(yīng)的地面設(shè)備采用物理效應(yīng)器模擬器形式。

系統(tǒng)工作流程為:無人機地面站模擬系統(tǒng)或操縱臺手柄實時操作生成飛行軌跡,送給飛行仿真系統(tǒng)飛控計算機,飛控計算機驅(qū)動舵機仿真機和飛行動力學(xué)仿真機產(chǎn)生飛機姿態(tài)、位置、角速度、加速度、迎角、側(cè)滑角、高度等原始信息發(fā)送給物理效應(yīng)器,驅(qū)動物理效應(yīng)器產(chǎn)生相應(yīng)的物理效應(yīng),來激勵各類導(dǎo)航系統(tǒng),進而由各類導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生飛機的姿態(tài)、位置、加速度、角速度、高度、速度等信息發(fā)送給飛行控制系統(tǒng),構(gòu)

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

無人機地面站在仿真過程中一方面可以監(jiān)視無人機的飛行狀態(tài),控制飛機的飛行模式。另一個方面還可以設(shè)定無人機的飛行軌跡,監(jiān)控?zé)o人機的飛行航跡;此外,地面站系統(tǒng)還可以使用任務(wù)控制系統(tǒng)利用紅外、可見光設(shè)備監(jiān)視地面的車輛,完成偵察任務(wù)。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1飛行仿真系統(tǒng)

飛行仿真系統(tǒng)主要完成飛機動力學(xué)系統(tǒng)、舵機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的仿真,解算飛機六自由度動力學(xué)模型、傳感器模型、舵機模型、飛行控制律實現(xiàn)對無人機飛機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的實時仿真[2-4]。

2.1.1硬件設(shè)計

飛行仿真系統(tǒng)主要由兩部分組成,一是仿真主控機,二是仿真目標(biāo)機。其中仿真目標(biāo)機又包括3個部分:1)飛行動力學(xué)仿真計算機;2)飛控計算機仿真機;3)舵機仿真機。

仿真主控機和仿真目標(biāo)機的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　主控機和目標(biāo)機架構(gòu)

仿真目標(biāo)機是整個系統(tǒng)的核心,采用VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng),無人機動力學(xué)仿真模型就在這里運行。仿真計算機采用開放的、高可靠性PCI總線,具有1553B、RS485、千兆以太網(wǎng)卡等數(shù)據(jù)通訊接口。同時仿真過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)也由該仿真目標(biāo)計算機回傳給主控計算機,用于仿真結(jié)果的記錄與分析。

主控計算機運行仿真管理與控制軟件完成對仿真目標(biāo)計算機的控制,同時還運行Matlab/Simulink、數(shù)據(jù)采集與記錄軟件、數(shù)據(jù)分析與繪圖軟件、仿真故障參數(shù)與仿真曲線顯示軟件。實現(xiàn)仿真模型的搭建、模型代碼的自動生成、下載和仿真數(shù)據(jù)存儲與分析處理等功能。主控計算機與實時仿真目標(biāo)計算機通過1 000 M以太網(wǎng)通訊。

2.1.2軟件設(shè)計

主控機的仿真管理與控制軟件和目標(biāo)機的仿真軟件共同實現(xiàn)了仿真管理與控制功能,其分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　仿真機軟件分層邏輯結(jié)構(gòu)

由圖3可知,按照功能、信息交互方式不同可將仿真主控機軟件分為人機交互界面應(yīng)用層、中間層、請求目標(biāo)機服務(wù)層、通用網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理通訊層等5層。仿真目標(biāo)機軟件分為目標(biāo)機服務(wù)應(yīng)用層、目標(biāo)機服務(wù)請求響應(yīng)層、目標(biāo)機服務(wù)請求解析層、目標(biāo)機客戶端管理層、通用網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理通訊層等6層。

2.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)

文中的五組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵問題有兩個,一是組合導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器射頻綜合問題,二是組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合問題。由于文章篇幅有限,在此僅將第一個問題做以介紹。

現(xiàn)代戰(zhàn)機的航空電子系統(tǒng)發(fā)展[5]經(jīng)過了分離式、集中式、聯(lián)合式的發(fā)展階段,如今已進入了綜合架構(gòu)的時期,未來綜合航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是傳感器的射頻綜合技術(shù)。美軍經(jīng)過“寶石柱”和“寶石臺”計劃已初步實現(xiàn)了綜合航電系統(tǒng)中的傳感器射頻綜合,但我國在這方面還相對落后,其中許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

傳感器的射頻綜合主要內(nèi)容包括天線(孔徑)綜合和射頻綜合等內(nèi)容。孔徑綜合即把無人機上的幾十付天線按頻段功能歸并,重構(gòu)成數(shù)量盡可能少的天線。射頻綜合即是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法,把各個子系統(tǒng)的各種功能重新劃分、組合,將傳感器前端組件、信號處理組件和數(shù)據(jù)處理組件等,組成具有資源共享、可重構(gòu)和通用化的新型系統(tǒng)。

文中研究的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將5種導(dǎo)航系統(tǒng)進行綜合,其中有3種屬于射頻傳感器系統(tǒng)(GNSS、MLS和RA),其中MLS測角部分RA都工作在C波段(4 000～5 090 MHz),而MIS精密測距部分采用的是L波段(962～1 213 MHz)。按照航空電子系統(tǒng)的射頻綜合設(shè)計要求,文中提出將L波段精密測距器工作頻段提高到C波段,以實現(xiàn)MLS的測角測距同頻運用的射頻綜合,使MLS組成設(shè)備得到綜合集成,減少裝機天線種類和機載設(shè)備的體積重量。另外,還研究了同處于C波段工作的RA與MLS射頻綜合中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此,文中研究了兩個方面問題,一是MLS內(nèi)部孔徑綜合,二是MLS和RA射頻前端綜合。

2.2.1MLS內(nèi)部孔徑綜合——測角測距同頻實現(xiàn)

MLS測角測距同頻實現(xiàn),需要改進設(shè)計MLS地面設(shè)備和機載設(shè)備,包括地面方位/距離設(shè)備、地面仰角設(shè)備和機載設(shè)備。地面和機載設(shè)備產(chǎn)生處理的測角測距信息是在同一頻段以時分方式發(fā)送和接收的,其中地面方位/距離設(shè)備是設(shè)計的重點。

1)地面方位/距離設(shè)備

方位/距離設(shè)備由天饋線系統(tǒng)、收發(fā)分機、監(jiān)控分機、無線通信鏈路終端、電源和輔助設(shè)備等組成,如圖4所示。

圖4　方位/距離設(shè)備組成框圖

信號發(fā)射時隙,收發(fā)分機內(nèi)的頻率合成器輸出200個波道中的一個指定發(fā)射頻率,由監(jiān)控分機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)字和測距應(yīng)答基帶信號進行BPSK調(diào)制,形成的BPSK中頻調(diào)制信號送到收發(fā)分機進行上變頻和功率放大,產(chǎn)生所需的射頻信號;監(jiān)控分機控制天線轉(zhuǎn)換開關(guān),適時地把射頻信號送到數(shù)據(jù)天線上完成信號的輻射。掃描天線輻射的信號是沒有經(jīng)過調(diào)制的射頻信號,在掃描天線工作時隙,天線選擇開關(guān)把載波射頻信號接到掃描天線,同時監(jiān)控分機控制掃描天線產(chǎn)生窄波束并完成“往”、“返”掃描。

信號接收時隙,數(shù)據(jù)天線接收機載設(shè)備發(fā)來的測距詢問信號,經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、收發(fā)分機濾波、下變頻得到中頻信號,送到監(jiān)控分機進行采樣、碼型相關(guān)等處理,識別出測距詢問信號后,經(jīng)過固定延時產(chǎn)生測距應(yīng)答信號。測距采取的是碼相關(guān)測距方式,具有精度高、抗干擾能力強等特點。

方位相控陣天線是水平一維陣列天線,由天線陣元、功分器、移相器、監(jiān)測波導(dǎo)、溫度補償檢波器和支撐架等部分組成。發(fā)射機的射頻信號送到功率分配器將功率分配到各移相器,移相器對信號進行相位控制并將其饋送給天線陣元,使各陣元信號功率和相位按一定的規(guī)律輻射,從而形成所需的輻射場型。方位/距離設(shè)備的數(shù)據(jù)天線是垂直方向天線陣,是兩個22個振子構(gòu)成的雙列陣,其陣面和幅相分配設(shè)計與方位天線陣元設(shè)計基本相同,即天線垂直面輻射特性與方位掃描天線垂直面輻射特性基本一致。

2)機載設(shè)備

機載設(shè)備由天線、收發(fā)通道、數(shù)據(jù)處理模塊和電源組成,與地面設(shè)備配合工作完成測角和測距,如圖5所示。

圖5　機載設(shè)備組成框圖

在引導(dǎo)信號覆蓋范圍內(nèi),機載設(shè)備和地面設(shè)備同步工作。在角度引導(dǎo)時隙,機載設(shè)備接收處理地面設(shè)備發(fā)射的角度引導(dǎo)信號,進行同步和譯碼,正確的識別并跟蹤掃描波束的往返脈沖,并對基本數(shù)據(jù)作相應(yīng)的譯碼和存儲,提供精密的數(shù)據(jù)和角度引導(dǎo)信息;機載設(shè)備產(chǎn)生測距詢問信號,通過發(fā)射通道和天線發(fā)射,由地面設(shè)備接收識別后返回測距應(yīng)答信號,機載設(shè)備通過接收、處理和計算詢問與應(yīng)答信號的延遲時間來完成距離測量。

2.2.2MLS/RA射頻綜合設(shè)計

MLS和RA的射頻綜合中接收通道可以分為天線接口、接收模塊、信號處理以及交換網(wǎng)絡(luò)模塊,見圖6。

從圖6可見,接收模塊與中頻信號處理是通用化、模塊化綜合設(shè)計的重點。

天線接口設(shè)計:天線接口主要完成接收模塊與天線間的接口適配。完成對接收信號的預(yù)處理工作,主要包括濾波器、低噪聲放大器、信號切換等。

接收模塊設(shè)計:設(shè)計一種多模式的接收通道,能夠同時滿足兩種功能的需求。關(guān)鍵在于解決無線電高度表和微波著陸對接收機的不同要求或者說矛盾之處,特別是接收機通道帶寬、接收機AGC響應(yīng)時間等系統(tǒng)參數(shù)。

交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計:系統(tǒng)中存在兩個信號交換網(wǎng)絡(luò),一是射頻信號交換網(wǎng)絡(luò),二是中頻信號交換網(wǎng)絡(luò)。交換網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)的控制下,實現(xiàn)對信號的交換,對于射頻信號交換網(wǎng)絡(luò)選擇PIN電子開關(guān)實現(xiàn)。

3總結(jié)

基于未來綜合航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向,設(shè)計了無人機五組合導(dǎo)航系統(tǒng)及半物理仿真平臺。平臺具有很強的實時性、可靠性、穩(wěn)定性和良好的擴展性。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計和航電綜合以及飛控系統(tǒng)設(shè)計驗證研究方面可大大提高研發(fā)效率和可靠性。

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*收稿日期:2015-03-31

基金項目:國家自然科學(xué)基金(61174194,61473308)資助

作者簡介:胡奕明(1970-),男,陜西西安人,講師,博士,研究方向:組合導(dǎo)航與數(shù)據(jù)融合。

中圖分類號:V249

文獻標(biāo)志碼:A

Design and Research of UAV Integrated Navigation Semi-physical Simulation System

HU Yiming,LU Hu,NIU Jianglong

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

Abstract:The semi-physical simulation system was designed to test GNSS/MLS/VNS/INS/RA integrated navigation system and algorithms. The system is a complex UAV loop semi-physical simulation system which integrates airborne sensor, physical effect machine, flight simulation, the UAV ground station analog system, testing control and evaluation system, visual and displaying system and avionics electronic system.

Keywords:integrated navigation; integrated avionic system; semi-physical simulation system; flight simulation