基于同步采集系統的DR 導航實驗結果分析

張延順，孫雪，李明，黃萍

（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

建設研究型大學，培養具有創新型和實踐能力的復合型人才是現代大學的努力目標。而實驗教學是實現這一目標的有效手段。我國高校都認識到這一點，都逐漸重視實驗教學。國家和教育部也在實驗教學方面加大了投入。各學校相繼建設了實驗平臺、實驗設備，并配套開設了相關實驗課程。實驗教學在學生素質教育、專業教育中起到重要作用，實驗教學規模有了較大的提升，教學效果的問題開始凸顯出來。實驗教學中存在什么問題？如何進一步提高教學效果，更好地發揮實驗教學的作用？這是目前我們從事實驗教學教師需要考慮的問題。根據各自專業特點和實驗項目特點，提出相應的解決辦法是解決上述問題的有效方法。國內有高校開始探索采用多元化評價手段對實驗結果進行考核。通過對國外大學專業課程設計特點調研得出如提高實踐教學效果，需要提高教師隊伍的專業能力、提倡進行團隊式指導、強調設計題目的創新性和增加對實驗結果的考核。為提高本學校慣性測量類課程實驗教學效果，本文分析了本科導航專業實驗項目特點，搭建了數據同步采集平臺，并用于高、低精度導航系統實驗結果對比分析。

1 慣性測量類實驗課程與項目特點

慣性技術是一門多學科交叉的綜合性技術，是前沿技術與基礎工業相結合的一種技術，是國防基礎技術的一項關鍵技術。隨慣性傳感器、慣導系統成本下降，社會對慣性測量類人才和知識需求增加，這對學生培養也提出了新的需求。慣性技術內容抽象、枯燥，學生不易理解，特別是慣性空間的概念學生很不容易理解。因此，通過不同運動狀態下慣性器件、慣性導航系統輸出數據的對應關系來加強對慣性系統相關概念、特性的理解是很有必要的。而應用實際系統進行實驗能取得比較好的效果。但存在高精度慣性系統價格昂貴、低精度系統性能不好的現狀，有些實驗項目達不到理想效果。特別是涉及慣性導航算法、復雜點的綜合性設計型實驗中，用低精度系統做出的實驗數據誤差較大，不好給學生清晰的量化認識。即使應用科研上的高精度系統與我們實驗系統輸出計算結果進行對比，也由于不能把高精度、低精度系統進行同步數據采集，而使對比結果不能反映真實情況。為達到真實數據的對比效果，需要建設同步數據采集系統，把高精度系統和低精度系統輸出的數據同步采集對比，才能分析出慣性測量信息異同、算法解算結果的優劣。這有助于學生對高精度、低精度傳感器測量精度理解、體會，也能分析出不同精度傳感器情況下導航算法精度。對不同等級系統性能有直觀體會。本文設計多路信號同步采集系統，同步采集高精度和低精度系統數據，并進行了對比分析。

2 多路信號同步采集系統

信號同步采集是進行數據對比，實驗結果評估的前提條件。為此，進行了多路信號同步采集系統研制。目前慣性傳感器和慣性導航系統多數是232 和422 接口，所以研制了基于DSP 的6 輸入2 輸出信號采集系統，如圖1 所示。

圖1 信號同步采集系統

圖1 所示信號同步采集系統，CPU 選擇DSP28335，有6路輸入信號通道，接口為232/422，輸出接口為2 路232。這樣系統可以同時6 種外界傳感器（或系統）信號。采集到的同步信號可以上傳到上位機，也可存儲到板上SIM 卡中。圖1 中左側是低精度MEMS 慣性傳感器、右側上方是中精度光纖慣性導航系統、右下方是低精度MEMA 慣性導航系統。利用此系統能同時進行高、中、低精度器件、系統信號采集，便于對不同精度器件、系統性能指標和相應算法的對比分析。

3 基于多路信號同步采集系統的DR 導航實驗效果分析示例

3.1 DR 導航原理

基于以上思想進行了DR 導航的對比分析實驗。DR 導航是“DR 導航定位關鍵技術綜合驗證實驗”的實驗內容。DR導航是相對簡單的導航方法其利用陀螺儀測量航向和里程儀測量單位時間內走過的長度，通過坐標累積和變換的方法實現定位。其原理如圖2。

圖2 DR 導航原理圖

圖2 中兩個互相正交的坐標軸設定為參考坐標方向。當有方向基準時設為正東和正北方向。當沒有坐標基準時只視為兩正交坐標。(Ek-1,Nk-1)和(Ek-1,Nk-1)分別為前后兩個行走時刻的位置坐標，L(k-1)和L(k)分別為前后兩次采樣間隔間的距離變化值，θ(k-1)和θ(k-1)是前后兩次行走的航向角。如果知道運動目標初始時刻的位置，還知道目標開始運動之后每一采樣間隔間的距離變化值和航向角，便可以推算出后續任意時刻運動目標的位置。

3.2 對比實驗

基于以上思想進行了DR 導航的對比分析實驗。DR 導航是“DR 導航定位關鍵技術綜合驗證實驗”的實驗內容。DR導航是相對簡單的導航方法其利用陀螺儀測量航向和里程儀測量單位時間內走過的長度，通過坐標累積和變換的方法實現定位。一組實驗數據如圖2、圖3 所示。圖2 是利用MEME系統計算結果，圖3 是利用中精度光纖系統計算結果。通過兩組數據可以看到定位誤差都是隨時間發散，但MEMS 系統誤差發散的速度遠大于光纖系統。通過實際數據的對比，學生能清晰、直觀地看到不同系統的性能，并體會到DR 導航算法的誤差特性。

圖3 中數據是采用MEMS 系統進行DR 導航解算的定位誤差，其中藍色曲線是定位誤差，下面的紅色曲線是相對距離誤差。圖4 是采用光纖陀螺系統的定位誤差情況。通過兩種系統輸出的對比，學生能對系統誤差特性有直觀認識，并且通過數據處理分析還能有量化結果，有助于進行誤差的定量對比分析。

圖3 MEMS 系統輸出

圖4 光纖系統輸出

4 結語

對比分析是評價教學實驗效果的有效手段。能讓學生深化理解實驗原理量化體會誤差特性，可在工科實驗教學中廣泛應用。