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(jì)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(yàn)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(jì)了集機(jī)載導(dǎo)航傳感器實(shí)物、物理效應(yīng)器、飛行仿真系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)地面站模擬系統(tǒng)、試驗(yàn)總控評(píng)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(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。平臺(tái)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(wú)線(xiàn)電高度表(RA)以及視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)(VNS)綜合運(yùn)用,構(gòu)成“UAV五組合導(dǎo)航系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)航路導(dǎo)航及著陸引導(dǎo)的需求。

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

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于5組合導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與控制半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是對(duì)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(shí)系統(tǒng)外,還兼顧了教學(xué)功能。整個(gè)半物理仿真系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為8大子系統(tǒng),包括:1)黃色:機(jī)載導(dǎo)航與傳感實(shí)物;2)藍(lán)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(yàn)總控與評(píng)估系統(tǒng);6)粉色:航電總線(xiàn)子系統(tǒng);7)灰色:無(wú)人機(jī)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(jī)載設(shè)備的衛(wèi)星接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、微波著陸機(jī)載接收機(jī)、無(wú)線(xiàn)電高度表、視覺(jué)傳感器采用真正的物理部件,機(jī)體平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)仿真。各導(dǎo)航子系統(tǒng)相對(duì)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(wú)人機(jī)地面站模擬系統(tǒng)或操縱臺(tái)手柄實(shí)時(shí)操作生成飛行軌跡,送給飛行仿真系統(tǒng)飛控計(jì)算機(jī),飛控計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)仿真機(jī)和飛行動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)產(chǎn)生飛機(jī)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(dòng)物理效應(yīng)器產(chǎn)生相應(yīng)的物理效應(yīng),來(lái)激勵(lì)各類(lèi)導(dǎo)航系統(tǒng),進(jìn)而由各類(lèi)導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生飛機(jī)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(wú)人機(jī)地面站在仿真過(guò)程中一方面可以監(jiān)視無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài),控制飛機(jī)的飛行模式。另一個(gè)方面還可以設(shè)定無(wú)人機(jī)的飛行軌跡,監(jiān)控?zé)o人機(jī)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(jiàn)光設(shè)備監(jiān)視地面的車(chē)輛,完成偵察任務(wù)。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1飛行仿真系統(tǒng)

飛行仿真系統(tǒng)主要完成飛機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的仿真,解算飛機(jī)六自由度動(dòng)力學(xué)模型、傳感器模型、舵機(jī)模型、飛行控制律實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真[2-4]。

2.1.1硬件設(shè)計(jì)

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

仿真主控機(jī)和仿真目標(biāo)機(jī)的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　主控機(jī)和目標(biāo)機(jī)架構(gòu)

仿真目標(biāo)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,采用VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型就在這里運(yùn)行。仿真計(jì)算機(jī)采用開(kāi)放的、高可靠性PCI總線(xiàn),具有1553B、RS485、千兆以太網(wǎng)卡等數(shù)據(jù)通訊接口。同時(shí)仿真過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)也由該仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)回傳給主控計(jì)算機(jī),用于仿真結(jié)果的記錄與分析。

主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行仿真管理與控制軟件完成對(duì)仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)的控制,同時(shí)還運(yùn)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(xiàn)顯示軟件。實(shí)現(xiàn)仿真模型的搭建、模型代碼的自動(dòng)生成、下載和仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析處理等功能。主控計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)通過(guò)1 000 M以太網(wǎng)通訊。

2.1.2軟件設(shè)計(jì)

主控機(jī)的仿真管理與控制軟件和目標(biāo)機(jī)的仿真軟件共同實(shí)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(jī)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(jī)軟件分為人機(jī)交互界面應(yīng)用層、中間層、請(qǐng)求目標(biāo)機(jī)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(jī)軟件分為目標(biāo)機(jī)服務(wù)應(yīng)用層、目標(biāo)機(jī)服務(wù)請(qǐng)求響應(yīng)層、目標(biāo)機(jī)服務(wù)請(qǐng)求解析層、目標(biāo)機(jī)客戶(hù)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(jì)中關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè),一是組合導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器射頻綜合問(wèn)題,二是組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合問(wèn)題。由于文章篇幅有限,在此僅將第一個(gè)問(wèn)題做以介紹。

現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的航空電子系統(tǒng)發(fā)展[5]經(jīng)過(guò)了分離式、集中式、聯(lián)合式的發(fā)展階段,如今已進(jìn)入了綜合架構(gòu)的時(shí)期,未來(lái)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(guò)“寶石柱”和“寶石臺(tái)”計(jì)劃已初步實(shí)現(xiàn)了綜合航電系統(tǒng)中的傳感器射頻綜合,但我國(guó)在這方面還相對(duì)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(xiàn)(孔徑)綜合和射頻綜合等內(nèi)容?？讖骄C合即把無(wú)人機(jī)上的幾十付天線(xiàn)按頻段功能歸并,重構(gòu)成數(shù)量盡可能少的天線(xiàn)。射頻綜合即是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法,把各個(gè)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(hào)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(jìn)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(cè)角部分RA都工作在C波段(4 000～5 090 MHz),而MIS精密測(cè)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(jì)要求,文中提出將L波段精密測(cè)距器工作頻段提高到C波段,以實(shí)現(xiàn)MLS的測(cè)角測(cè)距同頻運(yùn)用的射頻綜合,使MLS組成設(shè)備得到綜合集成,減少裝機(jī)天線(xiàn)種類(lèi)和機(jī)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(wèn)題。因此,文中研究了兩個(gè)方面問(wèn)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(cè)角測(cè)距同頻實(shí)現(xiàn)

MLS測(cè)角測(cè)距同頻實(shí)現(xiàn),需要改進(jìn)設(shè)計(jì)MLS地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備,包括地面方位/距離設(shè)備、地面仰角設(shè)備和機(jī)載設(shè)備。地面和機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生處理的測(cè)角測(cè)距信息是在同一頻段以時(shí)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(jì)的重點(diǎn)。

1)地面方位/距離設(shè)備

方位/距離設(shè)備由天饋線(xiàn)系統(tǒng)、收發(fā)分機(jī)、監(jiān)控分機(jī)、無(wú)線(xiàn)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(hào)發(fā)射時(shí)隙,收發(fā)分機(jī)內(nèi)的頻率合成器輸出200個(gè)波道中的一個(gè)指定發(fā)射頻率,由監(jiān)控分機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)字和測(cè)距應(yīng)答基帶信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制,形成的BPSK中頻調(diào)制信號(hào)送到收發(fā)分機(jī)進(jìn)行上變頻和功率放大,產(chǎn)生所需的射頻信號(hào);監(jiān)控分機(jī)控制天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),適時(shí)地把射頻信號(hào)送到數(shù)據(jù)天線(xiàn)上完成信號(hào)的輻射。掃描天線(xiàn)輻射的信號(hào)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的射頻信號(hào),在掃描天線(xiàn)工作時(shí)隙,天線(xiàn)選擇開(kāi)關(guān)把載波射頻信號(hào)接到掃描天線(xiàn),同時(shí)監(jiān)控分機(jī)控制掃描天線(xiàn)產(chǎn)生窄波束并完成“往”、“返”掃描。

信號(hào)接收時(shí)隙,數(shù)據(jù)天線(xiàn)接收機(jī)載設(shè)備發(fā)來(lái)的測(cè)距詢(xún)問(wèn)信號(hào),經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、收發(fā)分機(jī)濾波、下變頻得到中頻信號(hào),送到監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行采樣、碼型相關(guān)等處理,識(shí)別出測(cè)距詢(xún)問(wèn)信號(hào)后,經(jīng)過(guò)固定延時(shí)產(chǎn)生測(cè)距應(yīng)答信號(hào)。測(cè)距采取的是碼相關(guān)測(cè)距方式,具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

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

2)機(jī)載設(shè)備

機(jī)載設(shè)備由天線(xiàn)、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(cè)角和測(cè)距,如圖5所示。

圖5　機(jī)載設(shè)備組成框圖

在引導(dǎo)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi),機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備同步工作。在角度引導(dǎo)時(shí)隙,機(jī)載設(shè)備接收處理地面設(shè)備發(fā)射的角度引導(dǎo)信號(hào),進(jìn)行同步和譯碼,正確的識(shí)別并跟蹤掃描波束的往返脈沖,并對(duì)基本數(shù)據(jù)作相應(yīng)的譯碼和存儲(chǔ),提供精密的數(shù)據(jù)和角度引導(dǎo)信息;機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生測(cè)距詢(xún)問(wèn)信號(hào),通過(guò)發(fā)射通道和天線(xiàn)發(fā)射,由地面設(shè)備接收識(shí)別后返回測(cè)距應(yīng)答信號(hào),機(jī)載設(shè)備通過(guò)接收、處理和計(jì)算詢(xún)問(wèn)與應(yīng)答信號(hào)的延遲時(shí)間來(lái)完成距離測(cè)量。

2.2.2MLS/RA射頻綜合設(shè)計(jì)

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

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

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

接收模塊設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)一種多模式的接收通道,能夠同時(shí)滿(mǎn)足兩種功能的需求。關(guān)鍵在于解決無(wú)線(xiàn)電高度表和微波著陸對(duì)接收機(jī)的不同要求或者說(shuō)矛盾之處,特別是接收機(jī)通道帶寬、接收機(jī)AGC響應(yīng)時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)。

交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì):系統(tǒng)中存在兩個(gè)信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò),一是射頻信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò),二是中頻信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò)。交換網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)的控制下,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的交換,對(duì)于射頻信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò)選擇PIN電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

3總結(jié)

基于未來(lái)綜合航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向,設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)五組合導(dǎo)航系統(tǒng)及半物理仿真平臺(tái)。平臺(tái)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性和良好的擴(kuò)展性。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和航電綜合以及飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(61174194,61473308)資助

作者簡(jiǎn)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(lèi)號(hào):V249

文獻(xiàn)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