一种组合导航半物理仿真测试同步控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及组合导航半物理仿真测试系统中卫星导航模拟器与三轴位置速率 转台设备的同步控制方法，尤其涉及从仿真控制计算机下发测试指令，到GNSS (Global Navigation Satellite System)信号模拟器产生射频信号、发送IMU(Inertial Measurement Unit)模拟数据、转台转动到模拟载体姿态时刻的时间同步控制，保证GNSS 信号模拟时刻、頂U数据模拟时刻、转台转动姿态时刻三者对齐，实现组合导航系统半物理 仿真测试的逼真性和正确性。
【背景技术】
[0002] 随着精确制导武器、各种复杂电磁环境的出现，单一的导航系统越来越不能满足 任务的需求，因此目前各个国家都在大力研究多传感器融合的导航系统。目前在导航领域， 卫星导航方法在导航市场占据垄断地位。GNSS(Global Navigation Satellite System) 具有全球、全天候、精度长期稳定性等优点。然而在森林、隧道、水下以及高楼林立的城市峡 谷等场景，其信号容易被遮挡，从而失去导航定位能力。除此之外，在战况复杂的局部战场， GNSS信号容易被干扰、诱骗从而使GNSS无法定位甚至出现错误的定位结果。INS (Inertial Navigation System)利用其自身的陀螺和加速度计根据量测到的载体的角速度和加速度 信息来推算载体的位置、速度、姿态信息。其不向外界辐射任何信号，因此具有较强的抗干 扰性能。然而由于陀螺和加速度计输出存在误差，惯导推算的位置、速度、姿态信息会随时 间积累。长时间导航会导致导航信息的发散。GNSS、INS具有良好的互补特性，是常用的组 合导航方式。GNSS/INS组合导航根据组合方式的不同分为松组合、紧组合、深耦合三个层 次。在松组合中，采用的GNSS组合量为GNSS解算的位置、速度信息，由于GNSS定位至少需 要四颗卫星，因此在可观测卫星数量小于四颗的情况下松组合方式便无法进行。紧组合采 用的观测量是卫星伪距和伪距率信息，在观测星数小于四颗的情况下仍然具有一定的导航 定位能力。深耦合是GNSS接收机根据INS提供的载体的速度、以及加速度信息来辅助GNSS 接收机的捕获跟踪，从而提高GNSS接收机在高动态、弱信号以及强干扰环境下的捕获跟踪 能力。
[0003] 为了验证INS/GNSS组合导航系统以及组合导航算法的性能，对组合导航系统的 大量测试是必不可少的。由于组合导航系统载体的运动形式多样，并且有机载、弹载、车载 等多种应用场合，对于一个高精度的组合导航系统，如果全部采用实际搭载试验，会耗费大 量的人力、物力、时间，而纯粹的数学仿真、建模不能很好模拟载体真实运动的测量误差，因 此，采用实验室GNSS/INS组合导航模拟器与三轴转台组成的组合导航半物理仿真平台进 行测试试验，能够很好地解决这一问题。
[0004] GNSS/INS组合导航半物理仿真平台包括控制计算机、GNSS/INS信号模拟器、三轴 转台以及惯性测量单元。其中控制计算机用于设定载体的运动轨迹、运动速度信息，并且将 用户设定的载体运动轨迹、运动速度进行离散采样，并将离散采样的数据发送给GNSS/INS 信号模拟器。GNSS/INS信号模拟器在接收到控制计算机生成的离散采样数据后计算生成卫 星星历信息，并且将卫星星历信息经过上变频形成模拟的卫导射频信号，同时生成加速度 计模拟信号。而三轴转台用于控制惯导的横滚、俯仰、航向姿态信息发生动态变化，从而模 拟实际导航应用中载体的真实运动场景。GNSS/INS半物理仿真系统既解决了高动态场景难 以执行的问题，同时由于使用转台提供载体的角运动信息，从而能够更加逼真地模拟GNSS/ INS组合导航系统运动场景。
[0005] 组合导航半物理仿真测试是采用GNSS/INS组合导航模拟器模拟载体运动过程中 接收机接收的射频信号，同时根据载体运行轨迹、速度、加速度等信息，仿真生成模拟的頂U 测量的加速度数据，另外利用转台设备模拟载体运行中姿态变化，测试过程中，GNSS/INS组 合导航系统安装于转台上，MU敏感姿态变化获得陀螺仪测量数据，接收机单元接收GNSS/ INS组合导航模拟器模拟的卫星导航射频信号，组合处理单元一方面采集陀螺仪测量数据， 一方面接收模拟生成的加速度计数据，并进行捷联惯导解算及接收机环路辅助信息计算。
[0006] 通过仿真控制计算机、GNSS导航模拟器、转台及被测组合导航接收机的联合测试， 可以用于组合导航设备开发及测试。
[0007] GNSS/INS组合导航系统半物理仿真系统的一个关键性问题是保证GNSS/INS模拟 器生成的卫导模拟信号、加速度计模拟信号以及转台姿态变化三者之间的时间同步性。当 模拟载体的高动态运动场景时，时间同步准确性尤其重要。在验证组合导航半物理仿真测 试时，保证GNSS/INS组合导航模拟器生成的射频信号、模拟的頂U数据以及三轴转台姿态 的时间同步，是组合导航半物理仿真测试的关键。
[0008] 頂U数据的输出没有绝对的时间基准，一般是离散的数据采样点进行输出，对于采 样频率为200Hz的IMU来说，每个采样点间隔是5ms，对于高速飞行的载体来说，GNSS模拟 信号与INS时间数据同步一致性应该在Ims以内，如果时间不同步，那么数据就不能对齐， 不能实时准确的反应载体的速度、姿态、位置等信息，使实验毫无意义，另一方面不对齐的 卫星导航测量信息和惯性导航测量信息无法进行数据融合，也就无法进行组合导航系统的 开发和测试。
[0009] GNSS/INS组合导航模拟器与INS转台运动不同步的原因主要由以下几方面造成：
[0010] 1)仿真控制计算机从仿真控制软件接受参数配置指令到形成仿真控制指令需要 时间；
[0011] 2)仿真控制计算机下发指令数据到GNSS/INS组合导航模拟器和转台控制计算机 有数据传输延迟，且延迟时间不固定；
[0012] 3)GNSS/INS组合导航模拟器从接收到仿真控制指令到产生模拟的射频数据中间 计算时间延迟；
[0013] 4)转台控制器向转台电机驱动控制器下发控制指令到转台电机带动转台运行到 相应控制点需要运行时间；
[0014] 上述各流程时间延迟的不确定性，直接导致了模拟的GNSS导航信号和頂U模拟数 据以及转台运行到得姿态之间无法同步，组合导航系统得到的测量信息也是不同步的，无 法模拟真实的使用环境，也无法测试系统性能。
[0015] 目前国内学者主要针对组合导航接收机内部頂U与GNSS数据输出的频率不同造 成的时间不同步这一问题研究较多，但是对于半物理仿真测试中GNSS/INS组合导航模拟 器和转台联合测试方面，如何保证射频信号、模拟加速度计数据和转台姿态变化同步方面 没有有效的解决方案，本发明主要解决这一问题。
【发明内容】
[0016] 本发明所要解决的技术问题是GNSS/INS组合导航半物理仿真中，GNSS模拟信号、 加速度计模拟信号以及转台姿态变化的时间同步问题。组合导航测试中，载体高动态的场 景难以执行。仿真生成组合测试所需要的高动态数据，能够