一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統及其傳遞對準方法
2023-06-24 03:47:36
一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統及其傳遞對準方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統及其傳遞對準方法。該系統包括主慣導系統、主控計算機和子慣導系統，其中主慣導系統包括主慣導、第一GPS接收機和主導航計算機，子慣導系統包括子慣導、第二GPS接收機、子導航計算機和監控系統。傳遞對準方法為：主導航計算機接收主慣導和第一GPS接收機的數據，進行組合導航獲得基本導航信息並發送給主控計算機；主控計算機對接收到的數據進行處理後發送給子慣導系統；子導航計算機接收主控計算機和子慣導發送的數據，建立卡爾曼濾波模型並採用「速度+姿態」匹配方式進行動基座傳遞對準，同時將導航信息發送給監控系統。本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統的實時性強、精度高、穩定性好。
【專利說明】一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統及其傳遞對準方法 一【技術領域】
[0001] 本發明屬於慣性導航領域，特別是一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統及其傳遞對準方 法。 二【背景技術】
[0002] 瞄準吊艙（TargetingPod)是掛在飛機專用掛梁處，供駕駛員實施對紅外目標的 圖像識別、跟蹤、瞄準和雷射測距，以及導引雷射半主動制導武器的目標照射的專用艙形裝 置，在飛行器大地勘探、遙測、災難救援等領域也得到了廣泛的應用。
[0003] 軍用瞄準吊艙是一種融合了光電探測器、捷聯慣性導航系統和複雜的數據融合算 法等為一體的輕小型、遠程目標探測的空中武器作戰裝備。在戰鬥機上安裝了嵌入式瞄準 吊艙測姿系統，大大地提高了其跟蹤能力及對地攻擊精度，同時具備一定的自主導航能力， 從而可實現對海、陸、空目標的快速搜索，實時跟蹤和精確定位，並能引導精確制導武器或 常規武器對目標實時精確打擊。但瞄準吊艙上裝備的的慣性測姿裝置（子慣導）一般精度 較低，測量誤差隨時間積累，需要利用戰機上的高精度慣性導航系統(主慣導）信息來進行 動基座傳遞對準。
[0004] 瞄準吊艙測姿系統功能複雜，在接收處理大量數據的同時，需要周期性進行複雜 的卡爾曼濾波算法計算，並且還需要實時向機載主控計算機提供導航參數，傳統的單任務 軟體不能滿足傳遞對準的實時性要求，在戰機劇烈機動後，產生的新瞄準線將有延誤，且瞄 準的誤差大、可靠性低。 三
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種穩定性好、測量精度高、實時性強的瞄準吊艙測姿系統 及其傳遞對準方法。
[0006] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統，包括主慣導 系統、主控計算機和子慣導系統，其中主慣導系統包括主慣導、第一GPS接收機和主導航計 算機，子慣導系統包括子慣導、第二GPS接收機、子導航計算機和監控系統；所述主慣導通 過RS422接口與主導航計算機連接，第一GPS接收機通過RS232與主導航計算機連接，主導 航計算機的輸出端通過RS422接口接入主控計算機；主控計算機與子慣導系統的子導航計 算機通過RS422接口連接，子慣導和第二GPS接收機均通過RS422接口與子導航計算機連 接，子導航計算機的輸出端通過RS422接口接入監控系統；
[0007] 主導航計算機接收主慣導和第一GPS接收機的數據，進行組合導航獲得基本導航 信息，並將生成的基本導航信息發送給主控計算機；主控計算機對主慣導系統實時發送來 的數據進行處理，然後發送給子慣導系統；子導航計算機一方面接收主控計算機發來的主 慣導系統數據，另一方面接收子慣導發送的數據，並將接收到的數據進行捷聯慣導解算， 然後利用主慣導信息進行動基座傳遞對準，得到穩定平臺的速度、姿態和位置信息並通過 RS422接口發送給監控系統；第二GPS接收機負責子導航計算機內部時鐘授時、以及主慣導 和子慣導之間的時間同步。
[0008] -種嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法，包括以下步驟：
[0009] 第1步，對系統的軟體進行初始化，其中包括主慣導系統和子慣導系統安裝誤差 角對應的補償角的初始化，然後進入下一步；
[0010] 第2步，由主任務得到主慣導系統測得的載體速度信息、姿態信息、角速度信息、 比力信息和位置信息，並利用第1步所得的補償角修正該姿態信息；
[0011] 第3步，進行粗對準，將第2步主慣導系統測得的速度信息、位置信息、補償角修正 後的姿態信息賦給子慣導系統的對應參數，作為子慣導系統的解算初值；
[0012] 第4步，子慣導系統以第3步粗對準後的導航信息為初值，進行慣導捷聯解算，得 到子慣導系統的位置信息、速度信息和姿態信息；
[0013] 第5步，主慣導系統的數據經過時間同步和杆臂補償處理後，採用"速度+姿態"的 匹配方式建立卡爾曼濾波模型，以第2步中主慣導系統與第4步子慣導系統之間的速度差 值和姿態差值作為量測變量，進行卡爾曼濾波迭代，得到子慣導系統的速度誤差、平臺失準 角、安裝誤差角、陀螺常值漂移和加速度計常值偏置；
[0014] 第6步，將第5步得到的子慣導系統速度誤差、平臺失準角，對第4步子慣導系統 的速度信息、姿態信息進行校正，最終獲得子慣導系統經校正後的速度信息和姿態信息，並 通過RS422接口發送給監控系統。
[0015] 本發明與現有技術相比，其顯著優點是：（1)在VxWorks嵌入式實時作業系統下， 設計了傳遞對準多任務軟體，實時性強、穩定性好；（2)對於主、子慣導安裝的特殊情況，能 夠進行大安裝誤差角情況下的傳遞對準。 四【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統的硬體結構示意圖。
[0017] 圖2是本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統中多任務軟體的流程圖。
[0018] 圖3是本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法流程圖。
[0019] 圖4是本發明中"速度+姿態"匹配方式的傳遞對準原理框圖。
[0020] 圖5是本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準跑車實驗硬體結構示意圖。
[0021] 圖6是本發明實施例1中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0022] 圖7是本發明實施例2中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0023] 圖8是本發明實施例3中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0024] 圖9是本發明實施例4中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0025] 圖10是本發明實施例5中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0026] 圖11是本發明實施例6中傳遞對準跑車實驗失準角估計曲線圖。
[0027] 表1是實施例1?6中子慣導數據統計表。 五【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0029] 結合圖1，本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統，包括主慣導系統、主控計算機和子慣 導系統，其中主慣導系統包括主慣導、第一GPS接收機和主導航計算機，子慣導系統包括子 慣導、第二GPS接收機、子導航計算機和監控系統；所述主慣導通過RS422接口與主導航計 算機連接，第一GPS接收機通過RS232與主導航計算機連接，主導航計算機的輸出端通過 RS422接口接入主控計算機；主控計算機與子慣導系統的子導航計算機通過RS422接口連 接，子慣導和第二GPS接收機均通過RS422接口與子導航計算機連接，子導航計算機的輸 出端通過RS422接口接入監控系統；所述子慣導系統中設有與子導航計算機相接的調試接 口，該調試接口為RS232接口或乙太網接口。所述子導航計算機為嵌入式MPC8245計算機 系統，其軟體使用VxWorks作業系統。
[0030] 主導航計算機接收主慣導和第一GPS接收機的數據，進行組合導航獲得基本導航 信息，並將生成的基本導航信息發送給主控計算機；主控計算機對主慣導系統實時發送來 的數據進行處理，然後發送給子慣導系統；子導航計算機一方面接收主控計算機發來的主 慣導系統數據，另一方面接收子慣導發送的數據，並將接收到的數據進行捷聯慣導解算， 然後利用主慣導信息進行動基座傳遞對準，得到穩定平臺的速度、姿態和位置信息並通過 RS422接口發送給監控系統；第二GPS接收機負責子導航計算機內部時鐘授時、以及主慣導 和子慣導之間的時間同步。
[0031] 結合圖2,本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統採用嵌入式MPC8245計算機系統作為 子導航計算機，導航計算機採用VxWorks作業系統，軟體開發環境為Tornado2. 2。VxWorks 是一個運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時作業系統，它以其良好的可靠性和 卓越的實時性被廣泛應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域 中。
[0032] 在實時多任務作業系統VxWorks中，任務是指能夠獨立執行，實現某一功能或某 一處理過程，是競爭系統資源的最小運行單元，也是作業系統調度的最基本單元。本系統是 一個多路通信並含有複雜數學運算的多任務應用系統，採用模塊化和層次化的劃分原則， 把本系統的軟體模塊劃分成了四個任務：授時任務、主任務、子任務和發送任務，其中授時 任務優先級最高，負責接收第二GPS接收機的數據，根據秒脈衝對子導航計算機內部時鐘 授時，授時成功則任務掛起；主任務負責接收主控計算機發來的主慣導系統數據；子任務 負責接收子慣導數據，並進行慣導解算和傳遞對準；發送任務負責把運行結果發送給監控 系統。
[0033] 具體多任務調度軟體流程如圖2所示：
[0034] 弟一步：系統上電後，硬體初始化，多任務初始化，然後啟動多任務調度；
[0035] 第二步：各任務根據優先級的高低搶佔CPU資源，授時任務首先獲得CPU資源，接 收第二GPS數據，根據秒脈衝對系統進行授時，授時成功後任務掛起；
[0036] 第三步：主任務、子任務和發送任務搶佔CPU資源，主任務主要負責接收主慣導系 統的導航數據，發送任務主要負責把數據融合後的高精度導航參數發送給外設，子任務是 該系統的核心，一方面實時接收子慣導數據，另一方面要負責傳遞對準算法的執行。
[0037] 結合圖3?4,本發明嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法，包括以下步驟：
[0038] 第1步，對系統的軟體進行初始化，具體包括：卡爾曼濾波器初始化即系統初始狀 態X、系統狀態協方差陣P、量測噪聲方差陣R、系統過程噪聲方差陣Q的初始化，以及主慣導 系統和子慣導系統安裝誤差角對應的補償角在載體系x、y、z軸的分量ξχ、ly、ξζ的初始 化。
[0039]第2步，由主任務得到主慣導系統測得的載體速度信息、姿態信息、角速度信息、 比力信息和位置信息，並利用第1步所得的補償角修正該姿態信息；所述導航信息包括速 度信息、姿態信息、角速度信息、比力信息和位置信息，其中速度信息包括：主慣導系統的東 向速度Ve，主慣導系統的北向速度Vn，主慣導系統的天向速度Vu ;姿態信息包括：主慣導系 統的俯仰角Θ、主慣導系統的橫滾角Y、主慣導系統的航向角ψ;角速度信息包括：主慣 導系統的東向角速度ωΕ、主慣導系統的北向角速度ωΝ、主慣導系統的天向角速度COu ;比 力信息包括：主慣導系統的東向比力fE、主慣導系統的北向比力fN、主慣導系統的天向比力 fu;位置信息包括主慣導系統的經度λ、主慣導系統的緯度L、主慣導系統的高度h。所述姿 態信息為主慣導系統在大安裝誤差角下測得的姿態角，則其對應的姿態陣：
[0040]
【權利要求】
1. 一種嵌入式瞄準吊艙測姿系統，其特徵在於，包括主慣導系統、主控計算機和子慣 導系統，其中主慣導系統包括主慣導、第一 GPS接收機和主導航計算機，子慣導系統包括子 慣導、第二GPS接收機、子導航計算機和監控系統；所述主慣導通過RS422接口與主導航計 算機連接，第一 GPS接收機通過RS232與主導航計算機連接，主導航計算機的輸出端通過 RS422接口接入主控計算機；主控計算機與子慣導系統的子導航計算機通過RS422接口連 接，子慣導和第二GPS接收機均通過RS422接口與子導航計算機連接，子導航計算機的輸出 端通過RS422接口接入監控系統； 主導航計算機接收主慣導和第一 GPS接收機的數據，進行組合導航獲得基本導航信 息，並將生成的基本導航信息發送給主控計算機；主控計算機對主慣導系統實時發送來的 數據進行處理，然後發送給子慣導系統；子導航計算機一方面接收主控計算機發來的主慣 導系統數據，另一方面接收子慣導發送的數據，並將接收到的子慣導數據進行捷聯慣導解 算，然後建立卡爾曼濾波模型，並採用"速度+姿態"匹配方式進行動基座傳遞對準，得到穩 定平臺的速度、姿態和位置信息並通過RS422接口發送給監控系統；第二GPS接收機負責子 導航計算機內部時鐘授時、以及主慣導和子慣導之間的時間同步。
2. 根據權利要求1所述的嵌入式瞄準吊艙測姿系統，其特徵在於，所述子慣導系統中 設有與子導航計算機相接的調試接口，該調試接口為RS232接口或乙太網接口。
3. 根據權利要求1所述的嵌入式瞄準吊艙測姿系統，其特徵在於，所述子導航計算機 為嵌入式MPC8245計算機系統，其軟體使用VxWorks作業系統。
4. 根據權利要求3所述的嵌入式瞄準吊艙測姿系統，其特徵在於，所述VxWorks操作系 統的軟體模塊劃分為四個任務：授時任務、主任務、子任務和發送任務，其中授時任務優先 級最高，負責接收第二GPS接收機的數據，根據秒脈衝對子導航計算機內部時鐘授時，授時 成功則任務掛起；主任務負責接收主控計算機發來的主慣導系統數據；子任務負責接收子 慣導數據，並進行慣導解算和傳遞對準；發送任務負責把運行結果發送給監控系統。
5. -種基於權利要求1所述嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於， 包括以下步驟： 第1步，對系統的軟體進行初始化，其中包括主慣導系統和子慣導系統安裝誤差角對 應的補償角的初始化，然後進入下一步； 第2步，由主任務得到主慣導系統測得的載體速度信息、姿態信息、角速度信息、比力 信息和位置信息，並利用第1步所得的補償角修正該姿態信息； 第3步，進行粗對準，將第2步主慣導系統測得的速度信息、位置信息、補償角修正後的 姿態信息賦給子慣導系統的對應參數，作為子慣導系統的解算初值； 第4步，子慣導系統以第3步粗對準後的導航信息為初值，進行慣導捷聯解算，得到子 慣導系統的位置信息、速度信息和姿態信息； 第5步，主慣導系統的數據經過時間同步和杆臂補償處理後，採用"速度+姿態"的匹配 方式建立卡爾曼濾波模型，以第2步中主慣導系統與第4步子慣導系統之間的速度差值和 姿態差值作為量測變量，進行卡爾曼濾波迭代，得到子慣導系統的速度誤差、平臺失準角、 安裝誤差角、陀螺常值漂移和加速度計常值偏置； 第6步，將第5步得到的子慣導系統速度誤差、平臺失準角，對第4步子慣導系統的速 度信息、姿態信息進行校正，最終獲得子慣導系統經校正後的速度信息和姿態信息，並通過 RS422接口發送給監控系統。
6. 根據權利要求5所述的嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，第1 步中所述對系統的軟體進行初始化，具體包括：卡爾曼濾波器初始化即系統初始狀態X、系 統狀態協方差陣P、量測噪聲方差陣R、系統過程噪聲方差陣Q的初始化，以及主慣導系統和 子慣導系統安裝誤差角對應的補償角在載體系x、y、z軸的分量lx、ly、的初始化。
7. 根據權利要求5所述的嵌入式瞄準吊艙測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，第2 步所述的速度信息包括：主慣導系統的東向速度VE，主慣導系統的北向速度VN，主慣導系統 的天向速度Vu;姿態信息包括：主慣導系統的俯仰角0、主慣導系統的橫滾角Y、主慣導系 統的航向角V ;角速度信息包括：主慣導系統的東向角速度wE、主慣導系統的北向角速度 ?N、主慣導系統的天向角速度《u;比力信息包括：主慣導系統的東向比力fE、主慣導系統 的北向比力fN、主慣導系統的天向比力f" ;位置信息包括主慣導系統的經度A、主慣導系統 的緯度L、主慣導系統的高度h。
【文檔編號】G01C21/16GK104457748SQ201310428502
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】陳帥, 李璽安, 王於坤, 鍾潤武, 王磊傑, 雷浩然, 單童, 常耀偉, 金磊, 劉亞玲 申請人:南京理工大學