艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)測試及精度評定系統(tǒng)＊

樊勇華 查 峰 李京書

（1.海軍東海艦隊司令部軍訓(xùn)處 寧波 315122）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

1 引言

艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是艦船的重要導(dǎo)航裝備，其綜合了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等各系統(tǒng)的導(dǎo)航信息。綜合慣導(dǎo)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著為艦船航行和武器設(shè)備提供各種姿態(tài)、航向等導(dǎo)航信息的重要使命，其系統(tǒng)狀態(tài)和精度直接影響艦船的安全航行和艦艇戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。因此，對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的測試和狀態(tài)評估是提高艦船綜合保障能力的重要方向。

艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)包含的導(dǎo)航分系統(tǒng)繁雜，信息種類多，信息量大，測試難度大，且各系統(tǒng)信息的特點(diǎn)和誤差特性并不相同，難以對系統(tǒng)狀態(tài)和精度進(jìn)行統(tǒng)一評定。目前，對于艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的測試和故障檢測主要通過對各分系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立狀態(tài)測試和故障診斷、預(yù)測。由于系統(tǒng)特點(diǎn)和誤差特性，目前對艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)測試、診斷主要集中在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上。相關(guān)文獻(xiàn)對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)測試、性能狀態(tài)評估進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［1］利用灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對陀螺的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模，文獻(xiàn)［2］將小波變換引入灰色模型，對陀螺的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模和預(yù)測，取得較好效果。研究表明［3］，陀螺電機(jī)故障為陀螺儀最主要的故障模式，直接影響陀螺儀的性能狀態(tài)。陀螺電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)是影響其狀態(tài)性能的關(guān)鍵因素［4］。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［5～6］提出一種基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的陀螺電機(jī)的狀態(tài)預(yù)測模型。文獻(xiàn)［7］提出一種基于卡爾曼濾波的BIT故障檢測方法，提出采用雙套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)配置和GPS、計程儀組成容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的故障檢測和隔離能力。

但是慣導(dǎo)系統(tǒng)組成復(fù)雜，影響其狀態(tài)和性能因素較多，且慣導(dǎo)系統(tǒng)屬于精密儀器，要從系統(tǒng)內(nèi)部對其性能測試和數(shù)據(jù)采集勢必影響系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)測試和評估困難。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)包含了各分系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，其分系統(tǒng)的輸出反映了其系統(tǒng)狀態(tài)，且各系統(tǒng)信息以串行接口的形式發(fā)送到綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中，其信息測試較為簡單。為此，本文提出了一種基于串口輸出數(shù)據(jù)艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試和精度評定系統(tǒng)設(shè)計方案。方案基于系統(tǒng)信息輸出協(xié)議，以Labview為軟件開發(fā)平臺設(shè)計了艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集及精度評定算法。實(shí)現(xiàn)對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時、準(zhǔn)確采集，為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和性能評估提供數(shù)據(jù)支持。同時針對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)接收的導(dǎo)航設(shè)備信息種類和誤差特性不同，利用采集的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的速度、位置輸出為參考，設(shè)計了慣導(dǎo)系統(tǒng)、計程儀等自主性導(dǎo)航設(shè)備精度評定算法，可以為慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能狀態(tài)提供參考。

2 系統(tǒng)組成

艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)包含的導(dǎo)航系統(tǒng)主要有：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，羅蘭C等無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，平臺羅經(jīng)、磁羅經(jīng)等姿態(tài)和航向指示系統(tǒng)。各分系統(tǒng)的信息輸出和特點(diǎn)不盡相同，系統(tǒng)誤差也因各自模型不同而呈現(xiàn)出不同的特性。平臺羅經(jīng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等慣性系統(tǒng)，由于其慣性元件（陀螺儀和加速度計）存在著不可消除的誤差，同時慣性器件存在安裝誤差，導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)在進(jìn)行導(dǎo)航解算時，對慣性敏感元件輸出的積分會導(dǎo)致慣導(dǎo)存在隨時間發(fā)散的誤差積累，因此慣導(dǎo)系統(tǒng)不可避免的存在隨時間累積的姿態(tài)和位置誤差。對于GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其系統(tǒng)精度較高，誤差相對較為穩(wěn)定，但因其需與外界進(jìn)行信息交換，因此其系統(tǒng)輸出容易受干擾。對于羅蘭C無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，一方面精度有限，同時其信息也易受干擾，因此一般作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的備份。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)各分系統(tǒng)的信息通過一定的通訊協(xié)議以串行接口的形式發(fā)送到系統(tǒng)顯控部件。其各分系統(tǒng)信息能夠反映各分系統(tǒng)狀態(tài)和特點(diǎn)，同時利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度高，不隨時間發(fā)散的特點(diǎn)，可以將其作為基準(zhǔn)信息對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行精度評估。針對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息特點(diǎn)，構(gòu)建的基于串口的系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)框圖

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的各分系統(tǒng)將導(dǎo)航信息輸出以RS422的形式發(fā)送到綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的顯示和控制部件。通過綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的串行接口，利用串口／USB轉(zhuǎn)換模塊將RS422的信息輸出轉(zhuǎn)換為USB接口形式，輸入便攜式數(shù)據(jù)測試計算機(jī)。測試計算機(jī)利用設(shè)計的數(shù)據(jù)接收程序接收綜合導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，并根據(jù)相應(yīng)的通訊協(xié)議進(jìn)行誤碼判斷，當(dāng)確定數(shù)據(jù)接收正常后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到各導(dǎo)航分系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息。根據(jù)各系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用GPS的位置和速度導(dǎo)航信息為基準(zhǔn)，可對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等進(jìn)行位置和速度精度評定。而由于綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的姿態(tài)信息均有慣性系統(tǒng)提供，因此難以找到有效的姿態(tài)基準(zhǔn)。因此姿態(tài)位置參考設(shè)備采用MS860型高精度測姿系統(tǒng)，該系統(tǒng)為美國Trimble公司開發(fā)的一款GPS接收機(jī)設(shè)備，可以為運(yùn)動載體和平臺提供精確的位置、航向、姿態(tài)和速度信息。MS860采用了Trimble公司專利的RTK（real－time kinematic）技術(shù)，利用接收的GPS位置信息進(jìn)行運(yùn)動載體姿態(tài)、航向和速度的精確解算［8］。同時系統(tǒng)采用全固態(tài)的電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)組成，沒有運(yùn)動和轉(zhuǎn)動部件，可靠性和穩(wěn)定性較高，無需定期進(jìn)行維護(hù)和校正。文獻(xiàn)［9］為了評估MS860型GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)的性能，將其安裝在某船上進(jìn)行系統(tǒng)測，采用動態(tài)濾波的方法采集MS860姿態(tài)信息，同時同步采集某型平臺羅經(jīng)的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，用誤差統(tǒng)計方法評估姿態(tài)測量系統(tǒng)的精度性能。結(jié)果表明GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)可以滿足艦船姿態(tài)測量的需要，其航向的測量精度優(yōu)于平臺羅經(jīng)系統(tǒng)。

MS860測姿系統(tǒng)的信息同樣以串口形式輸出，因此采用MOXA公司的UPort 1400系列串口／USB轉(zhuǎn)換模塊接口作為通訊接口硬件，實(shí)現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和通訊。該轉(zhuǎn)換模塊可以使計算機(jī)或工作站通過USB（通用串行總線）與四個串行RS－232／422／485外設(shè)進(jìn)行通信，并與任何型號的RS232／422／485設(shè)備兼容。轉(zhuǎn)換模塊具有四個串口，串口的通訊波特率最高可達(dá)到921.6Kbps，滿足對過串口數(shù)據(jù)采集和精度評定的需求，而USB即插即用功能無需考慮IRQ，DMA或I／O地址資源，可以方便地實(shí)現(xiàn)串口的擴(kuò)展，因此這一數(shù)據(jù)采集和通訊方案增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和便攜性。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

Labview為美國國家儀器公司（NI公司）開發(fā)的一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和測控的圖形化語言。與傳統(tǒng)的編程語言類似，LabVIEW也具有相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序的調(diào)試工具等［10］。它與文本編程語言相比，最大的區(qū)別就在于LabVIEW利用各種圖標(biāo)、圖形符號、連線、圖形框架來編寫程序，控制程序的流程。從而使得程序的開發(fā)者和工程技術(shù)人員不需要懂得繁瑣枯燥的程序源代碼，而只需要利用自己熟悉的術(shù)語、流程圖來編寫和開發(fā)程序，大大提高了工作效率。作為圖形化編程語言的典型代表，Lab－VIEW簡易的編程風(fēng)格、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析能力、良好的可移植性和直觀、友好的人機(jī)交互界面使之成為目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制的開發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、分析和處理、儀器控制等領(lǐng)域，能夠與多種不同的操作系統(tǒng)平臺兼容。

3.1 軟件算法流程

根據(jù)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的測試需求，其測試和精度評定系統(tǒng)的軟件的總體流程如圖3所示。系統(tǒng)利用VISA configure serial port控件進(jìn)行串口參數(shù)設(shè)置和初始化后，接收來自綜合導(dǎo)航系統(tǒng)和MS860測姿系統(tǒng)的串口數(shù)據(jù)，采用LabVIEW中VISA read控件進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取。根據(jù)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)輸入接口協(xié)議，數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式傳輸，因此程序接收的數(shù)據(jù)為ASCII碼形式的字符串?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測試程序在讀取串口輸出數(shù)據(jù)后，首先對字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行誤碼檢測，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸無誤后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)解碼。解碼后可得到各分系統(tǒng)的導(dǎo)航信息的數(shù)字量，同時可得到MS860系統(tǒng)的姿態(tài)輸出。根據(jù)各分系統(tǒng)的信息特點(diǎn)，將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和速度信息作為基準(zhǔn)信息，同時將MS860的姿態(tài)輸出為姿態(tài)基準(zhǔn)信息，進(jìn)行慣導(dǎo)系統(tǒng)、羅經(jīng)等慣性系統(tǒng)的精度評定。

根據(jù)上述算法流程，設(shè)計的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)測試和精度評定系統(tǒng)的程序如圖4所示。

圖4 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道測試和精度評定系統(tǒng)框圖

3.2 解碼和誤碼檢測算法

各分系統(tǒng)向綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、采集等硬件通訊過程中，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤碼現(xiàn)象，產(chǎn)生的誤碼數(shù)據(jù)會對數(shù)據(jù)的解碼和后續(xù)的精度分析帶來影響，因此在進(jìn)行串口讀取后，因?qū)?shù)據(jù)傳輸進(jìn)行誤碼檢測，剔除亂碼并舍去誤碼信息。

根據(jù)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的接口協(xié)議，其輸數(shù)據(jù)中包含了各分系統(tǒng)姿態(tài)、航向、位置、速度等大量的導(dǎo)航信息，該信息以ASCII碼形式傳輸。由于艦船運(yùn)動狀態(tài)隨時間變化，因此固定時間內(nèi)發(fā)送信息并不是固定字長。在LabVIEW中，進(jìn)行串口讀寫控件均為固定字長的讀取，為了保證數(shù)據(jù)解碼的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，應(yīng)對系統(tǒng)的解碼算法進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)接收的固定字長ASCII碼對每次通訊接收的字符串信息進(jìn)行處理和解碼，保證每條導(dǎo)航信息的完整性。根據(jù)系統(tǒng)信息輸出協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字頭為系統(tǒng)代號，中間為數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段之間以空格分開，數(shù)據(jù)以回車符結(jié)束。每次輸出一條數(shù)據(jù)的格式相同，但是字符長度不固定，因此根據(jù)相同的字頭對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和解碼，串口每次讀取最大可能字符長度來讀取串口數(shù)據(jù)。將讀取的字符以空格符識別后分別存入數(shù)組中，分別利用字頭字符串和回車符對數(shù)組進(jìn)行索引操作，實(shí)現(xiàn)了不固定字長數(shù)據(jù)的分條讀取和解碼。進(jìn)行數(shù)

式中n為試驗次數(shù)，mi為第i次試驗的采樣點(diǎn)數(shù)，ΔXij為第i次試驗第j時刻的姿態(tài)或速度誤差。

對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)行解碼后，利用基準(zhǔn)信息與被評定系統(tǒng)輸出信息做差得到每次的試驗誤差。在進(jìn)行誤差計算前，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。精度評定統(tǒng)計計算的數(shù)據(jù)，應(yīng)剔除因判讀、傳輸、顯示等錯誤造成的奇異點(diǎn)，本文采用Thompson方法剔除慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的奇異點(diǎn)。利用LabVIEW數(shù)學(xué)控件模塊中的數(shù)學(xué)運(yùn)算等控件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的Thompson方法剔除奇異點(diǎn)算法和精度評定算法。據(jù)解碼后，利用相應(yīng)的誤碼檢測算法對數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，剔除亂碼數(shù)據(jù)。檢測算法利用校驗碼對解碼后的字符串進(jìn)行校驗，若校驗正確，則表示此次接收的數(shù)據(jù)無誤。

3.3 精度評定算法

利用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的速度和位置輸出，以及MS860測姿系統(tǒng)的姿態(tài)輸出為基準(zhǔn)信息，可以綜合導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的慣導(dǎo)系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)、計程儀等系統(tǒng)進(jìn)行精度評定，判斷各系統(tǒng)狀態(tài)和精度。精度評定應(yīng)依據(jù)國軍標(biāo)中的實(shí)驗程序和規(guī)則進(jìn)行。精度評定的關(guān)鍵是輸出數(shù)據(jù)的精度分析和計算。以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為例，國軍標(biāo)規(guī)定系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)位置精度評定有兩種評價方法，一種利用徑向誤差率的圓概率半徑衡量，另一種利用評定時間間隔內(nèi)各時間采樣點(diǎn)上的位置誤差的圓概率誤差半徑的最大值作為評定標(biāo)準(zhǔn)，具體參見文獻(xiàn)［11］。

除系統(tǒng)位置精度評定利用上述兩種方法外，姿態(tài)誤差和速度精度誤差均采用誤差的RMS值衡量，其值按如下式計算：

4 慣導(dǎo)系統(tǒng)測試和評定試驗

圖5 系統(tǒng)軟件主界面

根據(jù)軟件的算法流程，基于Labview圖形化軟件卡法平臺，設(shè)計了綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)測試和精度評定算法，實(shí)現(xiàn)了對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收、解碼、存儲和精度分析與評定。系統(tǒng)進(jìn)行測試及精度評定的主界面如圖5所示。

圖6 新型慣導(dǎo)系統(tǒng)試驗現(xiàn)場照片

利用MS860測姿態(tài)系統(tǒng)獲得艦船的姿態(tài)，同時基于綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的串口輸出協(xié)議，搭建了多通道數(shù)據(jù)采集和精度評定系統(tǒng)。系統(tǒng)成功應(yīng)用于某艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的測試和數(shù)據(jù)采集試驗中。同時，課題組在東海海域進(jìn)行了某新型慣導(dǎo)系統(tǒng)的海試實(shí)驗，圖6為試驗現(xiàn)場照片。左圖所示，利用該數(shù)據(jù)測試和精度評定系統(tǒng)對同時試驗的四臺慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和測試，并以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出為速度、位置基準(zhǔn)，以MS860系統(tǒng)的輸出為姿態(tài)基準(zhǔn)，進(jìn)行了新型慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度評定。右圖為MS860型高精度GPS測姿系統(tǒng)的天線安裝。在為期半年的實(shí)驗過程中，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集完整，精度評定結(jié)論準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

針對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息種類繁多，信息量大的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集及精度評定系統(tǒng)。根據(jù)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)額信息輸出協(xié)議，設(shè)計了數(shù)據(jù)解碼和誤碼檢測算法，實(shí)現(xiàn)了綜合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時、準(zhǔn)確采集。針對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)各分系統(tǒng)的信息特點(diǎn)，利用解碼得到的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的速度、位置輸出為參考，以MS860測姿系統(tǒng)輸出為姿態(tài)參考，設(shè)計了慣導(dǎo)系統(tǒng)、計程儀等自主性導(dǎo)航設(shè)備精度評定算法，對其精度進(jìn)行了分析評定。系統(tǒng)成功應(yīng)用于某新型慣導(dǎo)的精度評定海試試驗，試驗中系統(tǒng)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集完整，精度評定結(jié)論準(zhǔn)確。

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