基于軟總線多傳感器組合導航試驗平臺研究

摘 要:在分析軟總線結構特點的基礎上，針對多種傳感器組合導航中各類傳感器的特征和應用特點，提出基于軟插件/軟總線結構的多傳感器組合導航試驗平臺的結構模型，構建傳感器分類軟插件模型，將軟總線技術用于組合導航試驗仿真環境中，為“軟插件”集成提供一個一致的平臺，通過統一的接口規范實現異構導航傳感器插件的即插即用，討論了基于軟總線組合導航試驗系統的構架和實現方法。

關鍵詞:軟總線;軟插件;多傳感器;組合導航;平臺

中圖分類號:TN966文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-157-04

Research on Multi-sensor Integrated Navigation Simulation and

Test Platform Based on Software Bus

ZHANG Jun，ZHANG Xinghui

(Tianjin University of Technology and Education，Tianjin，300222，China)

Abstract:Based on analysing characteristics of the software bus and features of multi-sensor integrated navigation system，an architecture model for multi-sensor integrated navigation simulation and test platform using software bus is presented，several soft components of classified navigation sensor are given.The software bus technique is applied to integrated navigation system that provides unique test platform for soft components，and the plug and play function for navigation sensor is realized.The architecture and implementation of integrated navigation system based on software bus are discussed.

Keywords:software bus;soft component;multi-sensor;integrated navigation;platform

0 引 言

為了準確可靠地對艦船飛機等運動載體進行導航，導航系統必須為載體提供足夠準確和可靠的位置速度和姿態等信息。任何一種導航設備都是根據某種特定的原理制成的，因此不可避免地存在著某種局限性。而現代航海航空乃至航天事業的發展都對載體導航定位的精度和可靠性提出了很高的要求，在這種情況下單一設備的導航系統已經很難滿足實際應用的需要。隨著電子技術的迅速發展特別是計算機與網絡技術的廣泛應用，使得組合導航不僅能夠付諸實現，而且正朝著更高的目標發展。

組合導航系統就是將具有不同特性的兩種或多種導航系統或者傳感器借助計算機組合起來，并對各個導航設備的輸出信息進行綜合處理，以提高整個系統的導航性能。信息處理的方法也由圍繞著單個特定傳感器所獲得的數據集進行單一信息處理，向著多傳感器多數據集的信息融合方向發展[1]。

當前可用的導航產品品種繁多:可以提供完整導航功能的設備包含全球定位系統GPS、慣性導航系統INS、及進場用的儀器著陸系統ILS與微波著陸系統MLS;提供位置信息的導航產品包含超高頻全向性無線電系統、距離量測儀DME、長程導航系統LORAN-C、OMEGA導航系統等[2];提供速度的導航產品有多卜勒雷達導航系統(Doppler Radar)等;提供高度的導航產品如垂直陀螺儀、無線電高度系統、氣壓高度表等;提供方位的導航產品有戰術導航系統TACAN、方位陀螺儀、磁羅盤、自動定向儀ADFS等。而每一類導航產品的生產廠家不同，其性能和數據格式也不盡相同[3]。 因此多傳感器組合導航系統面臨多種不同屬性的導航傳感器的信息系統的處理。而為了對采用不同導航傳感器和不同組合算法的組合導航系統進行仿真試驗和評估，需要通過分析各種導航系統/傳感器的基本原理，根據它們的數學模型構建一個通用的組合導航仿真試驗平臺。這將為組合導航算法的研究和系統仿真工作以及系統的室內調試提供極大的便利，也將為組合導航系統進行高效的試驗和評估提供保障。

組合導航系統作為特定領域的應用系統，其應用對象和應用形式較為固定，對于不同的組合導航設備的組合要求，其流程和數據內容有很大的相似性和顯著的共性，可以通過領域分析和領域設計建立基于共同功能的組合導航軟件體系結構。

領域特定軟件體系結構的應用，使得在軟件開發過程中可以直接或間接地從以往開發的系統中提取大量可重用的部件，又可在當前系統開發過程中為以后系統的開發提供最大的軟件重用資源，使軟件開發的效率得到提高，軟件的可維護性得到增強，從而使軟件開發形成一種良性循環。

針對組合導航領域特點，本文提出了一種基于軟插件/軟總線的組合導航仿真與試驗平臺結構模型。在該模型中，各功能模塊和應用程序都被封裝成彼此獨立、并且便于復用的軟插件，軟插件通過軟總線這個邏輯通道互相連接并彼此通信，能夠很方便地接入需要測試和仿真的導航設備;采用固定的標準的測試和評估方法，實現對設備組合性能的仿真與測試;同時可以實現設置多種標準導航設備，實現對組合算法的評估和測試。

1 軟插件和軟總線的基本概念

1.1軟插件模型

軟插件技術的本質是一種軟件集成技術。軟插件是具有一組功能描述和外接消息以及相應的信息說明的軟件單元實體，將已經成熟的軟件單元制成一個個相對獨立的實體，使之不加改動或少做改動就應用于新的軟件系統中，通過不同的集成度要求來滿足不同層次的復用。如果構造一個新系統所需要的軟插件都已存在，那么系統設計者只需要對整個系統的設計策略和原則進行描述和制定，而將所需要的軟插件按這些原則、策略組織起來，便可以推出一個新軟件系統，從而大大提高軟件生產效率。

1.2 軟總線模型

軟件總線是指面向對象的一組虛擬的數據信息傳輸線。這組虛擬的數據信息傳輸線是一組通用的標準集成軟件功能部件的接口界面，是計算機操作系統與各種集成功能部件之間或集成軟件功能部件之間進行數據傳輸與聯系的虛擬公共通道和接口界面。軟件總線能夠實現類似于硬件總線的橋梁功能，任何符合移動標準的應用程序都可以通過適配器以插件方式獲得軟總線的支持，與總線上的其他配件相互通訊、協調與控制[4]。軟總線是連接應用程序、各種對象、服務、對象工具集的核心，能夠把各個組件對象元素有序地分割開來，用以實現分布式的軟件集成和應用上的即插即用[5]。

在軟總線模型中，軟插件對象與它的適配器交互，每一個插件通過適配器構件與軟總線相連接，通過適配器向軟總線發送數據構件對象[6];軟插件通過消息的相互傳送在各插件間提供服務，用戶界面構件提供顯示和控制服務，服務構件提供功能和過程控制服務，它們在軟總線上的地位是相等的。這些構件通過適配器和軟總線解決了不同軟插件之間的互操作問題和數據交換問題[7]。

2 多傳感器組合導航試驗平臺的功能組成

多傳感器組合導航仿真試驗平臺是以建立一個信息融合環境為目標的系統，該系統要實現的主要功能包括[8]:

(1) 組合導航系統測試環境構建功能

為實現對系統的半實物仿真測試，需要在仿真坐標系下構建一條供調試開發試驗用的載體運動軌跡曲線，如直線運動，圓周運動乃至更為復雜的曲線運動，并根據模擬載體的運動規律模擬出載體在運動中的經緯度位置、姿態和速度信息以作為載體的真實運動信息，該模塊產生的信息數據將通過軟總線傳送到各虛擬導航設備模塊以產生虛擬仿真導航信息。這一仿真的運動軌跡曲線將作為組合導航算法試驗的真值。

(2) 數據采集與虛擬導航設備仿真功能

實現對各單體導航傳感器的數據采集，按照組合導航試驗設計要求分析各導航設備提供的導航數據，在不具有實體傳感器時，構建虛擬導航設備并接收測試環境設計信息數據，根據各導航設備的主要誤差規律建模，進行相應的數據處理修正參數和補償，按照各系統的數據傳輸要求構建傳感器測試與仿真數據。

(3) 數據處理與組合導航算法功能

能夠實現對單傳感器和不同傳感器組合方式下的數據處理，數據融合和數據濾波。這一功能是整個組合導航試驗仿真平臺的核心，整個平臺的搭建目標就是為檢驗和評估此模塊中的算法，構造一個通用性好便于實驗室內調試開發試驗和室外實地跑車試驗的平臺。因此此項功能需求是留有充足的并且易用的接口，使得各種組合導航算法可以非常容易地嵌入到系統中，從而大大提高檢驗和評估導航算法的工作效率。

(4) 顯示功能

實現對數據波形顯示與統計圖表顯示，電子地圖顯示模塊、三維模型演示以及載體信息數字顯示。

基于地理信息的電子地圖顯示功能將完成電子地圖數據庫的選擇和讀取，電子地圖顯示、放大縮小漫游以及地圖圖層的管理，可以實現在地圖上對GPS航跡、INS 航跡以及組合信息航跡等不同的航跡數據分線形和顏色標繪;三維模型演示可以隨著組合導航信息的航姿變化實現畫面上載體的三維姿態變化，給試驗者一個直觀的載體姿態狀態。

載體信息數字顯示功能將載體導航信息如經緯度姿態等精確信息進行顯示，這些功能采用虛擬LED、數碼管、虛擬指針儀表等手段完成并將不同導航設備的信息以及組合信息分頁顯示。數據波形顯示與統計圖表實現了對導航信息的變化曲線長時間的觀察，并在事后對導航信息進行統計，繪制變化曲線以便觀察對比。

(5) 系統評估功能

能夠對單體導航傳感器和不同組合方式下不同組合算法的組合導航系統進行試驗、測試和效果評估，計算導航系統精度。

根據各導航設備主要誤差規律進行建模，按照試驗選擇的參數進行數據處理、參數修正和算法補償，并對導航信息數據采用待評估的算法進行有效融合，以獲得載體的位置速度和姿態等導航信息，將這些組合得到的信息與模擬試驗參照測試數據進行對比評估，對導航精度進行分析，從而評價試驗所采用的算法的性能。

(6) 平臺管理功能

實現對組合導航仿真測試系統的管理、測試任務的制定、參數的設置、測試接口的管理、數據的打印以及對外數據的傳輸等功能。

3 基于軟插件與軟總線的組合導航平臺構建方法

在分析了導航傳感器的種類和多傳感器組合導航試驗平臺的功能要求之后可以看出，由于導航傳感器的種類較多，每一類導航傳感器又有不同的產品和屬性，比如衛星導航類產品包括GPS、GLONASS、伽利略等導航系統，而每一種衛星導航系統的導航接收機的生產廠家不同，其產品的性能和數據格式都不相同[9]。因此在多傳感器組合導航仿真與試驗平臺的建設上，如果針對每一個產品都構建一套試驗軟件，任務量會是巨大的。同時針對不同的組合導航方式以及不同的組合導航算法，如果對每一種組合都嘗試不同的導航算法，而去構造相應的測試和試驗系統的工作量也是相當大的。應該看到在這里面有大量的重復工作 [10]。

軟插件和軟總線的概念為高效實現一個通用的多傳感器組合導航仿真試驗平臺提供了較好的設計思想。利用這一思想，對同類導航傳感器的數據、控制以及接口信息進行封裝，構造統一的軟插件，實現對各種導航傳感器的即插即用。同時對系統中的各種功能模塊進行封裝，構建標準的軟插件，通過軟總線的方式實現各類插件間的無障礙訪問。基于軟插件和軟總線思想的多傳感器組合導航仿真試驗平臺構架如圖1所示。

在這一構架中，將導航傳感器中的幾個主要分類(衛星導航類、慣性導航類、陸基無線電導航類以及其他導航傳感器類)進行了封裝，對其控制和信息傳輸配置標準的規范或插件，使之對同類產品具有較好的適應能力。

圖1 基于軟插件和軟總線思想的多傳感器組合

導航仿真試驗平臺構架

與各類傳感器相連的接口驅動與數據讀取插件屬于底層通信服務構件，直接與機器硬件的API交互，并將獲得的原始數據交給數據總線。該插件定義了接口規約，定義其對外提供的功能和要求的外部功能。插件適配器實現插件和總線間的數據交換。系統通過適配器和軟總線解決了互不相識的功能模塊之間的互操作問題和數據交換問題。

同時還對試驗平臺的控制、參數獲取等進行封裝，構成一個標準試驗平臺規范。模型編輯組件實現對仿真和試驗環境模型的構建，其模型控制參數和模型數據通過適配器與總線交流。顯示組件封裝了系統功能需要的多種顯示方式，數據處理組件是一個開放的組件，封裝各類被測試的組合導航算法和標準導航算法。這類組件屬于用戶界面構件和功能構件。用戶界面構件實現與用戶的交互，為用戶提供表示服務;功能構件實現系統對外呈現的服務功能。

系統管理組件封裝了系統管理功能所需的各類功能軟件。包括總線管理、注冊和權限管理、數據服務等，主要解決各個構件間通信和數據交換、數據傳遞的合理分配和控制。它的數據來源于底層通信服務部件，根據注冊中心提供的信息申請不同的底層服務。

框架中軟總線起到了連接應用程序、各種對象、服務的核心作用，傳輸的是數據構件對象，實現對各個組件對象元素有序地分割，用以實現分布式的軟件集成和應用上的即插即用，它能夠協調不同組件間的訪問和服務以及實現關系，也能實現不同組件間請求與響應的關系，在得到此數據構件對象后，可動態分析其內容而決定對它進行的操作。在軟總線的作用下，通過系統管理組件，可以構建一個試驗環境，并且可方便地調用單個導航傳感器或多個導航傳感器，在選定的組合導航算法下實現組合導航并進行評估。

4 結 語

近年來組合導航系統得到了較為廣泛的研究，而多傳感器組合導航測試系統還需要較多的研究，本文在分析了組合導航用多傳感器的特點后，結合軟總線和領域工程的設計思想，提出了基于軟總線的組合導航仿真測試平臺的構架和形成方法，“軟總線+軟插件”體系結構簡化了組合導航仿真測試平臺體系結構，利于新的仿真測試環境的構造和己有組合導航軟件資源的重用，支持應用軟件開發全生命周期活動的實現，為多傳感器組合導航仿真試驗平臺的擴展應用和通用化提供了有利保障，在后續的工作中將在實際系統中驗證這一系統的有效性以及進一步改進的方法。

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