艦船綜合導航系統多通道數據測試及精度評定系統＊

樊勇華 查 峰 李京書

（1.海軍東海艦隊司令部軍訓處 寧波 315122）（2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

1 引言

艦船綜合導航系統是艦船的重要導航裝備，其綜合了慣性導航系統、無線電導航系統、衛星導航系統等各系統的導航信息。綜合慣導系統擔負著為艦船航行和武器設備提供各種姿態、航向等導航信息的重要使命，其系統狀態和精度直接影響艦船的安全航行和艦艇戰斗力的發揮。因此，對綜合導航系統的測試和狀態評估是提高艦船綜合保障能力的重要方向。

艦船綜合導航系統包含的導航分系統繁雜，信息種類多，信息量大，測試難度大，且各系統信息的特點和誤差特性并不相同，難以對系統狀態和精度進行統一評定。目前，對于艦船導航系統的測試和故障檢測主要通過對各分系統進行獨立狀態測試和故障診斷、預測。由于系統特點和誤差特性，目前對艦船導航系統的狀態測試、診斷主要集中在慣性導航系統上。相關文獻對慣性導航系統的狀態測試、性能狀態評估進行了研究。文獻［1］利用灰色理論和神經網絡對陀螺的漂移數據進行了建模，文獻［2］將小波變換引入灰色模型，對陀螺的漂移數據進行了建模和預測，取得較好效果。研究表明［3］，陀螺電機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。陀螺電機的支承結構是影響其狀態性能的關鍵因素［4］。在此基礎上，文獻［5～6］提出一種基于灰色神經網絡的陀螺電機的狀態預測模型。文獻［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航系統配置和GPS、計程儀組成容錯組合導航系統來進一步提高系統的故障檢測和隔離能力。

但是慣導系統組成復雜，影響其狀態和性能因素較多，且慣導系統屬于精密儀器，要從系統內部對其性能測試和數據采集勢必影響系統正常工作，系統測試和評估困難。綜合導航系統的輸出數據包含了各分系統的導航信息，其分系統的輸出反映了其系統狀態，且各系統信息以串行接口的形式發送到綜合導航系統中，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據艦船綜合導航系統數據測試和精度評定系統設計方案。方案基于系統信息輸出協議，以Labview為軟件開發平臺設計了艦船綜合導航系統多通道數據采集及精度評定算法。實現對綜合導航系統輸出數據的實時、準確采集，為綜合導航系統狀態監測和性能評估提供數據支持。同時針對綜合導航系統接收的導航設備信息種類和誤差特性不同，利用采集的GPS衛星導航設備的速度、位置輸出為參考，設計了慣導系統、計程儀等自主性導航設備精度評定算法，可以為慣導系統的性能狀態提供參考。

2 系統組成

艦船綜合導航系統包含的導航系統主要有：慣性導航系統，GPS、北斗等衛星導航系統，羅蘭C等無線電導航系統，平臺羅經、磁羅經等姿態和航向指示系統。各分系統的信息輸出和特點不盡相同，系統誤差也因各自模型不同而呈現出不同的特性。平臺羅經、慣性導航系統等慣性系統，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，導致慣導系統在進行導航解算時，對慣性敏感元件輸出的積分會導致慣導存在隨時間發散的誤差積累，因此慣導系統不可避免的存在隨時間累積的姿態和位置誤差。對于GPS、北斗等衛星導航系統，其系統精度較高，誤差相對較為穩定，但因其需與外界進行信息交換，因此其系統輸出容易受干擾。對于羅蘭C無線電導航系統，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航系統和衛星導航系統的備份。

綜合導航系統各分系統的信息通過一定的通訊協議以串行接口的形式發送到系統顯控部件。其各分系統信息能夠反映各分系統狀態和特點，同時利用衛星導航系統精度高，不隨時間發散的特點，可以將其作為基準信息對慣性導航系統、無線電導航系統進行精度評估。針對綜合導航系統的信息特點，構建的基于串口的系統多通道測試和精度評定系統組成如圖1所示。

圖1 綜合導航系統多通道測試和精度評定系統框圖

綜合導航系統的各分系統將導航信息輸出以RS422的形式發送到綜合導航系統的顯示和控制部件。通過綜合導航系統的串行接口，利用串口／USB轉換模塊將RS422的信息輸出轉換為USB接口形式，輸入便攜式數據測試計算機。測試計算機利用設計的數據接收程序接收綜合導航導航系統的導航信息，并根據相應的通訊協議進行誤碼判斷，當確定數據接收正常后對數據進行解碼，得到各導航分系統輸出的導航信息。根據各系統導航系統的特點，利用GPS的位置和速度導航信息為基準，可對慣性導航系統等進行位置和速度精度評定。而由于綜合導航系統中的姿態信息均有慣性系統提供，因此難以找到有效的姿態基準。因此姿態位置參考設備采用MS860型高精度測姿系統，該系統為美國Trimble公司開發的一款GPS接收機設備，可以為運動載體和平臺提供精確的位置、航向、姿態和速度信息。MS860采用了Trimble公司專利的RTK（real－time kinematic）技術，利用接收的GPS位置信息進行運動載體姿態、航向和速度的精確解算［8］。同時系統采用全固態的電子設備和結構組成，沒有運動和轉動部件，可靠性和穩定性較高，無需定期進行維護和校正。文獻［9］為了評估MS860型GPS姿態測量系統的性能，將其安裝在某船上進行系統測，采用動態濾波的方法采集MS860姿態信息，同時同步采集某型平臺羅經的數據，在此基礎上，用誤差統計方法評估姿態測量系統的精度性能。結果表明GPS姿態測量系統可以滿足艦船姿態測量的需要，其航向的測量精度優于平臺羅經系統。

MS860測姿系統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轉換模塊接口作為通訊接口硬件，實現多串口數據的轉換和通訊。該轉換模塊可以使計算機或工作站通過USB（通用串行總線）與四個串行RS－232／422／485外設進行通信，并與任何型號的RS232／422／485設備兼容。轉換模塊具有四個串口，串口的通訊波特率最高可達到921.6Kbps，滿足對過串口數據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，可以方便地實現串口的擴展，因此這一數據采集和通訊方案增加了系統的擴展性和便攜性。

3 軟件實現

Labview為美國國家儀器公司（NI公司）開發的一種應用于數據采集和測控的圖形化語言。與傳統的編程語言類似，LabVIEW也具有相似的數據類型、數據流控制結構、程序的調試工具等［10］。它與文本編程語言相比，最大的區別就在于LabVIEW利用各種圖標、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者和工程技術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語、流程圖來編寫和開發程序，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簡易的編程風格、強大的數據可視化分析能力、良好的可移植性和直觀、友好的人機交互界面使之成為目前國際上應用最廣的數據采集和控制的開發環境之一，主要應用于數據采集、分析和處理、儀器控制等領域，能夠與多種不同的操作系統平臺兼容。

3.1 軟件算法流程

根據綜合導航系統的測試需求，其測試和精度評定系統的軟件的總體流程如圖3所示。系統利用VISA configure serial port控件進行串口參數設置和初始化后，接收來自綜合導航系統和MS860測姿系統的串口數據，采用LabVIEW中VISA read控件進行串口數據的讀取。根據綜合導航系統輸入接口協議，數據以ASCII碼的形式傳輸，因此程序接收的數據為ASCII碼形式的字符串數據。數據測試程序在讀取串口輸出數據后，首先對字符串數據進行誤碼檢測，確認數據傳輸無誤后對數據進行相應解碼。解碼后可得到各分系統的導航信息的數字量，同時可得到MS860系統的姿態輸出。根據各分系統的信息特點，將衛星導航系統的位置和速度信息作為基準信息，同時將MS860的姿態輸出為姿態基準信息，進行慣導系統、羅經等慣性系統的精度評定。

根據上述算法流程，設計的綜合導航系統測試和精度評定系統的程序如圖4所示。

圖4 綜合導航系統多通道測試和精度評定系統框圖

3.2 解碼和誤碼檢測算法

各分系統向綜合導航系統的數據傳輸、采集等硬件通訊過程中，可能出現數據誤碼現象，產生的誤碼數據會對數據的解碼和后續的精度分析帶來影響，因此在進行串口讀取后，因對數據傳輸進行誤碼檢測，剔除亂碼并舍去誤碼信息。

根據綜合導航系統的接口協議，其輸數據中包含了各分系統姿態、航向、位置、速度等大量的導航信息，該信息以ASCII碼形式傳輸。由于艦船運動狀態隨時間變化，因此固定時間內發送信息并不是固定字長。在LabVIEW中，進行串口讀寫控件均為固定字長的讀取，為了保證數據解碼的準確性和實時性，應對系統的解碼算法進行設計，根據接收的固定字長ASCII碼對每次通訊接收的字符串信息進行處理和解碼，保證每條導航信息的完整性。根據系統信息輸出協議，傳輸的數據字頭為系統代號，中間為數據段，數據段之間以空格分開，數據以回車符結束。每次輸出一條數據的格式相同，但是字符長度不固定，因此根據相同的字頭對輸出數據進行識別和解碼，串口每次讀取最大可能字符長度來讀取串口數據。將讀取的字符以空格符識別后分別存入數組中，分別利用字頭字符串和回車符對數組進行索引操作，實現了不固定字長數據的分條讀取和解碼。進行數

式中n為試驗次數，mi為第i次試驗的采樣點數，ΔXij為第i次試驗第j時刻的姿態或速度誤差。

對綜合導航系統的輸出信息進行解碼后，利用基準信息與被評定系統輸出信息做差得到每次的試驗誤差。在進行誤差計算前，應對數據進行預處理。精度評定統計計算的數據，應剔除因判讀、傳輸、顯示等錯誤造成的奇異點，本文采用Thompson方法剔除慣導系統輸出的奇異點。利用LabVIEW數學控件模塊中的數學運算等控件，實現了數據的Thompson方法剔除奇異點算法和精度評定算法。據解碼后，利用相應的誤碼檢測算法對數據段的數據進行檢測，剔除亂碼數據。檢測算法利用校驗碼對解碼后的字符串進行校驗，若校驗正確，則表示此次接收的數據無誤。

3.3 精度評定算法

利用綜合導航系統的衛星導航系統的速度和位置輸出，以及MS860測姿系統的姿態輸出為基準信息，可以綜合導航系統內的慣導系統、平臺羅經、計程儀等系統進行精度評定，判斷各系統狀態和精度。精度評定應依據國軍標中的實驗程序和規則進行。精度評定的關鍵是輸出數據的精度分析和計算。以慣性導航系統為例，國軍標規定系統，慣導系統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各時間采樣點上的位置誤差的圓概率誤差半徑的最大值作為評定標準，具體參見文獻［11］。

除系統位置精度評定利用上述兩種方法外，姿態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 慣導系統測試和評定試驗

圖5 系統軟件主界面

根據軟件的算法流程，基于Labview圖形化軟件卡法平臺，設計了綜合導航系統多通道數據測試和精度評定算法，實現了對綜合導航系統各分系統數據的接收、解碼、存儲和精度分析與評定。系統進行測試及精度評定的主界面如圖5所示。

圖6 新型慣導系統試驗現場照片

利用MS860測姿態系統獲得艦船的姿態，同時基于綜合導航系統的串口輸出協議，搭建了多通道數據采集和精度評定系統。系統成功應用于某艦船綜合導航系統的測試和數據采集試驗中。同時，課題組在東海海域進行了某新型慣導系統的海試實驗，圖6為試驗現場照片。左圖所示，利用該數據測試和精度評定系統對同時試驗的四臺慣導系統進行了現場數據采集和測試，并以衛星導航系統的輸出為速度、位置基準，以MS860系統的輸出為姿態基準，進行了新型慣導系統的精度評定。右圖為MS860型高精度GPS測姿系統的天線安裝。在為期半年的實驗過程中，系統運行可靠，數據采集完整，精度評定結論準確。

5 結語

針對綜合導航系統信息種類繁多，信息量大的特點，構建了基于艦船綜合導航系統多通道數據采集及精度評定系統。根據綜合導航系統額信息輸出協議，設計了數據解碼和誤碼檢測算法，實現了綜合導航系統輸出數據的實時、準確采集。針對綜合導航系統各分系統的信息特點，利用解碼得到的衛星導航系統的速度、位置輸出為參考，以MS860測姿系統輸出為姿態參考，設計了慣導系統、計程儀等自主性導航設備精度評定算法，對其精度進行了分析評定。系統成功應用于某新型慣導的精度評定海試試驗，試驗中系統運行可靠，數據采集完整，精度評定結論準確。

［1］卞鴻巍，李安，汪人定.用灰色理論和神經網絡建立陀螺漂移模型初探［J］.中國慣性技術學報，1997，5（4）：37－40.

［2］樊春玲，高峰，孫四通.灰色模型的混合建模方法及其應用［J］.中國慣性技術學報，2008，16（4）：475－479.

［3］韋俊新，張俊，劉德均.浮陀螺儀可靠性技術分析［J］.中國慣性技術學報，2004，12（4）：57－59.

［4］査峰，胡柏青，金云翔.基于電壓、轉速信號的陀螺電機工作過程測試及性能研究［J］.測試技術學報，2008，6（22）：36－42.

［5］查峰，胡柏青，劉佳.基于灰色BP神經網絡的陀螺電機狀態預測［J］.中國慣性技術學報，2010，18（1）：120－125.

［6］ZHA Feng，HU Bai－qing，QIN Fang－jun.Prediction of gyro motor’s state based on grey model and BP neural network［C］.Intelligent Computing Technology and Automation，Changsha：IEEE computer society，2009：87－90.

［7］徐茂俊，王榮穎.慣性導航系統基于卡爾曼濾波器的BIT故障檢測方法研究［J］.艦船電子工程，2010，1（18）：120－123.

［8］Trimble Navigation Limited.MS Series Operation Manual IM］.Ohio，USA：Trimble Navigation Ltd.，2001.

［9］鐘斌.MS860動態測姿試驗精度分析［J］.海軍工程大學學報，2003，3（15）：46－49.

［10］National Instruments corporation.LabVIEW Function and VI Reference Manual［M］.National Instruments corporation，1998：58－76.

［11］慣性導航系統精度評定方法［S］.中華人民共和國國家軍用標準，GJB729－89：1－11.