UAV組合導航半物理仿真系統設計與研究*

胡奕明,盧　虎,牛江龍

(空軍工程大學信息與導航學院,西安　710077)

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UAV組合導航半物理仿真系統設計與研究*

胡奕明,盧虎,牛江龍

(空軍工程大學信息與導航學院,西安710077)

摘要:為了驗證GNSS/MLS/VNS/INS/RA構成的UAV五組合導航系統的航電綜合、導航解算算法以及飛行控制律性能,設計了集機載導航傳感器實物、物理效應器、飛行仿真系統、無人機地面站模擬系統、試驗總控評估系統、視景與展示系統等的UAV導航與控制半物理仿真試驗系統平臺。平臺能夠考核組合導航系統的性能和功能。

關鍵詞:組合導航;航電綜合;半物理仿真系統;飛行仿真

0引言

文中提出將衛星導航系統(GNSS)、微波著陸系統(MLS)、慣性導航系統(INS)、無線電高度表(RA)以及視覺導航系統(VNS)綜合運用,構成“UAV五組合導航系統”。該系統能夠滿足無人機航路導航及著陸引導的需求。

為了驗證5組合導航系統的性能[1],構建了無人機導航與控制半物理仿真系統。該仿真系統是以無人機機載導航傳感器、機載組合導航計算機為核心的閉環半物理仿真試驗系統,是研究和試驗機載設備航電綜合、導航算法優化等的有效平臺。

1系統設計

基于5組合導航系統構建的無人機導航與控制半物理仿真試驗系統是對5組合導航系統的仿真模擬,其系統架構除了盡可能的逼近真實系統外,還兼顧了教學功能。整個半物理仿真系統的組成和結構如圖1所示。整個系統分為8大子系統,包括:1)黃色:機載導航與傳感實物;2)藍色:物理效應器;3)綠色:教學系統;4)橙色:飛行仿真系統;5)白色:試驗總控與評估系統;6)粉色:航電總線子系統;7)灰色:無人機地面站模擬系統;8)紫色:視景仿真與展示系統。

在本半物理仿真系統環境中,機載設備的衛星接收機、慣性導航系統、微波著陸機載接收機、無線電高度表、視覺傳感器采用真正的物理部件,機體平臺采用計算機仿真。各導航子系統相對應的地面設備采用物理效應器模擬器形式。

系統工作流程為:無人機地面站模擬系統或操縱臺手柄實時操作生成飛行軌跡,送給飛行仿真系統飛控計算機,飛控計算機驅動舵機仿真機和飛行動力學仿真機產生飛機姿態、位置、角速度、加速度、迎角、側滑角、高度等原始信息發送給物理效應器,驅動物理效應器產生相應的物理效應,來激勵各類導航系統,進而由各類導航系統產生飛機的姿態、位置、加速度、角速度、高度、速度等信息發送給飛行控制系統,構

圖1　系統結構框圖

成閉環仿真系統。

無人機地面站在仿真過程中一方面可以監視無人機的飛行狀態,控制飛機的飛行模式。另一個方面還可以設定無人機的飛行軌跡,監控無人機的飛行航跡;此外,地面站系統還可以使用任務控制系統利用紅外、可見光設備監視地面的車輛,完成偵察任務。

2系統實現

2.1飛行仿真系統

飛行仿真系統主要完成飛機動力學系統、舵機系統、控制系統的仿真,解算飛機六自由度動力學模型、傳感器模型、舵機模型、飛行控制律實現對無人機飛機系統和控制系統的實時仿真[2-4]。

2.1.1硬件設計

飛行仿真系統主要由兩部分組成,一是仿真主控機,二是仿真目標機。其中仿真目標機又包括3個部分:1)飛行動力學仿真計算機;2)飛控計算機仿真機;3)舵機仿真機。

仿真主控機和仿真目標機的連接關系如圖2所示。

圖2　主控機和目標機架構

仿真目標機是整個系統的核心,采用VxWorks嵌入式實時操作系統,無人機動力學仿真模型就在這里運行。仿真計算機采用開放的、高可靠性PCI總線,具有1553B、RS485、千兆以太網卡等數據通訊接口。同時仿真過程中產生的各種數據也由該仿真目標計算機回傳給主控計算機,用于仿真結果的記錄與分析。

主控計算機運行仿真管理與控制軟件完成對仿真目標計算機的控制,同時還運行Matlab/Simulink、數據采集與記錄軟件、數據分析與繪圖軟件、仿真故障參數與仿真曲線顯示軟件。實現仿真模型的搭建、模型代碼的自動生成、下載和仿真數據存儲與分析處理等功能。主控計算機與實時仿真目標計算機通過1 000 M以太網通訊。

2.1.2軟件設計

主控機的仿真管理與控制軟件和目標機的仿真軟件共同實現了仿真管理與控制功能,其分層結構如圖3所示。

圖3　仿真機軟件分層邏輯結構

由圖3可知,按照功能、信息交互方式不同可將仿真主控機軟件分為人機交互界面應用層、中間層、請求目標機服務層、通用網絡傳輸層、物理通訊層等5層。仿真目標機軟件分為目標機服務應用層、目標機服務請求響應層、目標機服務請求解析層、目標機客戶端管理層、通用網絡傳輸層、物理通訊層等6層。

2.2組合導航系統

文中的五組合導航系統設計中關鍵問題有兩個,一是組合導航系統傳感器射頻綜合問題,二是組合導航系統信息融合問題。由于文章篇幅有限,在此僅將第一個問題做以介紹。

現代戰機的航空電子系統發展[5]經過了分離式、集中式、聯合式的發展階段,如今已進入了綜合架構的時期,未來綜合航空電子系統的關鍵技術之一就是傳感器的射頻綜合技術。美軍經過“寶石柱”和“寶石臺”計劃已初步實現了綜合航電系統中的傳感器射頻綜合,但我國在這方面還相對落后,其中許多關鍵技術有待突破。

傳感器的射頻綜合主要內容包括天線(孔徑)綜合和射頻綜合等內容。孔徑綜合即把無人機上的幾十付天線按頻段功能歸并,重構成數量盡可能少的天線。射頻綜合即是采用模塊化、標準化的設計方法,把各個子系統的各種功能重新劃分、組合,將傳感器前端組件、信號處理組件和數據處理組件等,組成具有資源共享、可重構和通用化的新型系統。

文中研究的組合導航系統是將5種導航系統進行綜合,其中有3種屬于射頻傳感器系統(GNSS、MLS和RA),其中MLS測角部分RA都工作在C波段(4 000～5 090 MHz),而MIS精密測距部分采用的是L波段(962～1 213 MHz)。按照航空電子系統的射頻綜合設計要求,文中提出將L波段精密測距器工作頻段提高到C波段,以實現MLS的測角測距同頻運用的射頻綜合,使MLS組成設備得到綜合集成,減少裝機天線種類和機載設備的體積重量。另外,還研究了同處于C波段工作的RA與MLS射頻綜合中涉及的關鍵技術問題。因此,文中研究了兩個方面問題,一是MLS內部孔徑綜合,二是MLS和RA射頻前端綜合。

2.2.1MLS內部孔徑綜合——測角測距同頻實現

MLS測角測距同頻實現,需要改進設計MLS地面設備和機載設備,包括地面方位/距離設備、地面仰角設備和機載設備。地面和機載設備產生處理的測角測距信息是在同一頻段以時分方式發送和接收的,其中地面方位/距離設備是設計的重點。

1)地面方位/距離設備

方位/距離設備由天饋線系統、收發分機、監控分機、無線通信鏈路終端、電源和輔助設備等組成,如圖4所示。

圖4　方位/距離設備組成框圖

信號發射時隙,收發分機內的頻率合成器輸出200個波道中的一個指定發射頻率,由監控分機產生的數據字和測距應答基帶信號進行BPSK調制,形成的BPSK中頻調制信號送到收發分機進行上變頻和功率放大,產生所需的射頻信號;監控分機控制天線轉換開關,適時地把射頻信號送到數據天線上完成信號的輻射。掃描天線輻射的信號是沒有經過調制的射頻信號,在掃描天線工作時隙,天線選擇開關把載波射頻信號接到掃描天線,同時監控分機控制掃描天線產生窄波束并完成“往”、“返”掃描。

信號接收時隙,數據天線接收機載設備發來的測距詢問信號,經過收發轉換開關、收發分機濾波、下變頻得到中頻信號,送到監控分機進行采樣、碼型相關等處理,識別出測距詢問信號后,經過固定延時產生測距應答信號。測距采取的是碼相關測距方式,具有精度高、抗干擾能力強等特點。

方位相控陣天線是水平一維陣列天線,由天線陣元、功分器、移相器、監測波導、溫度補償檢波器和支撐架等部分組成。發射機的射頻信號送到功率分配器將功率分配到各移相器,移相器對信號進行相位控制并將其饋送給天線陣元,使各陣元信號功率和相位按一定的規律輻射,從而形成所需的輻射場型。方位/距離設備的數據天線是垂直方向天線陣,是兩個22個振子構成的雙列陣,其陣面和幅相分配設計與方位天線陣元設計基本相同,即天線垂直面輻射特性與方位掃描天線垂直面輻射特性基本一致。

2)機載設備

機載設備由天線、收發通道、數據處理模塊和電源組成,與地面設備配合工作完成測角和測距,如圖5所示。

圖5　機載設備組成框圖

在引導信號覆蓋范圍內,機載設備和地面設備同步工作。在角度引導時隙,機載設備接收處理地面設備發射的角度引導信號,進行同步和譯碼,正確的識別并跟蹤掃描波束的往返脈沖,并對基本數據作相應的譯碼和存儲,提供精密的數據和角度引導信息;機載設備產生測距詢問信號,通過發射通道和天線發射,由地面設備接收識別后返回測距應答信號,機載設備通過接收、處理和計算詢問與應答信號的延遲時間來完成距離測量。

2.2.2MLS/RA射頻綜合設計

MLS和RA的射頻綜合中接收通道可以分為天線接口、接收模塊、信號處理以及交換網絡模塊,見圖6。

從圖6可見,接收模塊與中頻信號處理是通用化、模塊化綜合設計的重點。

天線接口設計:天線接口主要完成接收模塊與天線間的接口適配。完成對接收信號的預處理工作,主要包括濾波器、低噪聲放大器、信號切換等。

接收模塊設計:設計一種多模式的接收通道,能夠同時滿足兩種功能的需求。關鍵在于解決無線電高度表和微波著陸對接收機的不同要求或者說矛盾之處,特別是接收機通道帶寬、接收機AGC響應時間等系統參數。

交換網絡設計:系統中存在兩個信號交換網絡,一是射頻信號交換網絡,二是中頻信號交換網絡。交換網絡在系統的控制下,實現對信號的交換,對于射頻信號交換網絡選擇PIN電子開關實現。

3總結

基于未來綜合航空電子系統的發展方向,設計了無人機五組合導航系統及半物理仿真平臺。平臺具有很強的實時性、可靠性、穩定性和良好的擴展性。在組合導航系統設計和航電綜合以及飛控系統設計驗證研究方面可大大提高研發效率和可靠性。

參考文獻:

[1]白云, 黃孝文, 趙俊峰. 捷聯慣導半實物仿真測試系統研究 [J]. 航天控制, 2010, 28(3): 56-59.

[2]邢廣華, 劉建業, 孫永榮, 等. 多信息融合組合導航半物理仿真系統設計與實現 [J]. 航天控制, 2005, 23(2): 64-68.

[3]張亞崇, 陸志東, 雷宏杰. 實時分布式容錯綜合導航仿真系統技術研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2009, 29(6): 25-28.

[4]高偉, 陳鴻, 劉雅娟. 基于半實物仿真的某型機載電子設備訓練模擬器設計 [J]. 現代計算機, 2013(12): 74-76.

[5]李軍政. 航空綜合射頻傳感器研究 [J]. 現代導航, 2012(5): 368-372.

*收稿日期:2015-03-31

基金項目:國家自然科學基金(61174194,61473308)資助

作者簡介:胡奕明(1970-),男,陜西西安人,講師,博士,研究方向:組合導航與數據融合。

中圖分類號:V249

文獻標志碼:A

Design and Research of UAV Integrated Navigation Semi-physical Simulation System

HU Yiming,LU Hu,NIU Jianglong

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

Abstract:The semi-physical simulation system was designed to test GNSS/MLS/VNS/INS/RA integrated navigation system and algorithms. The system is a complex UAV loop semi-physical simulation system which integrates airborne sensor, physical effect machine, flight simulation, the UAV ground station analog system, testing control and evaluation system, visual and displaying system and avionics electronic system.

Keywords:integrated navigation; integrated avionic system; semi-physical simulation system; flight simulation