一種激光導(dǎo)航系統(tǒng)地面診斷裝置的設(shè)計(jì)方案

劉祥水，王緯國(guó)，王洪濤

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)是現(xiàn)代飛行器、導(dǎo)彈等控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，在應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其基本功能是實(shí)時(shí)測(cè)量載體的3個(gè)軸方向的角速度增量、角度增量和角速度信息，通過(guò)專用通訊接口與飛控計(jì)算機(jī)、航電系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)為用戶輸出姿態(tài)控制和定位控制所需的測(cè)量信號(hào)。

診斷裝置指能夠全面測(cè)試組合導(dǎo)航系統(tǒng)功能及性能所需的整套裝置，包括若干硬件測(cè)試設(shè)備和相關(guān)軟件。本方案所設(shè)計(jì)的是一種全功能的地面測(cè)試設(shè)備，可以作為配套的二線檢測(cè)設(shè)備滿足某型激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一般測(cè)試、功能測(cè)試、二線維護(hù)測(cè)試需求。

1 診斷裝置整體方案

本測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分主要由測(cè)試柜和轉(zhuǎn)臺(tái)組成。測(cè)試柜將測(cè)試電路、工控機(jī)、供電電源等部件封裝成一個(gè)整體。轉(zhuǎn)臺(tái)部分由轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體和功率控制柜組成，控制柜通過(guò)串行接口與測(cè)試柜連接。

測(cè)試系統(tǒng)軟件由上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)采集DSP軟件（簡(jiǎn)稱“下位機(jī)軟件”）構(gòu)成，上位機(jī)軟件在Windows環(huán)境下運(yùn)行，完成功能測(cè)試、導(dǎo)航計(jì)算等功能；下位機(jī)軟件嵌入到數(shù)據(jù)采集DSP電路中運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集激光慣組數(shù)據(jù)，并與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)通訊。

2 診斷裝置的主要功能及指標(biāo)

該裝置針對(duì)某型激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試要求設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的全方位測(cè)試提供軟硬件支持，功能上滿足某型激光導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)所需的測(cè)試要求，測(cè)試系統(tǒng)具有如下主要功能。

電源供電功能：該裝置能對(duì)激光導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行正確的供電，提供工作電源。電源類型有交流220 V計(jì)算機(jī)供電電源，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的直流27 V電源、5 V電源。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)激光導(dǎo)航系統(tǒng)各種電源的消耗電流、電壓情況，為出現(xiàn)異常情況提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集功能[1]：測(cè)試系統(tǒng)能夠采集系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，支持2 MHz頻率高速數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集丟幀率為0；能夠接收、顯示并存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)各種接口輸出的所有數(shù)據(jù)；同時(shí)能夠按照測(cè)試誤差模型、測(cè)試流程和方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行速率測(cè)試和位置測(cè)試；能夠采集各種板卡的完好性信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的慣性儀表、硬件電路以及內(nèi)嵌軟件的工作狀態(tài)。

導(dǎo)航測(cè)試功能：根據(jù)導(dǎo)航測(cè)試誤差模型和測(cè)試流程，在線進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)導(dǎo)航計(jì)算等，輸出完整的導(dǎo)航計(jì)算結(jié)果信息。

參數(shù)下載回讀功能：測(cè)試系統(tǒng)能下載系統(tǒng)所需的溫補(bǔ)、漂移、誤差等參數(shù)，并回讀參數(shù)。

模擬功能：能夠模擬與組合導(dǎo)航系統(tǒng)有交聯(lián)的航電系統(tǒng)設(shè)備，以便進(jìn)行模擬該系統(tǒng)測(cè)試；能夠?yàn)榻M合導(dǎo)航系統(tǒng)提供外部激勵(lì)以便進(jìn)行模擬飛行導(dǎo)航測(cè)試。

故障檢測(cè)隔離：能夠診斷激光導(dǎo)航系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到導(dǎo)航系統(tǒng)有故障時(shí)，能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏絃RU或SRU。

維護(hù)功能：能夠監(jiān)測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)外輸出接口上所有的電路監(jiān)視和測(cè)量。具體包括導(dǎo)航系統(tǒng)電壓量測(cè)試、導(dǎo)航系統(tǒng)電流量測(cè)試、IF和JB溫度、計(jì)算機(jī)復(fù)位功能、慣性儀表脈沖接收和顯示功能等參數(shù)。

總線測(cè)試功能：測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)總線接口的工作狀態(tài)，并且可以對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行基于1553B總線的功能測(cè)試，其中包括自檢功能測(cè)試、數(shù)據(jù)加載及裝訂功能測(cè)試、對(duì)準(zhǔn)功能測(cè)試、導(dǎo)航功能測(cè)試。

完成激光慣組的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表打印等功能，輸出完整的標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表。

3 診斷裝置的硬件設(shè)計(jì)

診斷裝置的硬件包含專用測(cè)試臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜、配套測(cè)試電纜、數(shù)據(jù)采集卡、總線接口卡、串行接口卡、ISA總線卡、計(jì)數(shù)卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、直流穩(wěn)壓電源等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 地面綜合測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

硬件部分采用的610H工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配有JSK-A數(shù)據(jù)采集卡、1553PCI/MCH總線接口卡（含耦合器及總線電纜）、專用線路轉(zhuǎn)接盒、航空測(cè)控臺(tái)等。

該測(cè)試系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)與被測(cè)系統(tǒng)在電氣上直接連接，可自動(dòng)完成對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合電氣性能和靜態(tài)特性的測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析，完成參數(shù)的標(biāo)定工作和其他工作。

各組成部分的基本功能如下：①轉(zhuǎn)臺(tái)是導(dǎo)航系統(tǒng)安裝的基準(zhǔn)，也是測(cè)試不同姿態(tài)的必要設(shè)備，測(cè)試時(shí)高精度的位置和速率需要轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)提供；②轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜是轉(zhuǎn)臺(tái)的操作臺(tái)，提供人機(jī)交互界面，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)的控制信號(hào)；③工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要完成測(cè)試任務(wù)的指令發(fā)送、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)控及測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析，同時(shí)計(jì)算機(jī)也是測(cè)試應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，安裝有參數(shù)處理軟件、總線功能測(cè)試軟件和導(dǎo)航精度測(cè)試軟件；④高速多通道數(shù)據(jù)采集卡接收組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的陀螺和加速度計(jì)高速脈沖信號(hào)并計(jì)數(shù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳給前臺(tái)處理程序，輸出系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)；⑤專用測(cè)試臺(tái)由電源模塊、控制面板、輸入輸出接口、AD電路等功能模塊組成，為組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供28 V直流穩(wěn)壓電源，并接收組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的各種電信號(hào)，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和故障定位。

4 診斷裝置的軟件設(shè)計(jì)

軟件是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，其內(nèi)部嵌入了標(biāo)定算法、導(dǎo)航算法以及高速通訊模塊，本測(cè)試系統(tǒng)的軟件包括2部分：測(cè)試軟件和數(shù)據(jù)采集DSP軟件。測(cè)試軟件負(fù)責(zé)人機(jī)界面、數(shù)據(jù)顯示、流程控制、模型計(jì)算等，也稱為上位機(jī)軟件；數(shù)據(jù)采集DSP軟件負(fù)責(zé)陀螺通道、加速度通道的數(shù)據(jù)采集，并與上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)通訊，也稱為下位機(jī)軟件。

4.1 軟件架構(gòu)

產(chǎn)品性能驗(yàn)證軟件架構(gòu)示意圖如圖2所示，從應(yīng)用層、交互層、功能層和驅(qū)動(dòng)層4個(gè)層面說(shuō)明了產(chǎn)品性能驗(yàn)證軟件架構(gòu)。

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

應(yīng)用層是產(chǎn)品性能驗(yàn)證軟件的頂層，通過(guò)程序界面與用戶交互，實(shí)現(xiàn)測(cè)試操作交互、測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果顯示等功能。

交互層[2]的作用主要是與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，獲取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫(kù)；與功能層交互，下發(fā)板卡、總線通信（包括1553B總線和429總線等）指令，接收功能層傳遞的板卡采集和響應(yīng)數(shù)據(jù)、總線通信數(shù)據(jù)；將測(cè)試數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層，接收應(yīng)用層傳遞的操作指令。實(shí)時(shí)接收慣導(dǎo)輸出的1553B、RS232總線數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，支持將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)為Excel文件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合工廠TDM系統(tǒng)要求。

功能層從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取板卡配置信息、總線配置信息等，調(diào)用板卡驅(qū)動(dòng)層函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡的控制，實(shí)現(xiàn)總線的通信功能；接收交互層的指令、數(shù)據(jù)，執(zhí)行信號(hào)控制、指令收發(fā)等功能，將板卡、總線的數(shù)據(jù)處理后傳遞給交互層。

驅(qū)動(dòng)層主要是數(shù)據(jù)庫(kù)和板卡驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了板卡配置信息、總線配置信息、總線通信協(xié)議等。

4.2 軟件功能

測(cè)試軟件集成了高速數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)時(shí)顯示、計(jì)算、存盤等功能。運(yùn)行程序后能夠?qū)ν勇菥葴y(cè)試，計(jì)算陀螺隨機(jī)漂移。按照功能的不同將軟件分為3個(gè)功能模塊。

4.2.1 導(dǎo)航精度測(cè)試軟件

導(dǎo)航精度測(cè)試軟件是一款標(biāo)準(zhǔn)Windows應(yīng)用程序。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行純慣性導(dǎo)航精度測(cè)試時(shí)，軟件可以通過(guò)系統(tǒng)中預(yù)留的測(cè)試通道實(shí)時(shí)記錄導(dǎo)航過(guò)程中的輸出參數(shù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)1 h純慣性導(dǎo)航過(guò)程中記錄的姿態(tài)、航向、速度、位置等參數(shù)項(xiàng)，可以計(jì)算得到航向角精度（RMS）、俯仰角精度（RMS）、橫滾角精度（RMS）、水平速度精度（RMS）、位置精度（CEP）等導(dǎo)航精度數(shù)據(jù)。

4.2.2 總線接口卡和總線功能測(cè)試軟件

總線接口卡可以從測(cè)試計(jì)算機(jī)中拓展出1553B總線接口，配合總線電纜、耦合器等配件，可以將測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建為總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)航系統(tǒng)則作為一個(gè)遠(yuǎn)程終端接入網(wǎng)絡(luò)。

總線測(cè)試軟件用來(lái)操作總線接口卡，將測(cè)試計(jì)算機(jī)用作總線控制器，組織總線消息的傳輸。通過(guò)總線測(cè)試軟件，可以對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送控制命令，并接收、顯示組合導(dǎo)航系統(tǒng)回應(yīng)的狀態(tài)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

4.2.3 串行接口和導(dǎo)航精度測(cè)試軟件

系統(tǒng)在工作過(guò)程中可以通過(guò)串行接口向外發(fā)送內(nèi)部參數(shù)，包括系統(tǒng)的工作狀態(tài)、慣性儀表參數(shù)、導(dǎo)航解算參數(shù)及導(dǎo)航數(shù)據(jù)等。通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)的串行接口和導(dǎo)航精度測(cè)試軟件可以接收、顯示并存儲(chǔ)以上數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析和處理軟件記錄的組合導(dǎo)航系統(tǒng)靜態(tài)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，包括姿態(tài)精度、航向精度、速度精度、位置精度等。

4.3 軟件流程

驗(yàn)證軟件的工作流程圖如圖3所示。用戶啟動(dòng)程序后，軟件首先對(duì)license進(jìn)行檢查，如果license驗(yàn)證失敗，則直接退出應(yīng)用程序；license驗(yàn)證成功后，軟件顯示啟動(dòng)界面并顯示用戶登錄界面，用戶登錄軟件后，執(zhí)行初始，啟動(dòng)板卡自檢，檢查板卡工作是否正常，并顯示自檢結(jié)果；如果板卡工作正常，進(jìn)入測(cè)試主界面，用戶可進(jìn)一步選擇進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試或手動(dòng)測(cè)試等操作，否則提示板卡故障信息。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，用戶通過(guò)鼠標(biāo)操作控制軟件的各個(gè)功能模塊，從而完成測(cè)試任務(wù)。

圖3 工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一般激光導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成，詳細(xì)介紹了一種激光導(dǎo)航系統(tǒng)的地面診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從該系統(tǒng)的功能、指標(biāo)分析得出診斷系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，重點(diǎn)介紹了硬件的功能。在系統(tǒng)的軟件上從軟件架構(gòu)、軟件功能、軟件流程3方面詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)方案。基于該方案的地面診斷系統(tǒng)能夠?qū)δ承图す鈱?dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行電源控制、參數(shù)采集處理、故障隔離，是一種典型的工程應(yīng)用。