基于软总线多传感器组合导航试验平台研究

摘 要:在分析软总线结构特点的基础上,针对多种传感器组合导航中各类传感器的特征和应用特点,提出基于软插件/软总线结构的多传感器组合导航试验平台的结构模型,构建传感器分类软插件模型,将软总线技术用于组合导航试验仿真环境中,为“软插件”集成提供一个一致的平台,通过统一的接口规范实现异构导航传感器插件的即插即用,讨论了基于软总线组合导航试验系统的构架和实现方法。

关键词:软总线;软插件;多传感器;组合导航;平台

中图分类号:TN966文献标识码:A

文章编号: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

为了准确可靠地对舰船飞机等运动载体进行导航,导航系统必须为载体提供足够准确和可靠的位置速度和姿态等信息。任何一种导航设备都是根据某种特定的原理制成的,因此不可避免地存在着某种局限性。而现代航海航空乃至航天事业的发展都对载体导航定位的精度和可靠性提出了很高的要求,在这种情况下单一设备的导航系统已经很难满足实际应用的需要。随着电子技术的迅速发展特别是计算机与网络技术的广泛应用,使得组合导航不仅能够付诸实现,而且正朝着更高的目标发展。

组合导航系统就是将具有不同特性的两种或多种导航系统或者传感器借助计算机组合起来,并对各个导航设备的输出信息进行综合处理,以提高整个系统的导航性能。信息处理的方法也由围绕着单个特定传感器所获得的数据集进行单一信息处理,向着多传感器多数据集的信息融合方向发展[1]。

当前可用的导航产品品种繁多:可以提供完整导航功能的设备包含全球定位系统GPS、惯性导航系统INS、及进场用的仪器着陆系统ILS与微波着陆系统MLS;提供位置信息的导航产品包含超高频全向性无线电系统、距离量测仪DME、长程导航系统LORAN-C、OMEGA导航系统等[2];提供速度的导航产品有多卜勒雷达导航系统(Doppler Radar)等;提供高度的导航产品如垂直陀螺仪、无线电高度系统、气压高度表等;提供方位的导航产品有战术导航系统TACAN、方位陀螺仪、磁罗盘、自动定向仪ADFS等。而每一类导航产品的生产厂家不同,其性能和数据格式也不尽相同[3]。 因此多传感器组合导航系统面临多种不同属性的导航传感器的信息系统的处理。而为了对采用不同导航传感器和不同组合算法的组合导航系统进行仿真试验和评估,需要通过分析各种导航系统/传感器的基本原理,根据它们的数学模型构建一个通用的组合导航仿真试验平台。这将为组合导航算法的研究和系统仿真工作以及系统的室内调试提供极大的便利,也将为组合导航系统进行高效的试验和评估提供保障。

组合导航系统作为特定领域的应用系统,其应用对象和应用形式较为固定,对于不同的组合导航设备的组合要求,其流程和数据内容有很大的相似性和显著的共性,可以通过领域分析和领域设计建立基于共同功能的组合导航软件体系结构。

领域特定软件体系结构的应用,使得在软件开发过程中可以直接或间接地从以往开发的系统中提取大量可重用的部件,又可在当前系统开发过程中为以后系统的开发提供最大的软件重用资源,使软件开发的效率得到提高,软件的可维护性得到增强,从而使软件开发形成一种良性循环。

针对组合导航领域特点,本文提出了一种基于软插件/软总线的组合导航仿真与试验平台结构模型。在该模型中,各功能模块和应用程序都被封装成彼此独立、并且便于复用的软插件,软插件通过软总线这个逻辑通道互相连接并彼此通信,能够很方便地接入需要测试和仿真的导航设备;采用固定的标准的测试和评估方法,实现对设备组合性能的仿真与测试;同时可以实现设置多种标准导航设备,实现对组合算法的评估和测试。

1 软插件和软总线的基本概念

1.1软插件模型

软插件技术的本质是一种软件集成技术。软插件是具有一组功能描述和外接消息以及相应的信息说明的软件单元实体,将已经成熟的软件单元制成一个个相对独立的实体,使之不加改动或少做改动就应用于新的软件系统中,通过不同的集成度要求来满足不同层次的复用。如果构造一个新系统所需要的软插件都已存在,那么系统设计者只需要对整个系统的设计策略和原则进行描述和制定,而将所需要的软插件按这些原则、策略组织起来,便可以推出一个新软件系统,从而大大提高软件生产效率。

1.2 软总线模型

软件总线是指面向对象的一组虚拟的数据信息传输线。这组虚拟的数据信息传输线是一组通用的标准集成软件功能部件的接口界面,是计算机操作系统与各种集成功能部件之间或集成软件功能部件之间进行数据传输与联系的虚拟公共通道和接口界面。软件总线能够实现类似于硬件总线的桥梁功能,任何符合移动标准的应用程序都可以通过适配器以插件方式获得软总线的支持,与总线上的其他配件相互通讯、协调与控制[4]。软总线是连接应用程序、各种对象、服务、对象工具集的核心,能够把各个组件对象元素有序地分割开来,用以实现分布式的软件集成和应用上的即插即用[5]。

在软总线模型中,软插件对象与它的适配器交互,每一个插件通过适配器构件与软总线相连接,通过适配器向软总线发送数据构件对象[6];软插件通过消息的相互传送在各插件间提供服务,用户界面构件提供显示和控制服务,服务构件提供功能和过程控制服务,它们在软总线上的地位是相等的。这些构件通过适配器和软总线解决了不同软插件之间的互操作问题和数据交换问题[7]。

2 多传感器组合导航试验平台的功能组成

多传感器组合导航仿真试验平台是以建立一个信息融合环境为目标的系统,该系统要实现的主要功能包括[8]:

(1) 组合导航系统测试环境构建功能

为实现对系统的半实物仿真测试,需要在仿真坐标系下构建一条供调试开发试验用的载体运动轨迹曲线,如直线运动,圆周运动乃至更为复杂的曲线运动,并根据模拟载体的运动规律模拟出载体在运动中的经纬度位置、姿态和速度信息以作为载体的真实运动信息,该模块产生的信息数据将通过软总线传送到各虚拟导航设备模块以产生虚拟仿真导航信息。这一仿真的运动轨迹曲线将作为组合导航算法试验的真值。

(2) 数据采集与虚拟导航设备仿真功能

实现对各单体导航传感器的数据采集,按照组合导航试验设计要求分析各导航设备提供的导航数据,在不具有实体传感器时,构建虚拟导航设备并接收测试环境设计信息数据,根据各导航设备的主要误差规律建模,进行相应的数据处理修正参数和补偿,按照各系统的数据传输要求构建传感器测试与仿真数据。

(3) 数据处理与组合导航算法功能

能够实现对单传感器和不同传感器组合方式下的数据处理,数据融合和数据滤波。这一功能是整个组合导航试验仿真平台的核心,整个平台的搭建目标就是为检验和评估此模块中的算法,构造一个通用性好便于实验室内调试开发试验和室外实地跑车试验的平台。因此此项功能需求是留有充足的并且易用的接口,使得各种组合导航算法可以非常容易地嵌入到系统中,从而大大提高检验和评估导航算法的工作效率。

(4) 显示功能

实现对数据波形显示与统计图表显示,电子地图显示模块、三维模型演示以及载体信息数字显示。

基于地理信息的电子地图显示功能将完成电子地图数据库的选择和读取,电子地图显示、放大缩小漫游以及地图图层的管理,可以实现在地图上对GPS航迹、INS 航迹以及组合信息航迹等不同的航迹数据分线形和颜色标绘;三维模型演示可以随着组合导航信息的航姿变化实现画面上载体的三维姿态变化,给试验者一个直观的载体姿态状态。

载体信息数字显示功能将载体导航信息如经纬度姿态等精确信息进行显示,这些功能采用虚拟LED、数码管、虚拟指针仪表等手段完成并将不同导航设备的信息以及组合信息分页显示。数据波形显示与统计图表实现了对导航信息的变化曲线长时间的观察,并在事后对导航信息进行统计,绘制变化曲线以便观察对比。

(5) 系统评估功能

能够对单体导航传感器和不同组合方式下不同组合算法的组合导航系统进行试验、测试和效果评估,计算导航系统精度。

根据各导航设备主要误差规律进行建模,按照试验选择的参数进行数据处理、参数修正和算法补偿,并对导航信息数据采用待评估的算法进行有效融合,以获得载体的位置速度和姿态等导航信息,将这些组合得到的信息与模拟试验参照测试数据进行对比评估,对导航精度进行分析,从而评价试验所采用的算法的性能。

(6) 平台管理功能

实现对组合导航仿真测试系统的管理、测试任务的制定、参数的设置、测试接口的管理、数据的打印以及对外数据的传输等功能。

3 基于软插件与软总线的组合导航平台构建方法

在分析了导航传感器的种类和多传感器组合导航试验平台的功能要求之后可以看出,由于导航传感器的种类较多,每一类导航传感器又有不同的产品和属性,比如卫星导航类产品包括GPS、GLONASS、伽利略等导航系统,而每一种卫星导航系统的导航接收机的生产厂家不同,其产品的性能和数据格式都不相同[9]。因此在多传感器组合导航仿真与试验平台的建设上,如果针对每一个产品都构建一套试验软件,任务量会是巨大的。同时针对不同的组合导航方式以及不同的组合导航算法,如果对每一种组合都尝试不同的导航算法,而去构造相应的测试和试验系统的工作量也是相当大的。应该看到在这里面有大量的重复工作 [10]。

软插件和软总线的概念为高效实现一个通用的多传感器组合导航仿真试验平台提供了较好的设计思想。利用这一思想,对同类导航传感器的数据、控制以及接口信息进行封装,构造统一的软插件,实现对各种导航传感器的即插即用。同时对系统中的各种功能模块进行封装,构建标准的软插件,通过软总线的方式实现各类插件间的无障碍访问。基于软插件和软总线思想的多传感器组合导航仿真试验平台构架如┩1所示。

在这一构架中,将导航传感器中的几个主要分类(卫星导航类、惯性导航类、陆基无线电导航类以及其他导航传感器类)进行了封装,对其控制和信息传输配置标准的规范或插件,使之对同类产品具有较好的适应能力。

图1 基于软插件和软总线思想的多传感器组合

导航仿真试验平台构架

与各类传感器相连的接口驱动与数据读取插件属于底层通信服务构件,直接与机器硬件的API交互,并将获得的原始数据交给数据总线。该插件定义了接口规约,定义其对外提供的功能和要求的外部功能。插件适配器实现插件和总线间的数据交换。系统通过适配器和软总线解决了互不相识的功能模块之间的互操作问题和数据交换问题。

同时还对试验平台的控制、参数获取等进行封装,构成一个标准试验平台规范。模型编辑组件实现对仿真和试验环境模型的构建,其模型控制参数和模型数据通过适配器与总线交流。显示组件封装了系统功能需要的多种显示方式,数据处理组件是一个开放的组件,封装各类被测试的组合导航算法和标准导航算法。这类组件属于用户界面构件和功能构件。用户界面构件实现与用户的交互,为用户提供表示服务;功能构件实现系统对外呈现的服务功能。

系统管理组件封装了系统管理功能所需的各类功能软件。包括总线管理、注册和权限管理、数据服务等,主要解决各个构件间通信和数据交换、数据传递的合理分配和控制。它的数据来源于底层通信服务部件,根据注册中心提供的信息申请不同的底层服务。

框架中软总线起到了连接应用程序、各种对象、服务的核心作用,传输的是数据构件对象,实现对各个组件对象元素有序地分割,用以实现分布式的软件集成和应用上的即插即用,它能够协调不同组件间的访问和服务以及实现关系,也能实现不同组件间请求与响应的关系,在得到此数据构件对象后,可动态分析其内容而决定对它进行的操作。在软总线的作用下,通过系统管理组件,可以构建一个试验环境,并且可方便地调用单个导航传感器或多个导航传感器,在选定的组合导航算法下实现组合导航并进行评估。

4 结 语

近年来组合导航系统得到了较为广泛的研究,而多传感器组合导航测试系统还需要较多的研究,本文在分析了组合导航用多传感器的特点后,结合软总线和领域工程的设计思想,提出了基于软总线的组合导航仿真测试平台的构架和形成方法,“软总线+软插件”体系结构简化了组合导航仿真测试平台体系结构,利于新的仿真测试环境的构造和己有组合导航软件资源的重用,支持应用软件开发全生命周期活动的实现,为多传感器组合导航仿真试验平台的扩展应用和通用化提供了有利保障,在后续的工作中将在实际系统中验证这一系统的有效性以及进一步改进的方法。

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