导航仿真装置设计及开发研究

【摘要】随着人们生活水平的不断提升，私家车几乎成为了家庭必备交通工具，电子导航装置也随之进入了人们的生活。导航装置可以避免汽车由于人为或者环境原因出现行驶误区，且通过处理运动参数为汽车的安全行驶保驾护航。本文将先后分析导航仿真装置系统及导航仿真装置的设计。

【关键词】导航仿真装置;系统;设计

导航仿真装置的功能主要是仿照具体交通工具导航装置，该仿真导航装置为交通工具使用人员提供速度、位置等各方面信息，并具有精准、防干扰等特点，但是同时存在无法自行消除误差信息的缺点。常规的导航装置是依靠误差不随时间累积的传感器实现惯导组件输出的修正。而运用姿态传感器（MTI）则可以实现三维地磁场、加速度等方面的准确测量，MTI在汽车运载装置中已经代替惯导组件进行导航工作，并且在市场上得以应用。基于此，笔者将立足前人研究成果，融合组合导航装置优势，进行下文导航仿真装置设计阐述。

一、导航仿真装置系统分析

本次研究是对前人研究成果的创新，也将是融合多种技术方法的仿真实验研究，下文将从以下三方面进行导航仿真装置系统的分析。

1.装置中面向对象技术

在进行阐述之前，笔者结合本次研究思路和研究过程，得出了本次导航仿真装置系统的大概构架，以便从构架出发进行如下分析，构架如图1所示。由图得知，导航仿真装置系统中的数据采集及解算工作主要由PC104工控机负责;该装置系统将借助于姿态传感器得出各不同的方位姿态信息，其姿态切入角度包括横滚角、航向角、俯仰角，借助于RS-232C（串口1、串口2）实现该导航系统的通讯功能;借助于软件得出测速声纳信息，从而明确获取该装置系统的高度、速度信息;借助于RS-422作为通讯输出口，其作用主要是在导航仿真装置运行中，负责接收包括起始、输入输出等12维装置信息。此外，将上述组件有机结合，即可得出本次导航仿真装置系统的基本构架。

图1 导航仿真装置系统构架

2.装置中多普勒数据模拟

本次仿真装置将仿真对多普勒测量信息，拟规定交通工具的行动轨迹中多点提供的速度和高度，并假设前后两点高度可随时间发生变动，设定两点距离的航行速度固定，得出位置前的具体点的速度，取具体数值。由此可见，仿真导航装置获取的多普勒信息可以反映出某一交通工具的具体定位信息，并且根据推算得出不同时间点、交通工具的不同位移变化。

3.装置中航位推算

该方法主要功能是用于测量物体的移动方位及移动的距离，并对下一步移动作出准确的位置推算。在本次导航仿真装置设计研究中，采用MTI和多普勒测速声纳共同作用，进行交通运载工具速度及方位、航向信息的测量。围绕得出的速度，采用积分推算的方式来确定装置的具体方位。

在上列算式中，Vy、Vx表示的是交通工具的侧向速度和前向速度，借助于软件，将φ视作航向角，运用姿态传感器对各方向进行测量，VE、VN表示的是交通工具的东向和北向速度，该仿真导航结算周期假设为T，纬线圆以及子午椭圆上的曲率则用ρ2ρ1表示，经纬度用Lon、Lat表示。

二、导航仿真装置设计分析

从本次导航仿真装置的自身特点和对外作用可以得出，该仿真装置的主体部分由硬件和软件组成，硬件软件共同作用，能够完成指控信息接受、多普勒数据信息模拟、采集传感器数据等基本任务，将所获取的信息进行处理，并经由处理进行融合，得出导航仿真装置为交通工具所提供的12维的导航服务信息。对此，笔者将在下文中以导航装置硬件及软件为出发点，进行导航仿真装置设计的分析阐述。

1.硬件方面

本次研究得出的导航仿真装置硬件有以下组件组成：电源转换装置、机箱、MTI（姿态传感器）、航空插头、底板，以及最重要的PC104工控机。上述组件组合，借助于以下原理进行导航装置运行服务。首先，先进行该装置硬件平台的组建，借助于PC104工控机完成该项工作，结合A3CSD和LX3160版的CPU组成。其次，完成PC104硬件平台构建之后，完成硬件平台总线之间的信息传递，成功实现通信的设计目标。再次，在上述步骤的基础上，完成DOS系统环境的装置工作，为下一步的导航仿真装置软件设计提供充足支撑。最后，MTI在硬件平台的作用是为仿真装置成功运行提供横滚角等准确信息。

2.软件方面

由于导航仿真装置属于电子装置系列，因此软件部分的作用及软件设计方面不容忽视。本次装置的软件由以下两部分软件构成：上层配置软件及底层PC104导航软件。其中，上层配置软件在该装置中发挥的主要作用有：发送对准控制命令;仿照组合导航装置，完成高度速度的模拟配置，辅助导航推算更加精确。该软件基于微软基础类库（MFC）的指导框架上，提供控件，促使软件程序清晰呈现，利于导航装置的开发及利用。底层导航软件在该装置中发挥的主要作用：接收配置信号、对准信号、采集数据、组合信息、完成导航推算，借助于编译底层软件，底层导航软件实现了DOS环境下的正常运行，并顺利完成了上述前三项功能。

三、结语

从本次整个导航仿真装置的实验研究可以得出，该仿真装置相对于组合导航装置来说成本较低、功能较齐全，且可以取代组合导航装置安装于交通工具上。设计开发出的导航仿真装置具有精确、可靠的优势，可以借助于不同方法减少导航运行推算误差，提升导航装置的功能。此外，在本次研究最后环节，由于研究需要，还进行了模拟破坏性实验，模拟真实场地和环境展开实验，将小型轿车作为该仿真装置的运载体，在小型轿车上装置GPS作为收集轿车运行轨迹及记录运载体准确定位的工具，通过对比实验数据，获取该仿真导航的实验误差，实验结果证明设计开发出的导航仿真装置可以实现缩小导航误差的目标，能满足运载体导航实用要求。

参考文献

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作者简介：张海波（1977―），男，四川南充人，硕士，工程师，南充职业技术学院讲师，主要从事电子、电气工程方面的教学与研究工作。