摘 要:在分析軟總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)多種傳感器組合導(dǎo)航中各類傳感器的特征和應(yīng)用特點(diǎn)，提出基于軟插件/軟總線結(jié)構(gòu)的多傳感器組合導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建傳感器分類軟插件模型，將軟總線技術(shù)用于組合導(dǎo)航試驗(yàn)仿真環(huán)境中，為“軟插件”集成提供一個(gè)一致的平臺(tái)，通過統(tǒng)一的接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)異構(gòu)導(dǎo)航傳感器插件的即插即用，討論了基于軟總線組合導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞:軟總線;軟插件;多傳感器;組合導(dǎo)航;平臺(tái)

中圖分類號(hào):TN966文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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

為了準(zhǔn)確可靠地對(duì)艦船飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行導(dǎo)航，導(dǎo)航系統(tǒng)必須為載體提供足夠準(zhǔn)確和可靠的位置速度和姿態(tài)等信息。任何一種導(dǎo)航設(shè)備都是根據(jù)某種特定的原理制成的，因此不可避免地存在著某種局限性。而現(xiàn)代航海航空乃至航天事業(yè)的發(fā)展都對(duì)載體導(dǎo)航定位的精度和可靠性提出了很高的要求，在這種情況下單一設(shè)備的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得組合導(dǎo)航不僅能夠付諸實(shí)現(xiàn)，而且正朝著更高的目標(biāo)發(fā)展。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)就是將具有不同特性的兩種或多種導(dǎo)航系統(tǒng)或者傳感器借助計(jì)算機(jī)組合起來(lái)，并對(duì)各個(gè)導(dǎo)航設(shè)備的輸出信息進(jìn)行綜合處理，以提高整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。信息處理的方法也由圍繞著單個(gè)特定傳感器所獲得的數(shù)據(jù)集進(jìn)行單一信息處理，向著多傳感器多數(shù)據(jù)集的信息融合方向發(fā)展[1]。

當(dāng)前可用的導(dǎo)航產(chǎn)品品種繁多:可以提供完整導(dǎo)航功能的設(shè)備包含全球定位系統(tǒng)GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、及進(jìn)場(chǎng)用的儀器著陸系統(tǒng)ILS與微波著陸系統(tǒng)MLS;提供位置信息的導(dǎo)航產(chǎn)品包含超高頻全向性無(wú)線電系統(tǒng)、距離量測(cè)儀DME、長(zhǎng)程導(dǎo)航系統(tǒng)LORAN-C、OMEGA導(dǎo)航系統(tǒng)等[2];提供速度的導(dǎo)航產(chǎn)品有多卜勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)(Doppler Radar)等;提供高度的導(dǎo)航產(chǎn)品如垂直陀螺儀、無(wú)線電高度系統(tǒng)、氣壓高度表等;提供方位的導(dǎo)航產(chǎn)品有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)TACAN、方位陀螺儀、磁羅盤、自動(dòng)定向儀ADFS等。而每一類導(dǎo)航產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家不同，其性能和數(shù)據(jù)格式也不盡相同[3]。 因此多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)面臨多種不同屬性的導(dǎo)航傳感器的信息系統(tǒng)的處理。而為了對(duì)采用不同導(dǎo)航傳感器和不同組合算法的組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)和評(píng)估，需要通過分析各種導(dǎo)航系統(tǒng)/傳感器的基本原理，根據(jù)它們的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建一個(gè)通用的組合導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)。這將為組合導(dǎo)航算法的研究和系統(tǒng)仿真工作以及系統(tǒng)的室內(nèi)調(diào)試提供極大的便利，也將為組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行高效的試驗(yàn)和評(píng)估提供保障。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)作為特定領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)，其應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用形式較為固定，對(duì)于不同的組合導(dǎo)航設(shè)備的組合要求，其流程和數(shù)據(jù)內(nèi)容有很大的相似性和顯著的共性，可以通過領(lǐng)域分析和領(lǐng)域設(shè)計(jì)建立基于共同功能的組合導(dǎo)航軟件體系結(jié)構(gòu)。

領(lǐng)域特定軟件體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使得在軟件開發(fā)過程中可以直接或間接地從以往開發(fā)的系統(tǒng)中提取大量可重用的部件，又可在當(dāng)前系統(tǒng)開發(fā)過程中為以后系統(tǒng)的開發(fā)提供最大的軟件重用資源，使軟件開發(fā)的效率得到提高，軟件的可維護(hù)性得到增強(qiáng)，從而使軟件開發(fā)形成一種良性循環(huán)。

針對(duì)組合導(dǎo)航領(lǐng)域特點(diǎn)，本文提出了一種基于軟插件/軟總線的組合導(dǎo)航仿真與試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型。在該模型中，各功能模塊和應(yīng)用程序都被封裝成彼此獨(dú)立、并且便于復(fù)用的軟插件，軟插件通過軟總線這個(gè)邏輯通道互相連接并彼此通信，能夠很方便地接入需要測(cè)試和仿真的導(dǎo)航設(shè)備;采用固定的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試和評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備組合性能的仿真與測(cè)試;同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置多種標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)組合算法的評(píng)估和測(cè)試。

1 軟插件和軟總線的基本概念

1.1軟插件模型

軟插件技術(shù)的本質(zhì)是一種軟件集成技術(shù)。軟插件是具有一組功能描述和外接消息以及相應(yīng)的信息說明的軟件單元實(shí)體，將已經(jīng)成熟的軟件單元制成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)體，使之不加改動(dòng)或少做改動(dòng)就應(yīng)用于新的軟件系統(tǒng)中，通過不同的集成度要求來(lái)滿足不同層次的復(fù)用。如果構(gòu)造一個(gè)新系統(tǒng)所需要的軟插件都已存在，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略和原則進(jìn)行描述和制定，而將所需要的軟插件按這些原則、策略組織起來(lái)，便可以推出一個(gè)新軟件系統(tǒng)，從而大大提高軟件生產(chǎn)效率。

1.2 軟總線模型

軟件總線是指面向?qū)ο蟮囊唤M虛擬的數(shù)據(jù)信息傳輸線。這組虛擬的數(shù)據(jù)信息傳輸線是一組通用的標(biāo)準(zhǔn)集成軟件功能部件的接口界面，是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)與各種集成功能部件之間或集成軟件功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與聯(lián)系的虛擬公共通道和接口界面。軟件總線能夠?qū)崿F(xiàn)類似于硬件總線的橋梁功能，任何符合移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序都可以通過適配器以插件方式獲得軟總線的支持，與總線上的其他配件相互通訊、協(xié)調(diào)與控制[4]。軟總線是連接應(yīng)用程序、各種對(duì)象、服務(wù)、對(duì)象工具集的核心，能夠把各個(gè)組件對(duì)象元素有序地分割開來(lái)，用以實(shí)現(xiàn)分布式的軟件集成和應(yīng)用上的即插即用[5]。

在軟總線模型中，軟插件對(duì)象與它的適配器交互，每一個(gè)插件通過適配器構(gòu)件與軟總線相連接，通過適配器向軟總線發(fā)送數(shù)據(jù)構(gòu)件對(duì)象[6];軟插件通過消息的相互傳送在各插件間提供服務(wù)，用戶界面構(gòu)件提供顯示和控制服務(wù)，服務(wù)構(gòu)件提供功能和過程控制服務(wù)，它們?cè)谲浛偩€上的地位是相等的。這些構(gòu)件通過適配器和軟總線解決了不同軟插件之間的互操作問題和數(shù)據(jù)交換問題[7]。

2 多傳感器組合導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)的功能組成

多傳感器組合導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)是以建立一個(gè)信息融合環(huán)境為目標(biāo)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括[8]:

(1) 組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境構(gòu)建功能

為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真測(cè)試，需要在仿真坐標(biāo)系下構(gòu)建一條供調(diào)試開發(fā)試驗(yàn)用的載體運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如直線運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)乃至更為復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)模擬載體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬出載體在運(yùn)動(dòng)中的經(jīng)緯度位置、姿態(tài)和速度信息以作為載體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)信息，該模塊產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)將通過軟總線傳送到各虛擬導(dǎo)航設(shè)備模塊以產(chǎn)生虛擬仿真導(dǎo)航信息。這一仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線將作為組合導(dǎo)航算法試驗(yàn)的真值。

(2) 數(shù)據(jù)采集與虛擬導(dǎo)航設(shè)備仿真功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)各單體導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)采集，按照組合導(dǎo)航試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求分析各導(dǎo)航設(shè)備提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，在不具有實(shí)體傳感器時(shí)，構(gòu)建虛擬導(dǎo)航設(shè)備并接收測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)，根據(jù)各導(dǎo)航設(shè)備的主要誤差規(guī)律建模，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理修正參數(shù)和補(bǔ)償，按照各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求構(gòu)建傳感器測(cè)試與仿真數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)處理與組合導(dǎo)航算法功能

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單傳感器和不同傳感器組合方式下的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)濾波。這一功能是整個(gè)組合導(dǎo)航試驗(yàn)仿真平臺(tái)的核心，整個(gè)平臺(tái)的搭建目標(biāo)就是為檢驗(yàn)和評(píng)估此模塊中的算法，構(gòu)造一個(gè)通用性好便于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)試開發(fā)試驗(yàn)和室外實(shí)地跑車試驗(yàn)的平臺(tái)。因此此項(xiàng)功能需求是留有充足的并且易用的接口，使得各種組合導(dǎo)航算法可以非常容易地嵌入到系統(tǒng)中，從而大大提高檢驗(yàn)和評(píng)估導(dǎo)航算法的工作效率。

(4) 顯示功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)波形顯示與統(tǒng)計(jì)圖表顯示，電子地圖顯示模塊、三維模型演示以及載體信息數(shù)字顯示。

基于地理信息的電子地圖顯示功能將完成電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇和讀取，電子地圖顯示、放大縮小漫游以及地圖圖層的管理，可以實(shí)現(xiàn)在地圖上對(duì)GPS航跡、INS 航跡以及組合信息航跡等不同的航跡數(shù)據(jù)分線形和顏色標(biāo)繪;三維模型演示可以隨著組合導(dǎo)航信息的航姿變化實(shí)現(xiàn)畫面上載體的三維姿態(tài)變化，給試驗(yàn)者一個(gè)直觀的載體姿態(tài)狀態(tài)。

載體信息數(shù)字顯示功能將載體導(dǎo)航信息如經(jīng)緯度姿態(tài)等精確信息進(jìn)行顯示，這些功能采用虛擬LED、數(shù)碼管、虛擬指針儀表等手段完成并將不同導(dǎo)航設(shè)備的信息以及組合信息分頁(yè)顯示。數(shù)據(jù)波形顯示與統(tǒng)計(jì)圖表實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)航信息的變化曲線長(zhǎng)時(shí)間的觀察，并在事后對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制變化曲線以便觀察對(duì)比。

(5) 系統(tǒng)評(píng)估功能

能夠?qū)误w導(dǎo)航傳感器和不同組合方式下不同組合算法的組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試和效果評(píng)估，計(jì)算導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

根據(jù)各導(dǎo)航設(shè)備主要誤差規(guī)律進(jìn)行建模，按照試驗(yàn)選擇的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、參數(shù)修正和算法補(bǔ)償，并對(duì)導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)采用待評(píng)估的算法進(jìn)行有效融合，以獲得載體的位置速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息，將這些組合得到的信息與模擬試驗(yàn)參照測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，對(duì)導(dǎo)航精度進(jìn)行分析，從而評(píng)價(jià)試驗(yàn)所采用的算法的性能。

(6) 平臺(tái)管理功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)組合導(dǎo)航仿真測(cè)試系統(tǒng)的管理、測(cè)試任務(wù)的制定、參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試接口的管理、數(shù)據(jù)的打印以及對(duì)外數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3 基于軟插件與軟總線的組合導(dǎo)航平臺(tái)構(gòu)建方法

在分析了導(dǎo)航傳感器的種類和多傳感器組合導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)的功能要求之后可以看出，由于導(dǎo)航傳感器的種類較多，每一類導(dǎo)航傳感器又有不同的產(chǎn)品和屬性，比如衛(wèi)星導(dǎo)航類產(chǎn)品包括GPS、GLONASS、伽利略等導(dǎo)航系統(tǒng)，而每一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航接收機(jī)的生產(chǎn)廠家不同，其產(chǎn)品的性能和數(shù)據(jù)格式都不相同[9]。因此在多傳感器組合導(dǎo)航仿真與試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)上，如果針對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品都構(gòu)建一套試驗(yàn)軟件，任務(wù)量會(huì)是巨大的。同時(shí)針對(duì)不同的組合導(dǎo)航方式以及不同的組合導(dǎo)航算法，如果對(duì)每一種組合都嘗試不同的導(dǎo)航算法，而去構(gòu)造相應(yīng)的測(cè)試和試驗(yàn)系統(tǒng)的工作量也是相當(dāng)大的。應(yīng)該看到在這里面有大量的重復(fù)工作 [10]。

軟插件和軟總線的概念為高效實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的多傳感器組合導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)提供了較好的設(shè)計(jì)思想。利用這一思想，對(duì)同類導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)、控制以及接口信息進(jìn)行封裝，構(gòu)造統(tǒng)一的軟插件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種導(dǎo)航傳感器的即插即用。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的各種功能模塊進(jìn)行封裝，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的軟插件，通過軟總線的方式實(shí)現(xiàn)各類插件間的無(wú)障礙訪問?；谲洸寮蛙浛偩€思想的多傳感器組合導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架如圖1所示。

在這一構(gòu)架中，將導(dǎo)航傳感器中的幾個(gè)主要分類(衛(wèi)星導(dǎo)航類、慣性導(dǎo)航類、陸基無(wú)線電導(dǎo)航類以及其他導(dǎo)航傳感器類)進(jìn)行了封裝，對(duì)其控制和信息傳輸配置標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范或插件，使之對(duì)同類產(chǎn)品具有較好的適應(yīng)能力。

圖1 基于軟插件和軟總線思想的多傳感器組合

導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架

與各類傳感器相連的接口驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)讀取插件屬于底層通信服務(wù)構(gòu)件，直接與機(jī)器硬件的API交互，并將獲得的原始數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)總線。該插件定義了接口規(guī)約，定義其對(duì)外提供的功能和要求的外部功能。插件適配器實(shí)現(xiàn)插件和總線間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)通過適配器和軟總線解決了互不相識(shí)的功能模塊之間的互操作問題和數(shù)據(jù)交換問題。

同時(shí)還對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的控制、參數(shù)獲取等進(jìn)行封裝，構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)規(guī)范。模型編輯組件實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真和試驗(yàn)環(huán)境模型的構(gòu)建，其模型控制參數(shù)和模型數(shù)據(jù)通過適配器與總線交流。顯示組件封裝了系統(tǒng)功能需要的多種顯示方式，數(shù)據(jù)處理組件是一個(gè)開放的組件，封裝各類被測(cè)試的組合導(dǎo)航算法和標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航算法。這類組件屬于用戶界面構(gòu)件和功能構(gòu)件。用戶界面構(gòu)件實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，為用戶提供表示服務(wù);功能構(gòu)件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)的服務(wù)功能。

系統(tǒng)管理組件封裝了系統(tǒng)管理功能所需的各類功能軟件。包括總線管理、注冊(cè)和權(quán)限管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等，主要解決各個(gè)構(gòu)件間通信和數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)傳遞的合理分配和控制。它的數(shù)據(jù)來(lái)源于底層通信服務(wù)部件，根據(jù)注冊(cè)中心提供的信息申請(qǐng)不同的底層服務(wù)。

框架中軟總線起到了連接應(yīng)用程序、各種對(duì)象、服務(wù)的核心作用，傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)構(gòu)件對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)組件對(duì)象元素有序地分割，用以實(shí)現(xiàn)分布式的軟件集成和應(yīng)用上的即插即用，它能夠協(xié)調(diào)不同組件間的訪問和服務(wù)以及實(shí)現(xiàn)關(guān)系，也能實(shí)現(xiàn)不同組件間請(qǐng)求與響應(yīng)的關(guān)系，在得到此數(shù)據(jù)構(gòu)件對(duì)象后，可動(dòng)態(tài)分析其內(nèi)容而決定對(duì)它進(jìn)行的操作。在軟總線的作用下，通過系統(tǒng)管理組件，可以構(gòu)建一個(gè)試驗(yàn)環(huán)境，并且可方便地調(diào)用單個(gè)導(dǎo)航傳感器或多個(gè)導(dǎo)航傳感器，在選定的組合導(dǎo)航算法下實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航并進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)組合導(dǎo)航系統(tǒng)得到了較為廣泛的研究，而多傳感器組合導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)還需要較多的研究，本文在分析了組合導(dǎo)航用多傳感器的特點(diǎn)后，結(jié)合軟總線和領(lǐng)域工程的設(shè)計(jì)思想，提出了基于軟總線的組合導(dǎo)航仿真測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)架和形成方法，“軟總線+軟插件”體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了組合導(dǎo)航仿真測(cè)試平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，利于新的仿真測(cè)試環(huán)境的構(gòu)造和己有組合導(dǎo)航軟件資源的重用，支持應(yīng)用軟件開發(fā)全生命周期活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，為多傳感器組合導(dǎo)航仿真試驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)展應(yīng)用和通用化提供了有利保障，在后續(xù)的工作中將在實(shí)際系統(tǒng)中驗(yàn)證這一系統(tǒng)的有效性以及進(jìn)一步改進(jìn)的方法。

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