劉百奇 劉建設(shè) 呂 艷
1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京100076 2. 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076
星光修正慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種利用星光定姿信息修正慣性導(dǎo)航累積誤差的導(dǎo)航技術(shù),可提高飛行器的導(dǎo)航精度。為驗(yàn)證星光修正慣性導(dǎo)航的能力,需要進(jìn)行多種工況實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證。然而實(shí)際的飛行實(shí)驗(yàn)成本高、可重復(fù)性差、數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng),不適合初期的實(shí)驗(yàn)研究。半實(shí)物仿真將物理仿真與數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來(lái),可以降低實(shí)驗(yàn)成本,節(jié)約時(shí)間,同時(shí)具有接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證效果,是一種良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段。因此,國(guó)內(nèi)外針對(duì)半實(shí)物仿真做了大量研究。
美國(guó)NASA在飛行器編隊(duì)飛行導(dǎo)航的問(wèn)題上采用了半實(shí)物仿真的驗(yàn)證方法[1-2]。國(guó)內(nèi),李濤等人提出了一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的半實(shí)物仿真方案,對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行了半實(shí)物仿真[3]。范世鵬等人以及單家元等分別對(duì)激光制導(dǎo)武器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)做了分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[4],并應(yīng)用在了某型導(dǎo)彈的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中[5]。陳志等人針對(duì)某導(dǎo)彈的半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了微型化、通用化的研究[6]。張翔等人提出了一種用于導(dǎo)彈批驗(yàn)收的半實(shí)物仿真方法[7]。全偉等人研究了小視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航,提出了一種SINS/CNS組合導(dǎo)航的半實(shí)物仿真系統(tǒng),并進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究[8],徐帆等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了SINS/CNS/GPS組合導(dǎo)航的半實(shí)物仿真研究[9]。
本文針對(duì)快速發(fā)射固體運(yùn)載火箭采用大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)了一種高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行算法調(diào)試和系統(tǒng)性能測(cè)試。這對(duì)于加快星光修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)速度、提高效率及降低成本具有一定的工程實(shí)踐意義。
大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航的基本原理是利用大視場(chǎng)星敏感器確定載體姿態(tài),并以此精確姿態(tài)作為量測(cè)信息修正慣導(dǎo)誤差。其半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要由軌跡發(fā)生器子系統(tǒng)、高精度星圖模擬子系統(tǒng)、恒星敏感器集成定姿子系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)和星光修正慣性組合導(dǎo)航子系統(tǒng)組成。星光修正慣性導(dǎo)航采用全捷聯(lián)模式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高和光軸調(diào)校精度高等特點(diǎn),整體方案如圖1所示。
圖1 大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航總體方案
軌跡發(fā)生器模擬載體運(yùn)動(dòng)信息,結(jié)合設(shè)定的星敏感器安裝矩陣,產(chǎn)生星敏感器光軸指向信息,傳輸給星圖模擬子系統(tǒng)。星圖模擬子系統(tǒng)根據(jù)光軸指向,結(jié)合基本星表,通過(guò)高精度的星圖模擬程序,生成對(duì)應(yīng)于光軸指向的星圖;再經(jīng)過(guò)平行光管的作用,使得最終輸出的星圖為平行光,便于星敏感器鏡頭觀測(cè)星圖。星敏感器鏡頭拍攝到星圖,經(jīng)過(guò)去噪、畸變校正和質(zhì)心提取等過(guò)程獲得清晰的星點(diǎn),再使用三角形匹配識(shí)別算法識(shí)別出最佳導(dǎo)航星;進(jìn)一步,星敏感器集成定姿子系統(tǒng)將計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)信息,通過(guò)422串口通信的方式傳輸?shù)浇M合導(dǎo)航專用計(jì)算機(jī)中。與此同時(shí),慣性測(cè)量單元(IMU)敏感到地球自轉(zhuǎn)角速度。將IMU輸出的真實(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)平滑等處理后減去地球自轉(zhuǎn)角速度這一常值就可以得出IMU的真實(shí)器件誤差信息。將該誤差與軌跡發(fā)生器生成的標(biāo)稱陀螺儀、加速度數(shù)據(jù)相加就可以模擬飛行中的陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù),并通過(guò)串口通信的方式輸送到組合導(dǎo)航專用計(jì)算機(jī)中。慣性器件測(cè)量數(shù)據(jù)即陀螺儀測(cè)得角速率和加速度計(jì)測(cè)得的加速度數(shù)據(jù),結(jié)合星敏感器集成定姿子系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息,使用先進(jìn)濾波算法進(jìn)行組合導(dǎo)航和星光修正慣性導(dǎo)航誤差的操作。
利用該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)星光修正慣性導(dǎo)航技術(shù)的半實(shí)物仿真,為分析算法性能和系統(tǒng)功能提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方法。
星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成,在設(shè)計(jì)中本著經(jīng)濟(jì)、可操作性強(qiáng)、模擬程度高及可移植性好等原則和硬件模塊化、軟件流程一體化設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)。
半實(shí)物仿真系統(tǒng)的硬件部分主要包括軌跡發(fā)生器計(jì)算機(jī)、星圖模擬計(jì)算機(jī)、高精度星圖模擬儀、星敏感器(含集成定姿系統(tǒng),下同)、IMU和組合導(dǎo)航專用計(jì)算機(jī)。其中,軌跡發(fā)生器可以在實(shí)驗(yàn)前生成模擬軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到星圖模擬計(jì)算機(jī)和組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)等需要的設(shè)備中,以便于節(jié)省一臺(tái)計(jì)算機(jī),降低成本、提高效率。從信息的流向看,可以將硬件系統(tǒng)分為姿態(tài)信息獲取與傳遞通道和慣性信息測(cè)量與傳遞通道。通過(guò)軟件同步方式同步各部件信息。
2.1.1 姿態(tài)信息的獲取與傳遞通路
姿態(tài)信息的獲取與傳遞通路包括軌跡發(fā)生器、星圖模擬計(jì)算機(jī)、星圖模擬儀和星敏感器等部件。星圖模擬計(jì)算機(jī)根據(jù)軌跡發(fā)生器提供的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生星圖信息,而星圖模擬儀將圖像信息轉(zhuǎn)化為平行光,它們之間通過(guò)VGA視頻線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。星圖模擬儀與星敏感器之間信息傳遞的載體是光信號(hào):星圖模擬儀發(fā)出平行光,星敏感器敏感平行光。星敏感器產(chǎn)生的姿態(tài)信息通過(guò)串口通信數(shù)據(jù)線傳輸?shù)浇M合導(dǎo)航專用計(jì)算機(jī)。
2.1.2 慣性信息測(cè)量通路
慣性信息測(cè)量通路包括IMU、軌跡發(fā)生器等。軌跡發(fā)生器生成的陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)浇M合導(dǎo)航專用計(jì)算機(jī)中;如果沒用專用的軌跡發(fā)生器計(jì)算機(jī),可以將軌跡發(fā)生器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。IMU有專用的航空接頭與組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)連接。
2.2.1 軟件設(shè)計(jì)方案
軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心,合理的軟件設(shè)計(jì)可以降低對(duì)硬件的要求,提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。軟件設(shè)計(jì)要從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能出發(fā)。星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)的整體功能框圖如圖2所示。
圖2 星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)框圖
星光修正慣性組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)功能具體實(shí)現(xiàn)為初始化軌跡發(fā)生器參數(shù),根據(jù)軌跡參數(shù)生成各子系統(tǒng)標(biāo)稱軌跡數(shù)據(jù)。一方面,標(biāo)稱軌跡數(shù)據(jù)結(jié)合星敏感器安裝矩陣可以計(jì)算出星敏感器光軸的指向信息。星敏感器光軸指向信息傳遞到星圖模擬子系統(tǒng),根據(jù)星表和星歷產(chǎn)生特定視場(chǎng)的模擬星圖圖像。星敏感器集成定姿系統(tǒng)處理拍攝到的星圖,并進(jìn)行星圖匹配識(shí)別進(jìn)而得出姿態(tài)信息。另一方面,接收實(shí)時(shí)的IMU輸出數(shù)據(jù),去除靜態(tài)IMU的標(biāo)稱輸出值后疊加到軌跡發(fā)生器生成的標(biāo)稱數(shù)據(jù)上,將其作為具有真實(shí)誤差特性的慣性器件輸出數(shù)據(jù),通過(guò)捷聯(lián)解算求解出速度、位置和姿態(tài)。
建立ESP師資團(tuán)隊(duì)還可以從教師入口和鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)合作入手。在引進(jìn)新教師時(shí)有側(cè)重地傾向選擇專業(yè)背景多元的外語(yǔ)人才,有助于實(shí)現(xiàn)外語(yǔ)教師的專業(yè)多元化。二是鼓勵(lì)專業(yè)教師與英語(yǔ)教師合作教學(xué),與專業(yè)教師一起共同探索某一個(gè)領(lǐng)域的語(yǔ)篇結(jié)構(gòu)和修辭手法,共同構(gòu)建一門專業(yè)英語(yǔ)課程。
星光修正慣性組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接收慣性、星光導(dǎo)航子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù),根據(jù)組合邏輯對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步預(yù)處理,并完成組合濾波以及星光修正慣性導(dǎo)航誤差。
2.2.2 軟件編寫流程
為實(shí)現(xiàn)星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)功能,按照如圖3所示的流程編寫星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)的軟件部分。
圖3 星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真算法流程圖
程序初始化后判斷慣性器件數(shù)據(jù)是否可用,如果讀取到慣性器件數(shù)據(jù)則進(jìn)行下一步,否則等待讀取慣性器件數(shù)據(jù)。
讀取到正確的慣性器件誤差后判斷系統(tǒng)當(dāng)前工作模式:純捷聯(lián)慣性導(dǎo)航模式下,將運(yùn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法模塊進(jìn)行純捷聯(lián)慣性導(dǎo)航解算,得出姿態(tài)、速度和位置等信息,然后判斷是否滿足導(dǎo)航解算結(jié)束條件,如果滿足則結(jié)束,否則重復(fù)以上步驟;組合導(dǎo)航模式下將接收星敏感器輸出的姿態(tài)信息,運(yùn)行卡爾曼濾波程序和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航程序進(jìn)行組合導(dǎo)航解算,并反饋校正慣性導(dǎo)航信息。
反饋校正后依次判斷平臺(tái)失準(zhǔn)角、陀螺漂移和加速度計(jì)零偏估計(jì)情況,根據(jù)狀態(tài)量的估計(jì)情況判斷是否修正其引起的導(dǎo)航累積誤差。
根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想及各部分軟硬件構(gòu)成,星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
圖4 星光修正慣性導(dǎo)航技術(shù)半實(shí)物仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
計(jì)算機(jī)A是軌跡發(fā)生器,利用軌跡發(fā)生器軟件模擬飛行軌跡數(shù)據(jù),為星光修正慣性組合導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)軌跡數(shù)據(jù)。
設(shè)備B是高精度的星圖模擬子系統(tǒng),根據(jù)軌跡發(fā)生器數(shù)據(jù)和星敏感器安裝矩陣生成飛行過(guò)程中恒星敏感器觀測(cè)到的星圖,并通過(guò)平行光管等器件產(chǎn)生平行光輸出。星圖模擬子系統(tǒng)是一種為測(cè)試星敏感器功能和驗(yàn)證星圖識(shí)別算法性能,提供仿真星圖數(shù)據(jù)的仿真系統(tǒng),主要包括星圖模擬計(jì)算機(jī)、分頻器、顯示設(shè)備、光源系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)和平行光管6部分,其中星圖模擬計(jì)算機(jī)中裝有星圖模擬算法和基本星表。星圖模擬儀如圖5所示。
圖5 大視場(chǎng)星圖模擬儀
設(shè)備C是星敏感器集成定姿子系統(tǒng),包絡(luò)星敏感器鏡頭和定姿處理計(jì)算機(jī);它通過(guò)星敏感器觀測(cè)到導(dǎo)航星,經(jīng)過(guò)高精度的星圖處理和天文定姿技術(shù)得到精確的姿態(tài)信息。使用的星敏感器其視場(chǎng)大小為14°×14°,可以敏感6等及以上恒星,最高輸出頻率可達(dá)40Hz。
設(shè)備D是慣性導(dǎo)航子系統(tǒng),根據(jù)軌跡發(fā)生器的數(shù)據(jù)和慣性測(cè)量單元(IMU)的信息進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航解算,得到初步的導(dǎo)航信息。所用的IMU陀螺儀漂移為0.05(°)/h,加速度計(jì)為20ug,數(shù)據(jù)輸出頻率為100Hz,如圖6所示。
圖6 IMU
計(jì)算機(jī)E是星光修正慣性組合導(dǎo)航子系統(tǒng),它接受來(lái)自集成定姿子系統(tǒng)的姿態(tài)信息和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息進(jìn)行組合導(dǎo)航解算并完成星光修正慣性導(dǎo)航累積誤差的工作。圖7是E上搭載的星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真軟件。
圖7 星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真軟件
基于圖8所示的大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn),從純捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與星光修正慣性導(dǎo)航誤差比較的角度驗(yàn)證了系統(tǒng)性能,并分析了陀螺漂移大小和星敏感器定姿精度對(duì)星光修正慣性導(dǎo)航誤差的影響。圖8是搭建的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。
圖8 大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)
基于本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的半實(shí)物仿真系統(tǒng),開展了大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方法的驗(yàn)證。在驗(yàn)證大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航姿態(tài)誤差方法的同時(shí),也驗(yàn)證了利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣修正主動(dòng)段慣導(dǎo)累積的位置和速度誤差的方法。
半實(shí)物仿真系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。
表1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件
(1)
通過(guò)半實(shí)物仿真系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)姿態(tài)誤差、速度誤差和位置誤差的結(jié)果如圖9~11。
圖9 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)姿態(tài)誤差結(jié)果
圖10 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)速度誤差結(jié)果
圖11 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)位置誤差結(jié)果
表2~4給出了大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
表2 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)姿態(tài)誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
表3 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)速度誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
表4 大視場(chǎng)星光修正慣性系統(tǒng)位置誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)以上半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大視場(chǎng)星光可以有效降低慣性導(dǎo)航累積的誤差。星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果符合預(yù)期,滿足設(shè)計(jì)要求,能夠?yàn)樾枪庑拚龖T性導(dǎo)航技術(shù)的驗(yàn)證與進(jìn)一步工程應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。
大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)的成功搭建,為在室內(nèi)研究大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航性能提供了更加貼近實(shí)際情況的驗(yàn)證手段。本系統(tǒng)在搭建時(shí)充分考慮了實(shí)際器件的誤差特性,采用真實(shí)星敏感器和IMU采集器件誤差數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)仿真程度。
實(shí)驗(yàn)證明,所設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行大視場(chǎng)星光修正慣性導(dǎo)航的半實(shí)物仿真研究。該半實(shí)物仿真系統(tǒng)在軟件上可以設(shè)定不同的陀螺漂移、加速度計(jì)零偏和星敏感器等器件誤差和濾波周期等算法參數(shù),可以有效分析上述參數(shù)對(duì)星光修正慣性導(dǎo)航技術(shù)的影響。所設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、仿真精度高,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為實(shí)際工程應(yīng)用提供先行驗(yàn)證,有利于加快星光修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)速度,提高效率。
參 考 文 獻(xiàn)
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