徐 暉，楊凌輝，鄧 睿，王雨萌，楊 朔，任永杰

(天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引 言

當(dāng)前，大空間三維精密測(cè)量定位技術(shù)已成為航天航空、大型船舶等高端裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的核心關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，代表性設(shè)備包括激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀、全站儀、近景數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和室內(nèi)GPS光電掃描測(cè)量網(wǎng)絡(luò)等[3-5]。不同于跟蹤儀、全站儀等傳統(tǒng)單站測(cè)量設(shè)備，以工作空間測(cè)量定位系統(tǒng)(workshop measuring and positioning system,wMPS)為代表的光電掃描測(cè)量網(wǎng)絡(luò)是一種針對(duì)大空間定位測(cè)量的新型分布式測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用前景廣泛[6-7]。

作為以多站組網(wǎng)定位為基本原理的分布式測(cè)量系統(tǒng)，wMPS系統(tǒng)在研發(fā)制造過程中，從底層硬件架構(gòu)到頂層算法都需要進(jìn)行大量測(cè)試優(yōu)化，以保證平臺(tái)性能穩(wěn)定可靠。但wMPS系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射站基數(shù)一般在4～20臺(tái)，工作單站工作距離為3 ～30 m，為保證交匯條件使用時(shí)空間分布也不能過于集中?，F(xiàn)有真實(shí)設(shè)備的物理參數(shù)限制為在實(shí)驗(yàn)室小環(huán)境條件下進(jìn)行處理算法測(cè)試驗(yàn)證帶來了極大困難。同時(shí)，由于部分算法優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)需要多樣化的發(fā)射站和接收器參數(shù)，使用實(shí)物調(diào)試往往需要硬件結(jié)構(gòu)上的改變，設(shè)備生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，多站實(shí)物調(diào)試成本較高，迫切需要簡(jiǎn)便可行的低成本仿真系統(tǒng)模擬wMPS系統(tǒng)行為。

目前，以wMPS系統(tǒng)為代表的光電掃描測(cè)量網(wǎng)絡(luò)仿真大多針對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量誤差和網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化[8]，仿真過程主要集中在算法軟件層面，比如熊芝[9]通過算法仿真實(shí)現(xiàn)了wMPS系統(tǒng)的布局優(yōu)化，并建立了布局定位誤差模型，徐鑫[10]通過算法仿真實(shí)現(xiàn)了掃描激光平面的優(yōu)化。但在實(shí)際調(diào)試中，系統(tǒng)性能驗(yàn)證還依賴于對(duì)真實(shí)硬件特別是接收器、處理器硬件電路及嵌入式軟件性能的充分測(cè)試，單純進(jìn)行軟件仿真無法全面模擬系統(tǒng)行為，必須基于底層真實(shí)信號(hào)進(jìn)行仿真分析才能得到完備可靠結(jié)果。

注意到目前在電子、航天、航空領(lǐng)域，基于信號(hào)發(fā)生器、多自由度平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)裝置模擬生成具有真實(shí)物理狀態(tài)的系統(tǒng)信號(hào)，配合軟件算法進(jìn)行模擬可對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行充分仿真，已成為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試手段。本文基于wMPS測(cè)量原理，構(gòu)建占地空間小、參數(shù)修改靈活可控的半實(shí)物化模擬器，滿足wMPS系統(tǒng)算法及性能快速驗(yàn)證調(diào)試需求。本文在介紹wMPS系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上利用發(fā)射站的內(nèi)外參數(shù)及接收站參數(shù)，解算得到模擬信號(hào)的輸入量；以Xilinx公司生產(chǎn)的Zynq系列FPGA為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了可將wMPS系統(tǒng)發(fā)射站的時(shí)間-角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬發(fā)射站光脈沖信號(hào)的IP核。

1 wMPS系統(tǒng)工作基本原理

1.1 wMPS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

wMPS系統(tǒng)主要由激光發(fā)射站、接收器、前端處理器及上位機(jī)組成，是一種新型的基于光電掃描的測(cè)量系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 wMPS系統(tǒng)基本構(gòu)成圖

1.2 wMPS系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，激光發(fā)射站發(fā)射激光脈沖，此時(shí)接收器位于待測(cè)點(diǎn)處，其接收光脈沖并且利用自身電路的光電轉(zhuǎn)換模塊將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，前端處理器對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行提取再經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并上傳給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算不同發(fā)射站相對(duì)于接收器的位姿信息，綜合解算出接收器點(diǎn)坐標(biāo)[11]。

每個(gè)發(fā)射站在周期開始時(shí)發(fā)射同步光，以角速度 ω旋轉(zhuǎn)，并且發(fā)射兩束角度不同的扇面掃描光，當(dāng)掃描光掃過接收器時(shí)，掃描光被接收器識(shí)別。發(fā)射站一個(gè)光平面的掃描接收器過程如圖2所示。

圖2 接收器和發(fā)射站工作示意圖

1.3 wMPS系統(tǒng)解算原理

前端處理器可根據(jù)光信號(hào)周期和脈沖寬度判斷光信號(hào)來源發(fā)射站以及類型。設(shè)激光扇面在初始位置的時(shí)刻為t0，當(dāng)扇面光1和扇面光2依次掃過接收器時(shí)，記錄時(shí)刻分別為t1和t2，則此時(shí)發(fā)射站旋轉(zhuǎn)角度 θ1和 θ2為：

其中T為發(fā)射站的旋轉(zhuǎn)周期。

接收站測(cè)量原理如圖3所示，設(shè) φ1和 φ2為光平面1和光平面2相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸Z軸的傾斜角，a為接收器與發(fā)射站的距離。

圖3 接收器工作原理圖

根據(jù)角度交匯原理，可推導(dǎo)出接收器相對(duì)于發(fā)射站的方位角和俯仰角。其中方位角 α為發(fā)射站坐標(biāo)系下接收器和原點(diǎn)連線在水平面上的投影與X軸的夾角，而俯仰角 β為其與水平面的夾角，θoff為兩激光平面在旋轉(zhuǎn)方向上的偏離角度[12]：

當(dāng)系統(tǒng)由兩臺(tái)或以上發(fā)射站組成時(shí)，可通過多站角度交匯的方法測(cè)量接收器的坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 多站角度交匯坐標(biāo)測(cè)量

首先建立全局測(cè)量坐標(biāo)系，之后通過標(biāo)定手段求出n臺(tái)發(fā)射站在全局測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和全局測(cè)量坐標(biāo)系相對(duì)于發(fā)射站自身坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。再通過接收器在多個(gè)發(fā)射站下所得的方位角和俯仰角建立多約束方程，即可求解接收器坐標(biāo)[13]。

在測(cè)量中，單個(gè)接收器接收來自各個(gè)發(fā)射站混疊脈沖攜帶測(cè)量所需的全部信息。前端處理器對(duì)混疊脈沖進(jìn)行處理，區(qū)分不同發(fā)射站脈沖，提取接收到的電脈沖類型，讀取各個(gè)脈沖的全局時(shí)間，即可解算出接收器坐標(biāo)。接收器接收的混疊脈沖如圖5所示。因此wMPS系統(tǒng)模擬器需模擬不同參數(shù)下的該混疊脈沖，為系統(tǒng)調(diào)試提供支持。

圖5 接收器接收脈沖示意圖

2 仿真原理

為了得到有效的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬器仿真首先要確定模擬信號(hào)的輸入?yún)?shù)。發(fā)射站模擬信號(hào)要模擬完整且適用于實(shí)際系統(tǒng)的全部特征參數(shù)，包括同步光發(fā)射周期、光平面1相位、光平面2相位。在wMPS系統(tǒng)中，發(fā)射站旋轉(zhuǎn)周期決定了同步光脈沖的發(fā)射周期；發(fā)射站的兩個(gè)光平面掃過接收器時(shí)發(fā)射站轉(zhuǎn)過的角度決定了接收器接收到的脈沖信號(hào)相位。

因此，求解模擬信號(hào)的輸入?yún)?shù)時(shí)要根據(jù)已知的發(fā)射站和接收器的坐標(biāo)以及發(fā)射站內(nèi)部和外部參數(shù)，解算發(fā)射站兩個(gè)光平面的旋轉(zhuǎn)角度 θ1和 θ2，并根據(jù)發(fā)射站轉(zhuǎn)速計(jì)算出兩個(gè)光平面掃過接收器所用時(shí)間t1和t2，作為模擬信號(hào)的輸入?yún)⒘俊?/p>

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

wMPS測(cè)量網(wǎng)絡(luò)模擬器主要包括設(shè)置在計(jì)算機(jī)中的發(fā)射站旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算模塊以及Zynq模擬信號(hào)產(chǎn)生平臺(tái)。完整架構(gòu)及模擬信號(hào)產(chǎn)生流程如圖6所示。首先根據(jù)已知的發(fā)射站和接收器的坐標(biāo)以及發(fā)射站內(nèi)部和外部參數(shù)，解算發(fā)射站兩個(gè)光平面的旋轉(zhuǎn)角度 θ1和 θ2，并根據(jù)發(fā)射站轉(zhuǎn)速計(jì)算出兩個(gè)光平面掃過接收器所用時(shí)間t1和t2，作為模擬信號(hào)的輸入?yún)⒘浚欢笥蒢ynq嵌入式平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)特定輸入?yún)⒘康哪M信號(hào)在硬件平臺(tái)上的產(chǎn)生和混疊，輸出最終的模擬信號(hào)。

圖6 wMPS測(cè)量網(wǎng)絡(luò)模擬器架構(gòu)

2.2 模擬信號(hào)輸入?yún)?shù)求解

在已確定某發(fā)射站轉(zhuǎn)速的情況下，根據(jù)空間已知點(diǎn)坐標(biāo)，發(fā)射站在空間中位置以及光平面姿態(tài)，即可對(duì)發(fā)射站兩個(gè)光平面的旋轉(zhuǎn)角度 θ1和 θ2進(jìn)行逆解算，并得出對(duì)應(yīng)的發(fā)射站兩個(gè)光平面掃過接收器所用時(shí)間t1和t2。所求的參數(shù)可作為模擬信號(hào)的輸入?yún)⒘?。圖7為單發(fā)射站的旋轉(zhuǎn)角度解算流程。

圖7 單發(fā)射站旋轉(zhuǎn)角度解算流程

其中，發(fā)射站外部參數(shù)包括：發(fā)射站序號(hào)(ID)、轉(zhuǎn)速speed(r/min)、發(fā)射站在全局坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)以及發(fā)射站到全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；發(fā)射站內(nèi)部參數(shù)包括：兩個(gè)光平面P1、P2在空間中的位置和姿態(tài)信息（與Z軸夾角 φ、旋轉(zhuǎn)方向上與初始位置夾角 θ、光平面在Z軸上的截距zerr）。其中，兩個(gè)光平面之間的空間關(guān)系應(yīng)滿足：兩光平面水平方向夾角為90°，且兩光平面在旋轉(zhuǎn)方向上的偏離角度θoff=|θ1?θ2|，為45°的固定值；接收器參數(shù)主要包括：接收站序號(hào)(ID)以及接收器在全局坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)。

2.2.1 確定旋轉(zhuǎn)矩陣

解算中，首先需要明確發(fā)射站坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。在初始參數(shù)中，為了描述與旋轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置，發(fā)射站光平面相關(guān)參數(shù)均是在發(fā)射站自身坐標(biāo)系下進(jìn)行表示的。發(fā)射站坐標(biāo)系與自身初始姿態(tài)有關(guān)，一般不與全局坐標(biāo)系重合，因此需要將接收器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為發(fā)射站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣的表示方法有以下3種：歐拉角、繞固定旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角以及四元數(shù)，且3種表示方法可以相互轉(zhuǎn)化。其中，四元數(shù)法更為高效，花費(fèi)更少的時(shí)間和空間，且不會(huì)出現(xiàn)歐拉角表示中的萬向節(jié)死鎖現(xiàn)象。因此以四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)矩陣作為已知參量輸入，計(jì)算得旋轉(zhuǎn)矩陣R為：

2.2.2 確定發(fā)射站內(nèi)部參數(shù)

發(fā)射站的內(nèi)部參數(shù)主要為兩個(gè)激光平面的位置和姿態(tài)信息，為了方便表達(dá)，在全局坐標(biāo)系下表示的光平面P1、P2表示為

即兩個(gè)光平面參數(shù)矩陣分別為N1ABCD=[A1,B1,C1,D1]和N2ABCD=[A2,B2,C2,D2]。根據(jù)幾何關(guān)系，可計(jì)算得光平面的位姿參數(shù)：

其中 φ為光平面與旋轉(zhuǎn)軸Z軸的夾角，i=1,2。

2.2.3 求解光平面旋轉(zhuǎn)角

3 基于FPGA的模擬信號(hào)生成

3.1 FPGA嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用基于Zynq的嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的產(chǎn)生。圖8為Zynq下的wMPS模擬信號(hào)產(chǎn)生平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)。具體包括Zynq處理器系統(tǒng)及復(fù)位系統(tǒng)、基于AXI總線的模擬信號(hào)產(chǎn)生IP以及AXI互聯(lián)矩陣。

圖8 Zynq下wMPS模擬器系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)嵌入了Zynq 處理器系統(tǒng)(processing system,PS），使用 Zynq 的可編程邏輯（programming logic,PL）部分實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)產(chǎn)生的模塊，并將其封裝為用戶IP，PS端基于AXI總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)與該模塊的通信，對(duì)該模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)主要構(gòu)成部分及功能如下：Zynq的PS部分主要包括應(yīng)用處理器單元（APU）、存儲(chǔ)器接口、I/O外設(shè)（IOP）以及內(nèi)部互連（Interconnect），Zynq可靈活地支持PS的功能實(shí)現(xiàn)以及與PL的數(shù)據(jù)交互。

3.2 基于AXI的信號(hào)模擬IP核設(shè)計(jì)

在發(fā)射站仿真模擬器的實(shí)現(xiàn)中，為了實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)發(fā)射站模擬信號(hào)產(chǎn)生的控制，將模擬信號(hào)產(chǎn)生模塊封裝為AXI總線類型的IP核，處理器通過AXI總線給定輸入信號(hào)，進(jìn)行控制[14]。

圖9為單發(fā)射站模擬信號(hào)圖形。發(fā)射站模擬信號(hào)主要由兩種不同的脈沖構(gòu)成：同步光脈沖和掃描光脈沖。在一個(gè)測(cè)量周期開始時(shí)，發(fā)射站發(fā)射同步光脈沖，同步光脈沖的周期即為發(fā)射站旋轉(zhuǎn)周期，不同發(fā)射站旋轉(zhuǎn)周期不同（T不同），不同發(fā)射站同步光脈沖發(fā)射的初始時(shí)間（t0）也不同。這是由于在測(cè)量系統(tǒng)中，不同的發(fā)射站有一定的初始旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)發(fā)射站掃描扇面光掃至接收器時(shí)顯示為掃描光脈沖，接收器相對(duì)于發(fā)射站位置不同，則兩個(gè)掃描光脈沖在周期中相位（t1,t2）不同。所有發(fā)射站同類型脈沖的脈寬相等。

圖9 單發(fā)射站模擬信號(hào)圖形

模擬信號(hào)產(chǎn)生IP利用Zynq內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)序約束，并且利用FPGA邏輯資源在硬件層面生成周期、脈沖寬度及相位可調(diào)的發(fā)射站模擬信號(hào)[15]。

模擬信號(hào)產(chǎn)生邏輯中，設(shè)置主計(jì)數(shù)器cnt，以Zynq內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)。每個(gè)上升沿到來之時(shí)主計(jì)數(shù)器cnt計(jì)數(shù)加一，當(dāng)cnt計(jì)數(shù)至設(shè)置的不同參量時(shí)，根據(jù)需要將輸出信號(hào)signal_r拉低或拉高，最后生成完整的模擬發(fā)射站脈沖信號(hào)。決定產(chǎn)生不同信號(hào)的參量主要有：cnt計(jì)數(shù)周期period、初始相位 phase0、掃描光脈沖 A相位phase1、掃描光脈沖B相位phase2。而同步光脈沖脈寬STORB_W，掃描光脈沖脈寬SCAN_W，在特定測(cè)量系統(tǒng)中都為恒定值，只需進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，不作為輸入量。

根據(jù)輸入 period、phase0、phase1、phase2和參數(shù)STORB_W、SCAN_W，設(shè)置signal_r翻轉(zhuǎn)時(shí)主計(jì)數(shù)器的模數(shù)，可生成該參數(shù)下的模擬信號(hào)脈沖組合。狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖10所示。

圖10 模擬信號(hào)產(chǎn)生邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程

為了實(shí)現(xiàn)FPGA與ARM之間的通信，同時(shí)保證程序復(fù)用以實(shí)現(xiàn)多發(fā)射站信號(hào)產(chǎn)生，信號(hào)產(chǎn)生IP通過AXI總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)與Zynq的處理器系統(tǒng)PS端的通信。

圖11為基于AXI總線協(xié)議的模擬信號(hào)產(chǎn)生IP的模塊框架。模塊中設(shè)置了4個(gè)32位寄存器，用于存儲(chǔ)該模塊所需要的輸入?yún)?shù)。其中slv_reg0、slv_reg1和 slv_reg2分別為 phase0、phase1、phase2寄存器，slv_reg3為周期寄存器。每個(gè)寄存器都有特定的地址空間。PS端通過AXI總線寫入或讀取數(shù)據(jù)時(shí)，與PL端通過握手信號(hào)建立連接。訪問不同的地址空間，可將數(shù)據(jù)寫入不同的寄存器，完成參數(shù)的輸入。復(fù)位時(shí)，將4個(gè)寄存器清零。結(jié)合外圍時(shí)鐘和復(fù)位模塊，即可實(shí)現(xiàn)可控參數(shù)的模擬信號(hào)產(chǎn)生。

圖11 模擬信號(hào)產(chǎn)生IP設(shè)計(jì)框架

3.3 AXI互聯(lián)矩陣及多發(fā)射站信號(hào)生成

AXI協(xié)議是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主/從接口協(xié)議，當(dāng)多個(gè)外設(shè)需要交互數(shù)據(jù)時(shí)，需加入AXI Interconnect模塊，即AXI互聯(lián)矩陣，AXI協(xié)議是一種提供一個(gè)或多個(gè)AXI主設(shè)備連接到一個(gè)或多個(gè)AXI從設(shè)備的交換機(jī)制。

由于在wMPS實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，包括多個(gè)覆蓋整個(gè)測(cè)量空間的發(fā)射站，每個(gè)發(fā)射站分別具有不同的內(nèi)外參數(shù)。因此需使用AXI總線給定不同的發(fā)射站參數(shù)，用AXI Interconnect將所有的模擬信號(hào)生成IP核掛載至AXI總線上，完成PS部分對(duì)多個(gè)模擬信號(hào)產(chǎn)生IP的參數(shù)寫入和控制。此外，由圖5可知，在實(shí)際測(cè)量中，每個(gè)接收器都接收來自多個(gè)發(fā)射站的光脈沖信號(hào)，為了模擬接收器接受的實(shí)際信號(hào)，需將多個(gè)發(fā)射站信號(hào)在硬件層面進(jìn)行混疊，即可得到模擬wMPS系統(tǒng)中接收器所接收到的實(shí)際信號(hào)。

3.4 上位機(jī)參數(shù)控制

在系統(tǒng)搭建中，已通過AXI總線實(shí)現(xiàn)了Zynq處理器對(duì)發(fā)射站模擬信號(hào)產(chǎn)生部分的控制，通過對(duì)不同地址的寄存器寫入?yún)?shù)，即可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)周期、相位等特征值的改變。使能Zynq串口時(shí)，可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與上位機(jī)的通信，上位機(jī)通過UART串口寫入數(shù)據(jù)，對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)行控制。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)流程和信號(hào)產(chǎn)生平臺(tái)的任務(wù)流程如圖12所示。

圖12 上位機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生流程圖

任務(wù)開始后，上位機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備指令至Zynq平臺(tái)，處理器通過AXI總線對(duì)信號(hào)產(chǎn)生模塊進(jìn)行復(fù)位，寄存器清零，完成后模塊返回READY信號(hào)給上位機(jī)；上位機(jī)對(duì)2.1節(jié)中由已知量計(jì)算所得的參數(shù)進(jìn)行寫入，完成后發(fā)送開始指令和解算參數(shù)給信號(hào)平臺(tái)，信號(hào)平臺(tái)產(chǎn)生模擬信號(hào)；若在產(chǎn)生過程中，接收到上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)寫入的指令，則暫停模擬信號(hào)產(chǎn)生，更新參數(shù)，而后重新產(chǎn)生信號(hào)；當(dāng)接收到停止指令時(shí)，停止產(chǎn)生模擬信號(hào)。

4 信號(hào)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證wMPS系統(tǒng)模擬器功能的完整性與可靠性，分別對(duì)輸入?yún)?shù)求解算法模塊，單發(fā)射站模擬信號(hào)產(chǎn)生模塊以及多發(fā)射站混疊模擬信號(hào)產(chǎn)生模塊進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 發(fā)射站參數(shù)計(jì)算

為了生成實(shí)際測(cè)量可用的發(fā)射站仿真模擬信號(hào)，本文選用實(shí)際系統(tǒng)中的發(fā)射站參數(shù)θ和接收器坐標(biāo)來計(jì)算值，以得到實(shí)際系統(tǒng)中的時(shí)間t。3組發(fā)射站外部參數(shù)、3組發(fā)射站內(nèi)部參數(shù)和5組接收站參數(shù)如表1～表3所示。

表1 發(fā)射站外部參數(shù)

表2 發(fā)射站內(nèi)部參數(shù)

表3 接收器參數(shù)

以上均為實(shí)際系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)定。選擇發(fā)射站1、2、3，對(duì)它們的光平面由初始位置旋轉(zhuǎn)至5個(gè)接收器的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證算法的可行性和準(zhǔn)確性。調(diào)用輸入?yún)?shù)解算算法后，得到發(fā)射站1、2、3各自兩個(gè)光平面的旋轉(zhuǎn)角度，如表4所示。

表4 旋轉(zhuǎn)角度值計(jì)算結(jié)果

4.2 發(fā)射站模擬信號(hào)產(chǎn)生

為了驗(yàn)證wMPS測(cè)量網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物化仿真方案是否可行，使用vivado提供的仿真器，對(duì)接收器接收到的單發(fā)射站模擬信號(hào)和多發(fā)射站模擬信號(hào)產(chǎn)生部分進(jìn)行仿真。時(shí)鐘信號(hào)clk頻率為50 MHz，使用Zynq-7000進(jìn)行模擬信號(hào)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選用ID編號(hào)為1～5的接收器接收3個(gè)發(fā)射站信號(hào)的輸入?yún)?shù)，利用該平臺(tái)產(chǎn)生三路wMPS發(fā)射站模擬信號(hào)，并將三路信號(hào)混疊得到實(shí)際接收器接收的模擬信號(hào)，設(shè)定輸入?yún)?shù)如表5所示。

表5 模擬信號(hào)輸入?yún)?shù)

對(duì)接收器1～5接收的三路混疊信號(hào)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖13(a)～圖13(e)所示。

圖13 三路發(fā)射站模擬信號(hào)混合

在圖13中，第一行的信號(hào)為混疊信號(hào)，倒數(shù)第一行到第三行的信號(hào)分別為接收器接收到的發(fā)射站1～3的信號(hào)，由此可以將圖13中的三路模擬混疊信號(hào)導(dǎo)入信號(hào)處理器中進(jìn)行處理，分別得到模擬信號(hào)解算的角度值，如表6所示。

表6 旋轉(zhuǎn)角度值計(jì)算結(jié)果

其中表4的數(shù)據(jù)為實(shí)際角度值，即真值；表6的數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)際角度值生成模擬信號(hào)，再通過處理器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行解算得到的角度值。通過對(duì)表6和表4的數(shù)據(jù)作差值，即為仿真系統(tǒng)的偏差。經(jīng)過解算可以得到模擬信號(hào)解算的角度值和實(shí)際角度值基本一致，在接收器1接收發(fā)射站1的 θ1和發(fā)射站3下 θ1、接收器2接收發(fā)射站1的 θ2等會(huì)有0.36″的偏差，那么wMPS系統(tǒng)仿真方案所產(chǎn)生的模擬信號(hào)基本符合實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)wMPS系統(tǒng)的調(diào)試要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)的調(diào)試需求，并且克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于發(fā)射站硬件的多樣化需要，提出了一種新的基于Zynq的wMPS多發(fā)射站測(cè)量網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物化仿真方案。滿足了實(shí)驗(yàn)室小環(huán)境下定位系統(tǒng)的算法及性能調(diào)試的需求，具有很好的應(yīng)用前景。該方案具有以下特點(diǎn)：

1）占地空間小，參數(shù)控制靈活，采用半實(shí)物化仿真，能夠較好地解決空間定位系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)分布分散，實(shí)驗(yàn)室空間有限等因素導(dǎo)致發(fā)射站實(shí)物化調(diào)試存在困難這一現(xiàn)狀。

2）實(shí)現(xiàn)了wMPS系統(tǒng)信號(hào)層面的仿真。相較于傳統(tǒng)的誤差仿真，更能夠模擬接近實(shí)際條件下系統(tǒng)的完整行為。

3）仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的模擬信號(hào)合理準(zhǔn)確，精度較高，能夠滿足系統(tǒng)調(diào)試要求，可為離線平臺(tái)的搭建和算法改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。