一种激光导航系统地面诊断装置的设计方案

刘祥水，王纬国，王洪涛

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）

激光捷联惯性导航系统已经是现代飞行器、导弹等控制系统的核心设备，在应用中发挥着至关重要的作用。其基本功能是实时测量载体的3个轴方向的角速度增量、角度增量和角速度信息，通过专用通讯接口与飞控计算机、航电系统、火控系统等进行通讯，实时为用户输出姿态控制和定位控制所需的测量信号。

诊断装置指能够全面测试组合导航系统功能及性能所需的整套装置，包括若干硬件测试设备和相关软件。本方案所设计的是一种全功能的地面测试设备，可以作为配套的二线检测设备满足某型激光捷联惯性导航系统的一般测试、功能测试、二线维护测试需求。

1 诊断装置整体方案

本测试系统的硬件部分主要由测试柜和转台组成。测试柜将测试电路、工控机、供电电源等部件封装成一个整体。转台部分由转台台体和功率控制柜组成，控制柜通过串行接口与测试柜连接。

测试系统软件由上位机软件和数据采集DSP软件（简称“下位机软件”）构成，上位机软件在Windows环境下运行，完成功能测试、导航计算等功能；下位机软件嵌入到数据采集DSP电路中运行，实时采集激光惯组数据，并与上位机完成数据通讯。

2 诊断装置的主要功能及指标

该装置针对某型激光捷联惯性导航系统的测试要求设计，为系统的全方位测试提供软硬件支持，功能上满足某型激光导航系统技术指标所需的测试要求，测试系统具有如下主要功能。

电源供电功能：该装置能对激光导航系统进行正确的供电，提供工作电源。电源类型有交流220 V计算机供电电源，经过稳压电源进行转换的直流27 V电源、5 V电源。

实时监测功能：能够实时监测激光导航系统各种电源的消耗电流、电压情况，为出现异常情况提供实时数据。

数据采集功能[1]：测试系统能够采集系统输出数据，支持2 MHz频率高速数据采集，数据采集丢帧率为0；能够接收、显示并存储系统通过各种接口输出的所有数据；同时能够按照测试误差模型、测试流程和方法对系统进行速率测试和位置测试；能够采集各种板卡的完好性信号，监控系统内部的惯性仪表、硬件电路以及内嵌软件的工作状态。

导航测试功能：根据导航测试误差模型和测试流程，在线进行系统的数据采集、实时导航计算等，输出完整的导航计算结果信息。

参数下载回读功能：测试系统能下载系统所需的温补、漂移、误差等参数，并回读参数。

模拟功能：能够模拟与组合导航系统有交联的航电系统设备，以便进行模拟该系统测试；能够为组合导航系统提供外部激励以便进行模拟飞行导航测试。

故障检测隔离：能够诊断激光导航系统的工作状态，当检测到导航系统有故障时，能够将故障定位到LRU或SRU。

维护功能：能够监测导航系统对外输出接口上所有的电路监视和测量。具体包括导航系统电压量测试、导航系统电流量测试、IF和JB温度、计算机复位功能、惯性仪表脉冲接收和显示功能等参数。

总线测试功能：测试系统应能检测组合导航系统总线接口的工作状态，并且可以对组合导航系统进行基于1553B总线的功能测试，其中包括自检功能测试、数据加载及装订功能测试、对准功能测试、导航功能测试。

完成激光惯组的数据采集、数据显示、数据保存、数据分析、报表打印等功能，输出完整的标定测试数据报表。

3 诊断装置的硬件设计

诊断装置的硬件包含专用测试台、转台及转台控制柜、配套测试电缆、数据采集卡、总线接口卡、串行接口卡、ISA总线卡、计数卡、工业控制计算机、直流稳压电源等。系统组成如图1所示。

图1 地面综合测试系统组成框图

硬件部分采用的610H工业控制计算机配有JSK-A数据采集卡、1553PCI/MCH总线接口卡（含耦合器及总线电缆）、专用线路转接盒、航空测控台等。

该测试系统是计算机控制自动化测试系统，通过与被测系统在电气上直接连接，可自动完成对组合导航系统综合电气性能和静态特性的测试，记录测试结果并进行测试数据的处理分析，完成参数的标定工作和其他工作。

各组成部分的基本功能如下：①转台是导航系统安装的基准，也是测试不同姿态的必要设备，测试时高精度的位置和速率需要转台来提供；②转台控制柜是转台的操作台，提供人机交互界面，并产生转台的控制信号；③工业控制计算机（IPC）是整个测试系统的核心设备，主要完成测试任务的指令发送、数据采集、运行监控及测试数据的处理分析，同时计算机也是测试应用软件的运行平台，安装有参数处理软件、总线功能测试软件和导航精度测试软件；④高速多通道数据采集卡接收组合导航系统输出的陀螺和加速度计高速脉冲信号并计数，同时将数据传给前台处理程序，输出系统的关键参数；⑤专用测试台由电源模块、控制面板、输入输出接口、AD电路等功能模块组成，为组合导航系统提供28 V直流稳压电源，并接收组合导航系统输出的各种电信号，通过数字万用表测量，实现对产品状态的实时检测和故障定位。

4 诊断装置的软件设计

软件是测试系统的核心部分，其内部嵌入了标定算法、导航算法以及高速通讯模块，本测试系统的软件包括2部分：测试软件和数据采集DSP软件。测试软件负责人机界面、数据显示、流程控制、模型计算等，也称为上位机软件；数据采集DSP软件负责陀螺通道、加速度通道的数据采集，并与上位机软件实时通讯，也称为下位机软件。

4.1 软件架构

产品性能验证软件架构示意图如图2所示，从应用层、交互层、功能层和驱动层4个层面说明了产品性能验证软件架构。

图2 软件架构示意图

应用层是产品性能验证软件的顶层，通过程序界面与用户交互，实现测试操作交互、测试数据和结果显示等功能。

交互层[2]的作用主要是与数据库交互，获取数据库存储的数据、更新数据库；与功能层交互，下发板卡、总线通信（包括1553B总线和429总线等）指令，接收功能层传递的板卡采集和响应数据、总线通信数据；将测试数据传递给应用层，接收应用层传递的操作指令。实时接收惯导输出的1553B、RS232总线数据并对数据进行结构化存储，支持将测试结果存储为Excel文件，数据结构符合工厂TDM系统要求。

功能层从数据库获取板卡配置信息、总线配置信息等，调用板卡驱动层函数，实现对板卡的控制，实现总线的通信功能；接收交互层的指令、数据，执行信号控制、指令收发等功能，将板卡、总线的数据处理后传递给交互层。

驱动层主要是数据库和板卡驱动，数据库中存储了板卡配置信息、总线配置信息、总线通信协议等。

4.2 软件功能

测试软件集成了高速数据采集、处理、实时显示、计算、存盘等功能。运行程序后能够对陀螺精度测试，计算陀螺随机漂移。按照功能的不同将软件分为3个功能模块。

4.2.1 导航精度测试软件

导航精度测试软件是一款标准Windows应用程序。当系统进行纯惯性导航精度测试时，软件可以通过系统中预留的测试通道实时记录导航过程中的输出参数。通过统计1 h纯惯性导航过程中记录的姿态、航向、速度、位置等参数项，可以计算得到航向角精度（RMS）、俯仰角精度（RMS）、横滚角精度（RMS）、水平速度精度（RMS）、位置精度（CEP）等导航精度数据。

4.2.2 总线接口卡和总线功能测试软件

总线接口卡可以从测试计算机中拓展出1553B总线接口，配合总线电缆、耦合器等配件，可以将测试系统构建为总线形拓扑结构的网络，导航系统则作为一个远程终端接入网络。

总线测试软件用来操作总线接口卡，将测试计算机用作总线控制器，组织总线消息的传输。通过总线测试软件，可以对组合导航系统发送控制命令，并接收、显示组合导航系统回应的状态和导航数据等内容。

4.2.3 串行接口和导航精度测试软件

系统在工作过程中可以通过串行接口向外发送内部参数，包括系统的工作状态、惯性仪表参数、导航解算参数及导航数据等。通过测试计算机的串行接口和导航精度测试软件可以接收、显示并存储以上数据，实现对组合导航系统状态的监测。通过分析和处理软件记录的组合导航系统静态导航数据，可以计算出组合导航系统的导航精度，包括姿态精度、航向精度、速度精度、位置精度等。

4.3 软件流程

验证软件的工作流程图如图3所示。用户启动程序后，软件首先对license进行检查，如果license验证失败，则直接退出应用程序；license验证成功后，软件显示启动界面并显示用户登录界面，用户登录软件后，执行初始，启动板卡自检，检查板卡工作是否正常，并显示自检结果；如果板卡工作正常，进入测试主界面，用户可进一步选择进行自动测试或手动测试等操作，否则提示板卡故障信息。进行测试时，用户通过鼠标操作控制软件的各个功能模块，从而完成测试任务。

图3 工作流程图

5 结束语

本文介绍了一般激光导航系统构成，详细介绍了一种激光导航系统的地面诊断系统的设计方案，从该系统的功能、指标分析得出诊断系统的硬件构成，重点介绍了硬件的功能。在系统的软件上从软件架构、软件功能、软件流程3方面详细介绍了设计方案。基于该方案的地面诊断系统能够对某型激光导航系统进行电源控制、参数采集处理、故障隔离，是一种典型的工程应用。