第18卷第3期 系
统 仿 真 学 报 V ol. 18 No. 3
2006年3月 Journal of System Simulation Mar. ， 2006
水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计
张福斌，徐德民，严卫生，高 剑
(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072)
摘 要：针对采用导航与控制一体化系统，即导航与控制传感器共用、导航与控制计算机合二为一的某型水下航行器，提出了一种半实物仿真试验方案，进行了半实物仿真。试验结果表明，导航、控制算法正确，计算精度满足使用要求，硬件之间的匹配性能良好，方案可行。该导航与控制一体化系统可应用到实际的水下航行器中。
关键词：水下航行器；导航与控制一体化；半实物仿真；试验方案
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) 03-0604-03
Design of Hardware-in-the-Loop Simulation for Navigation
and Control Integrated System of Underwater Vehicle
ZHANG Fu-bin, XU De-min, YAN Wei-sheng, GAO jian
(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechical University, Xi’an 710072, China)
Abstract: The project of the hardware-in-the-loop simulation was proposed based on the structure of the navigation and control integrated system for an underwater vehicle. Simulations are performed to indicate that the algorithm of the navigation and control computer is correct; the precision in computation can meet the using requirements; and the matching capability of the hardware is good. The integrated systems of navigation and control can be applied to the underwater vehicle. Keywords: underwater vehicle; navigation and control integrated system; hardware-in-the-loop simulation; tset scheme
机通过RS422数据接口接收母船导航系统传递过来的航向、速度、纬度等参数，完成FOG
启动和稳定工作；自主水下航行器释放入水后，航行器遥控装置控制导航与控制一体化计算机完成DVL 启动和GPS 信息接收工作，将通过GPS 获得的航行器经纬度作为航行器的位置初值；航行器遥控装置经数传电台向航行器发送航行任务参数；导航与控制一体化计算机根据接收到控制参数，自主完成航行器发射、下潜航行等任务；完毕后，航行器上浮停车，通过数传电台向母船报告GPS 指示的停车位置；母船对航行器进行打捞、回收。
引 言
远程自主水下航行器是一种智能化、自主航行、可根据任务使命要求进行模块优化组合、实现多种功能的集成系统，它在军事和民用方面均有广泛的应用需求。军事方面，对布雷区进行勘探、判别和引爆水雷等；民用方面，打捞沉物，铺设海底电缆以及其他深海作业等。因此发展远程自主水下航行器具有重大的军事价值及产业化、商业化前景。
本文针对一种采用导航与控制传感器共用、导航与控制计算机合二为一的水下航行器，设计了一种半实物仿真试验方案，进行了半实物仿真，并对仿真试验结果进行了分析。
1 自主水下航行器导航与控制一体化系统传感器的功能及航行器工作原理
光纤陀螺罗经（FOG ）测量水下航行器的航向和姿态（横滚角、俯仰角），多普勒计程仪（DVL ）测量水下航行器相对于海底或某一水层的速度，航行器上安装的全球卫星定位系统（GPS ）接收装置供航行器处于近水面时接收卫星定位信息，深度传感器测量航行器的航行深度，通过导航与控制一体化计算机的数据解算与融合，得到航行控制系统所需要的航向、姿态、位置等参数。
水下航行器的导航与控制一体化系统原理如图1所示。在母船释放自主水下航行器入水前，导航与控制一体化计算
[2]
[1]
图1 水下航行器导航与控制一体化系统原理图
2 半实物仿真试验系统的构成
2.1 试验系统的基本构成
系统由9部分构成：仿真主机、FOG 、角运动模拟器、DVL 模拟机、GPS 模拟机、母船模拟机、数传电台模拟机、控制接口机、支持服务系统(显示、记录文档等) 。
收稿日期：2005-10-23 修回日期：2006-02-05
作者简介：张福斌(1972-)，男，辽宁省黑山县人，博士生，讲师，研究方向为水下航行器导航与控制技术。
2.2 试验环境
需要提供的试验环境包括:1 为FOG 提供航行器航向、
• 604 •
水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计 Mar., 2006 2006年3月 张福斌, 等：
姿态运动环境；2 模拟DVL 测量的速度信息；3 模拟GPS 接收机信息；4 模拟数传电台信息；5模拟母船的导航信息。
具体如下：1 实时仿真主机依据水下航行器的数学模型
[3]
计算航行轨迹以及航行器姿态等，用数学的方式表示航行
器的运动；2 角运动模拟器根据仿真主机的计算结果，用物理量(角速率) 复现航行器的航向、姿态运动，模拟FOG 的实际工作环境；3 DVL模拟机(工控机) ，实时地接收仿真主机解算的航行器在体坐标系下的速度，并将其转换成DVL 的数据格式，通过RS422串口传输给导航与控制一体化计算机；4 GPS模拟机(工控机) ，实时地接收仿真主机解算的航行器所处的位置，并将其转换成GPS 接收机的数据格式，以深度传感器的测量值为判断条件，当航行器在近水面时，通过RS232串口将GPS 信息传输给导航与控制一体化计算机；5 母船模拟机（工控机），模拟母船位置、航向、姿态等信息，通过RS422串口将母船的导航信息传输给导航与控制一体化计算机；6 数传电台模拟机（笔记本），模拟航行控制参数，通过RS232串口将控制参数传输给导航与控制一体化计算机；实现仿真7 使用实时反射内存光纤网络，主机与控制接口机以及控制接口机与角运动模拟器之间高速数据传输。
图2 水下航行器导航与控制一体化系统半实物仿真原理图
算机按照航行控制参数进行航行器的自航发射，并将发射信号以数字信号的形式发送给控制接口机，进而传递到实时仿真主机，实现导航与控制一体化计算机与实时仿真主机的同步；⑥ 实时仿真主机通过控制接口机采集用舵角反馈电位计来表示的航行器舵角信息，进行航行器的位置、速度、航向、姿态及三轴角速度的计算，通过控制接口机传递到角运动模拟器、水压仿真器、DVL 模拟机和GPS 模拟机，角运动模拟器完成航行器航向、姿态、三轴角速度的模拟，水压仿真器完成航行器航行深度的模拟，DVL 模拟机完成航行器对地绝对速度或对某一水层速度的模拟，GPS 接收机根据航行器的航行深度完成GPS 信息的模拟（当航行器处于近水面时，即航行器深度小于某一值时，GPS 接收机能够接收到导航信息；否则无法接收到导航信息）；⑦ 航行器完成任务停车的同时，以数字信号的形式通过控制接口机停止实时仿真主机的模型计算；⑧ 导航与控制一体化计算机向数传电台模拟机报告GPS 指示的航行器停车位置，仿真结束。
3 仿真试验过程设计
水下航行器导航与控制一体化系统半实物仿真原理如图2所示，试验过程如下：
① 导航与控制一体化计算机通过RS422数据接口接收母船模拟机传递过来的航向、速度、纬度等参数，完成FOG 启动和稳定工作，并向数传电台模拟机报告FOG 的状态；② GPS 模拟机通过RS232接口向导航与控制一体化计算机发送水下航行器的位置等信息，由导航与控制一体化计算机向数传电台模拟机报告GPS 接收机的状态；③ 导航与控制一体化计算机接收数传电台模拟机发送来航行控制参数并回发给数传电台模拟机，用来判断导航与控制一体化计算机接收的航行控制参数是否正确；④ 导航与控制一体化计算机将通过GPS 模拟机得到的航行器的位置和FOG 测量得到的航行器航向、姿态及三轴角速度实时发送到数传电台模拟机，数传电台模拟机再将这些信息发送给实时仿真主机，作为航行器动力学模型解算的初值；⑤ 导航与控制一体化计
4 试验结果分析
图3表示实时仿真主机计算的航向、姿态和导航与控制一体化计算机记录的航向、姿态数据之间的比较结果，仿真时间为310s 。实线代表实时仿真主机的计算结果，虚线为导航与控制一体化计算机接收FOG 和DVL 数据后的解算数据。从图上可以看出，两者的航向、姿态角曲线基本重合，表明航向、姿态角的测量精度较高。图4表示仿真轨迹以及
图3 实时仿真主机计算的航向、姿态和导航与控制一体化计算机记录的数据对比
• 605 •
2006年3月 系 统 仿 真 学 报 Mar., 2006
图4 实时仿真主机计算的位置数据与导航与控制一体化计算机解算的数据对比
经度、纬度的位置数据对比结果。从图中可以看出，经度方向的最大误差绝对值约为56m ，纬度方向的最大误差绝对值约为58m ，这一结果与系统设计过程中进行数学仿真时的结果基本吻合，能够反映实际情况。另外，水下航行器的深度
一般采用压力传感器直接测量，精度较高，故在此不作讨论。
通过以上导航与控制一体化系统半实物仿真试验的设计与实践，表明仿真试验设计思路正确，导航与控制算法正确，精度较高，导航与控制一体化计算机可同时完成导航和控制的计算需要，硬件之间匹配。该导航与控制一体化系统（上接第603页）
软件仿真结果数据以文件形式存储，以曲线或二维态势形式显示。通过仿真曲线，可以方便地查看武器系统位置、速度、姿态及其它属性的变化；通过二维态势显示，可查看
可以用于工程实践。
参考文献：
[1] [2]
孔凡邨. 光纤陀螺罗经及其在航海上的应用[M]. 航海技术, 2004, 3, 32-34.
P Boltryk, M Hill, A Keary, B Phillips, H Robinson, P White. An ultrasonic transducer array for velocity measurement in underwater vehicles [J]. Ultrasonics(S0041-624X), 2004, 42（1-9）, 473-478. [3]
Jason Evans, Meyer Nahon. Dynamics modeling and performance evaluation of an autonomous underwater vehicle[J]. Ocean Engineering (S0029-8018), 2004, 31（14-15）：1835-1858.
卫星预警时间、雷达跟踪目标时间、反导导弹发射及命中目标时间等参数信息。仿真界面及二维态势显示结果如图4、图5所示。
图4 仿真结果图形显示 图5 软件二维态势显示
4 结论
采用UML 对弹道导弹攻防仿真系统进行可视化建模，对规范仿真流程、优化软件结构、增强程序可读性和可维护性具有显著作用。本文应用实例表明，重视先进面向对象建模技术的研究，广泛采用UML 进行系统设计，可有效提高导弹攻防对抗仿真等大系统开发的进度与质量。
[2] [3] [4] [5]
贾荣珍，张文苑等．基于UML 的飞行器动力学虚拟样机仿真建模研究[J]．系统仿真学报，2004, 16（2）: 231-233.
G Booch. Object-oriented analysis and design with applications[M]. 2nd ed. Benjamin/Cummings Publishing Company, 1994.
UML 建模技术在战场场景仿真中的应用[J]．洪敏煌，
王宝树等．
计算机工程，2004，（6）：195-198.
UML 与系统分析设计[M]．2001. 张龙祥．北京：人民邮电出版社，[M]．邱仲潘等译，北京：电子工业出版社，2002.
[6] Grady Booch 等著．UML 与Rational Rose 2002 从入门到精通[7] David J.Kruglinski 等著．Visual C++ 6.0技术内幕[M]．北京：希
望电子出版社，1999.
参考文献：
[1]
陆波，华祖耀．应用UML 进行反辐射导弹对抗仿真建模[J]．计算机仿真，2003，（12）：17-19.
• 606 •
第18卷第3期 系
统 仿 真 学 报 V ol. 18 No. 3
2006年3月 Journal of System Simulation Mar. ， 2006
水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计
张福斌，徐德民，严卫生，高 剑
(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072)
摘 要：针对采用导航与控制一体化系统，即导航与控制传感器共用、导航与控制计算机合二为一的某型水下航行器，提出了一种半实物仿真试验方案，进行了半实物仿真。试验结果表明，导航、控制算法正确，计算精度满足使用要求，硬件之间的匹配性能良好，方案可行。该导航与控制一体化系统可应用到实际的水下航行器中。
关键词：水下航行器；导航与控制一体化；半实物仿真；试验方案
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) 03-0604-03
Design of Hardware-in-the-Loop Simulation for Navigation
and Control Integrated System of Underwater Vehicle
ZHANG Fu-bin, XU De-min, YAN Wei-sheng, GAO jian
(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechical University, Xi’an 710072, China)
Abstract: The project of the hardware-in-the-loop simulation was proposed based on the structure of the navigation and control integrated system for an underwater vehicle. Simulations are performed to indicate that the algorithm of the navigation and control computer is correct; the precision in computation can meet the using requirements; and the matching capability of the hardware is good. The integrated systems of navigation and control can be applied to the underwater vehicle. Keywords: underwater vehicle; navigation and control integrated system; hardware-in-the-loop simulation; tset scheme
机通过RS422数据接口接收母船导航系统传递过来的航向、速度、纬度等参数，完成FOG
启动和稳定工作；自主水下航行器释放入水后，航行器遥控装置控制导航与控制一体化计算机完成DVL 启动和GPS 信息接收工作，将通过GPS 获得的航行器经纬度作为航行器的位置初值；航行器遥控装置经数传电台向航行器发送航行任务参数；导航与控制一体化计算机根据接收到控制参数，自主完成航行器发射、下潜航行等任务；完毕后，航行器上浮停车，通过数传电台向母船报告GPS 指示的停车位置；母船对航行器进行打捞、回收。
引 言
远程自主水下航行器是一种智能化、自主航行、可根据任务使命要求进行模块优化组合、实现多种功能的集成系统，它在军事和民用方面均有广泛的应用需求。军事方面，对布雷区进行勘探、判别和引爆水雷等；民用方面，打捞沉物，铺设海底电缆以及其他深海作业等。因此发展远程自主水下航行器具有重大的军事价值及产业化、商业化前景。
本文针对一种采用导航与控制传感器共用、导航与控制计算机合二为一的水下航行器，设计了一种半实物仿真试验方案，进行了半实物仿真，并对仿真试验结果进行了分析。
1 自主水下航行器导航与控制一体化系统传感器的功能及航行器工作原理
光纤陀螺罗经（FOG ）测量水下航行器的航向和姿态（横滚角、俯仰角），多普勒计程仪（DVL ）测量水下航行器相对于海底或某一水层的速度，航行器上安装的全球卫星定位系统（GPS ）接收装置供航行器处于近水面时接收卫星定位信息，深度传感器测量航行器的航行深度，通过导航与控制一体化计算机的数据解算与融合，得到航行控制系统所需要的航向、姿态、位置等参数。
水下航行器的导航与控制一体化系统原理如图1所示。在母船释放自主水下航行器入水前，导航与控制一体化计算
[2]
[1]
图1 水下航行器导航与控制一体化系统原理图
2 半实物仿真试验系统的构成
2.1 试验系统的基本构成
系统由9部分构成：仿真主机、FOG 、角运动模拟器、DVL 模拟机、GPS 模拟机、母船模拟机、数传电台模拟机、控制接口机、支持服务系统(显示、记录文档等) 。
收稿日期：2005-10-23 修回日期：2006-02-05
作者简介：张福斌(1972-)，男，辽宁省黑山县人，博士生，讲师，研究方向为水下航行器导航与控制技术。
2.2 试验环境
需要提供的试验环境包括:1 为FOG 提供航行器航向、
• 604 •
水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计 Mar., 2006 2006年3月 张福斌, 等：
姿态运动环境；2 模拟DVL 测量的速度信息；3 模拟GPS 接收机信息；4 模拟数传电台信息；5模拟母船的导航信息。
具体如下：1 实时仿真主机依据水下航行器的数学模型
[3]
计算航行轨迹以及航行器姿态等，用数学的方式表示航行
器的运动；2 角运动模拟器根据仿真主机的计算结果，用物理量(角速率) 复现航行器的航向、姿态运动，模拟FOG 的实际工作环境；3 DVL模拟机(工控机) ，实时地接收仿真主机解算的航行器在体坐标系下的速度，并将其转换成DVL 的数据格式，通过RS422串口传输给导航与控制一体化计算机；4 GPS模拟机(工控机) ，实时地接收仿真主机解算的航行器所处的位置，并将其转换成GPS 接收机的数据格式，以深度传感器的测量值为判断条件，当航行器在近水面时，通过RS232串口将GPS 信息传输给导航与控制一体化计算机；5 母船模拟机（工控机），模拟母船位置、航向、姿态等信息，通过RS422串口将母船的导航信息传输给导航与控制一体化计算机；6 数传电台模拟机（笔记本），模拟航行控制参数，通过RS232串口将控制参数传输给导航与控制一体化计算机；实现仿真7 使用实时反射内存光纤网络，主机与控制接口机以及控制接口机与角运动模拟器之间高速数据传输。
图2 水下航行器导航与控制一体化系统半实物仿真原理图
算机按照航行控制参数进行航行器的自航发射，并将发射信号以数字信号的形式发送给控制接口机，进而传递到实时仿真主机，实现导航与控制一体化计算机与实时仿真主机的同步；⑥ 实时仿真主机通过控制接口机采集用舵角反馈电位计来表示的航行器舵角信息，进行航行器的位置、速度、航向、姿态及三轴角速度的计算，通过控制接口机传递到角运动模拟器、水压仿真器、DVL 模拟机和GPS 模拟机，角运动模拟器完成航行器航向、姿态、三轴角速度的模拟，水压仿真器完成航行器航行深度的模拟，DVL 模拟机完成航行器对地绝对速度或对某一水层速度的模拟，GPS 接收机根据航行器的航行深度完成GPS 信息的模拟（当航行器处于近水面时，即航行器深度小于某一值时，GPS 接收机能够接收到导航信息；否则无法接收到导航信息）；⑦ 航行器完成任务停车的同时，以数字信号的形式通过控制接口机停止实时仿真主机的模型计算；⑧ 导航与控制一体化计算机向数传电台模拟机报告GPS 指示的航行器停车位置，仿真结束。
3 仿真试验过程设计
水下航行器导航与控制一体化系统半实物仿真原理如图2所示，试验过程如下：
① 导航与控制一体化计算机通过RS422数据接口接收母船模拟机传递过来的航向、速度、纬度等参数，完成FOG 启动和稳定工作，并向数传电台模拟机报告FOG 的状态；② GPS 模拟机通过RS232接口向导航与控制一体化计算机发送水下航行器的位置等信息，由导航与控制一体化计算机向数传电台模拟机报告GPS 接收机的状态；③ 导航与控制一体化计算机接收数传电台模拟机发送来航行控制参数并回发给数传电台模拟机，用来判断导航与控制一体化计算机接收的航行控制参数是否正确；④ 导航与控制一体化计算机将通过GPS 模拟机得到的航行器的位置和FOG 测量得到的航行器航向、姿态及三轴角速度实时发送到数传电台模拟机，数传电台模拟机再将这些信息发送给实时仿真主机，作为航行器动力学模型解算的初值；⑤ 导航与控制一体化计
4 试验结果分析
图3表示实时仿真主机计算的航向、姿态和导航与控制一体化计算机记录的航向、姿态数据之间的比较结果，仿真时间为310s 。实线代表实时仿真主机的计算结果，虚线为导航与控制一体化计算机接收FOG 和DVL 数据后的解算数据。从图上可以看出，两者的航向、姿态角曲线基本重合，表明航向、姿态角的测量精度较高。图4表示仿真轨迹以及
图3 实时仿真主机计算的航向、姿态和导航与控制一体化计算机记录的数据对比
• 605 •
2006年3月 系 统 仿 真 学 报 Mar., 2006
图4 实时仿真主机计算的位置数据与导航与控制一体化计算机解算的数据对比
经度、纬度的位置数据对比结果。从图中可以看出，经度方向的最大误差绝对值约为56m ，纬度方向的最大误差绝对值约为58m ，这一结果与系统设计过程中进行数学仿真时的结果基本吻合，能够反映实际情况。另外，水下航行器的深度
一般采用压力传感器直接测量，精度较高，故在此不作讨论。
通过以上导航与控制一体化系统半实物仿真试验的设计与实践，表明仿真试验设计思路正确，导航与控制算法正确，精度较高，导航与控制一体化计算机可同时完成导航和控制的计算需要，硬件之间匹配。该导航与控制一体化系统（上接第603页）
软件仿真结果数据以文件形式存储，以曲线或二维态势形式显示。通过仿真曲线，可以方便地查看武器系统位置、速度、姿态及其它属性的变化；通过二维态势显示，可查看
可以用于工程实践。
参考文献：
[1] [2]
孔凡邨. 光纤陀螺罗经及其在航海上的应用[M]. 航海技术, 2004, 3, 32-34.
P Boltryk, M Hill, A Keary, B Phillips, H Robinson, P White. An ultrasonic transducer array for velocity measurement in underwater vehicles [J]. Ultrasonics(S0041-624X), 2004, 42（1-9）, 473-478. [3]
Jason Evans, Meyer Nahon. Dynamics modeling and performance evaluation of an autonomous underwater vehicle[J]. Ocean Engineering (S0029-8018), 2004, 31（14-15）：1835-1858.
卫星预警时间、雷达跟踪目标时间、反导导弹发射及命中目标时间等参数信息。仿真界面及二维态势显示结果如图4、图5所示。
图4 仿真结果图形显示 图5 软件二维态势显示
4 结论
采用UML 对弹道导弹攻防仿真系统进行可视化建模，对规范仿真流程、优化软件结构、增强程序可读性和可维护性具有显著作用。本文应用实例表明，重视先进面向对象建模技术的研究，广泛采用UML 进行系统设计，可有效提高导弹攻防对抗仿真等大系统开发的进度与质量。
[2] [3] [4] [5]
贾荣珍，张文苑等．基于UML 的飞行器动力学虚拟样机仿真建模研究[J]．系统仿真学报，2004, 16（2）: 231-233.
G Booch. Object-oriented analysis and design with applications[M]. 2nd ed. Benjamin/Cummings Publishing Company, 1994.
UML 建模技术在战场场景仿真中的应用[J]．洪敏煌，
王宝树等．
计算机工程，2004，（6）：195-198.
UML 与系统分析设计[M]．2001. 张龙祥．北京：人民邮电出版社，[M]．邱仲潘等译，北京：电子工业出版社，2002.
[6] Grady Booch 等著．UML 与Rational Rose 2002 从入门到精通[7] David J.Kruglinski 等著．Visual C++ 6.0技术内幕[M]．北京：希
望电子出版社，1999.
参考文献：
[1]
陆波，华祖耀．应用UML 进行反辐射导弹对抗仿真建模[J]．计算机仿真，2003，（12）：17-19.
• 606 •