惯导数据采集与分析系统

技术领域

本发明涉及惯导测试技术领域，具体为惯导数据采集与分析系统。

背景技术

惯导数据采集与分析系统主要是完成火炮上配套惯导的数据采集记录、数据统计分析(如性能参数、故障记录等)、惯导数据实时显示、惯导数据回放显示等，同时可以通过显示界面对惯导设备进行操控控制。惯导数据采集与分析系统的最基本的功能是惯导设备检测及数据采集，因此系统必须能够适应多种不同型号惯导设备的硬件接口形式及不同软件协议也就是说系统的软、硬件设计必须解耦同时要有较高的可扩展性，而且也需要具备大量数据的处理能力，同时在惯导数据采集设备上，系统需要可靠、准确且成本低廉的采集设备，来提升测定结果的准确性，并在一定程度上降低成本。

发明内容

本发明的目的在于提供惯导数据采集与分析系统，其采集设备上具有成本低廉、测定结果准确性高的特点，而且在软件上具备良好的扩展性和可移植性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：惯导数据采集与分析系统，包括惯导参数标定装置和统计分析仪系统，所述惯导参数标定装置由差分系统及转角测量装置组成，所述差分系统由基准站、移动站、4G通信设备、电台及配套天线组成，所述转角装置由电子标杆、三脚架、全站仪及炮管轴向表征设备组成，所述炮管轴向表征设备由安装固定件和棱镜组成，所述统计分析仪系统的硬件部分由加固工控机、运动控制卡、独立显卡、串口扩展卡、键鼠及显示器组成，所述统计分析仪系统的软件部分由其中数据记录模块、数据显示控制模块、数据回放模块、统计分析模块和数据库模块组成。

优选的，所述差分系统中还包括有基准站系统和移动站系统、数据链三部分，所述基准站系统的接收机架设在已知或未知坐标的参考点上并连续接收所有可见GNSS卫星信号。

优选的，所述差分系统采用4G通信设备进行链路传播，所述配套天线选用双频航空动态天线。

优选的，所述电子标杆安装在其中一个已知点上，全站仪安装在另外一个已知点上。

优选的，所述全站仪的轴向垂直于棱镜反射面。

优选的，所述参数标定装置中的坐标计算是基于载体坐标进行的。

优选的，所述统计分析仪系统采用高性能多接口的工控机接收各种惯导的数据。

优选的，所述统计分析仪系统通过RS232、RS422及网络接口与惯导参数标定装置相连接。

优选的，所述统计分析仪系统中的网口数量≥2，统计分析仪系统中的串口数量≥6个，统计分析仪系统中的USB接口数量≥8。

优选的，所述数据记录模块支持本地文件、网络报文UDP、422通信、232串口通信和FTP传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明中的惯导参数标定装置通过炮管轴向表征设备巧妙的完成了炮管轴向的物理体现，后续操作简单可靠，并用成熟的载波相位差分方案能够保证测量点的位置和航向精度，再用4G通信方式保证了后续使用的方便性和可靠性，同时采用增加通信电台的方式实现多种环境下的差分通信，既保证电台传输的可靠性同时也满足在其他特殊场景下的通信需求，而且采用全站仪测量转角精度在一定程度上降低了设备成本。

2、本发明中分析系统的采用通用软件开发平台、第三方开放的组件产品，具备良好的扩展性和可移植性，同时具备业务处理的灵活配置，支持业务功能的灵活重组与更新，并在软件上实现超低延时的实时推送和大容量数据瞬时同步，满足用户需求。

附图说明

图1为本发明中火炮惯导参数标定装置方案1示意图；

图2为本发明中火炮惯导参数标定装置方案2示意图；

图3为本发明中炮管航向计算过程示意图；

图4为本发明中统计分析仪的前视图；

图5为本发明中统计分析仪的后视图；

图6为本发明中差分系统在工作时的示意图；

图7为本发明中大地坐标系BLH的示意图；

图8为本发明中当地水平坐标系的示意图；

图9为本发明中载体坐标系在应用时的示意图；

图10为本发明中椭球体的示意图；

图11为本发明中基准站的工作框图；

图12为本发明中移动站的工作框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

惯导数据采集与分析系统，包括惯导参数标定装置和统计分析仪，惯导参数标定装置由差分系统及转角测量装置组成，差分系统由一个基准站、一个移动站、2个4G通信设备、2个电台及配套天线组成，用RTK载波相位差分技术实现对两个点的位置及航向的高精度测量，这两个点可以作为已知点，这两点形成的直线的航向角作为已知航向B，转角装置由2个电子标杆、2个三脚架、一套全站仪及一套炮管轴向表征设备组成，电子标杆可以直接安装在其中一个已知点上，全站仪安装在另外一个已知点上，炮管轴向表征设备主要是由安装固定件及棱镜组成，炮管的轴向最后通过顶部棱镜来实现物理体现，用炮管轴向表征设备将虚拟的炮管轴向表征出来，最终用棱镜体现；首先炮停放在全站仪的前部，用全站仪瞄准炮管棱镜，微调炮管，保证全站仪的轴向垂直于棱镜反射面，此时记录全站仪的指示角度A1，再将全站仪转动角度，瞄准电子标杆灯泡位置，记录此时全站仪的指示角度A2，计算处转动角度A，配合载体坐标，最后再利用两个已知点的航向计算出炮管的真实航向。

炮管轴向表征设备方案1：

在炮管的前端设计一个圆形的炮管帽(如图1所示)，将炮管帽扣到炮管上，在炮管帽的顶部安装一个三角棱镜，这样通过简单的机械方式即可表征出炮管的轴向并体现在棱镜上。

炮管轴向表征设备方案2：

在炮管的炮身设计一个圆形的覆盖圆柱体(如图2所示)，将其安装炮管上，在侧边设计了锁紧螺钉将其固定；在覆盖圆柱体的顶部安装一个三角棱镜，这样通过简单的机械方式即可表征出炮管的轴向并体现在棱镜上差分原理：

差分系统中还包括有基准站系统和移动站系统、数据链三部分，基准站接收机架设在已知或未知坐标的参考点上，连续接收所有可见GNSS卫星信号，如图11所示，基准站将测站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态等通过无线数据链发送给移动站，如图12所示，移动站同步接收所有可见GNSS卫星观测数据，同时通过数据链接收到基站信号后，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站和移动站的相关性，得出移动站的平面坐标x，y和高程h，解算结果可以达到厘米级精度，此时可进入动态作业；

差分工作：

卫星定位接收机基准站是整个定位系统的基准框架，长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据无线4G通信设备实时传输播发基准站差分改正信息，并实时为各移动站提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标，为了保证该系统的差分的覆盖范围超过15公里，该系统采用4G通信设备进行链路传播，保证了15公里范围的全覆盖，同时增加通信电台及配套天线，防止在无4G信号或特殊区域的情况下使用该差分系统中的通信设备，卫星天线选用双频航空动态天线，卫星天线外形为椭圆形、平面天线，通过不同的天线安装转接件适用于多种型号的载机平台；差分系统载波相位差分定位原理，位置测量精度是1cm+1ppm，每个位置精度误差≤2cm。

载体坐标的建立：

大地坐标系以大地纬度B、大地经度L和椭球高H表示空间一点的位置，大地坐标系的确立包括选择一个椭球，对椭球进行定位和确定大地起算数据，一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球，参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系已经建，如图7所示，O表示椭球中心，EW表示赤道面，BGS为起始大地子午面，地面点P

大地纬度B：地面点P

大地经度L：P

椭球高H：P

以椭球中心为ECEF直角坐标系的原点，以起始子午面NGS与赤道面WAE的交线为X轴，以椭球的短轴为Z轴(向北为正)，以在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，构成右手空间直角坐标系OXYZ；如图8所示，当地水平坐标系是以载体原点为坐标系原点o，以载体原点在椭球体的法线方向(即天向)为z轴，以载体原点所在大地子午线北端与大地地平面的交线(即北向)为y轴，以大地平行圈与大地地平面的交线(即东向)为x轴，为右手空间直角坐标系oxyz；如图9所示，载体坐标系是以载体位置(惯导安装位置)为坐标系原点o，以垂直于载体竖直向上的方向为z轴，载体前向为y轴，载体右向为x轴，为右手空间直角坐标系，且x轴y轴z轴方向分别与惯导轴向方向平行(此为惯导在载体上的推荐安装方式)。

如图10所示的参考椭球体，其中：

O是椭球中心，NS为旋转轴，a为长半轴，b为短半轴。

大地子午面：包含旋转轴的平面；

大地子午圈：大地子午面与椭球面相截所得的椭圆；

纬圈：垂直于旋转轴的平面与椭球面相截所得的圆，也叫平行圈；

赤道：通过椭球中心的平行圈；

基本几何参数：

椭圆的扁率

椭圆的第一偏心率

椭圆的第二偏心率

扁率f反映了椭球的扁平程度，偏心率e和e′是焦点离开中心的距离与椭圆半径之比，它们也反映椭球体的扁平程度，偏心率愈大，椭球愈扁。

统计分析仪的硬件部分主要由加固工控机、运动控制卡、独立显卡以、串口扩展卡、键鼠及显示器等组成，统计分析仪的软件部分主要由其中数据记录模块、数据显示控制模块、数据回放模块、统计分析模块、数据库等模块组成，统计分析仪系统通过RS232、RS422及网络等接口与惯导参数标定装置相连接后，通过惯导设备型号库完成对设备型号的自动检测识别(新型号进行手动添加)，然后根据具体的型号类别调用的不同的软件数据接口解析协议模块对接收到的惯导数据进行数据解析显示及存储入库；通过对应的控制接口完成对设备的控制，在完成数据记录后，可对数据记录进行回放、统计分析。

目前主流惯导设备的接口主要是RS232、RS422串口及网口，该系统采用高性能多接口的工控机来接收各种惯导的数据；为了满足多种惯导同时检测，选择的工控机支持外部接口扩充，网口至少要两个，串口至少6个，USB接口至少8个；数据记录模块运行在中心服务器上，可以对多源异构的数据进行采集。

数据记录模块可以记录惯导设备的姿态、环境、装备状态、控制命令等网络数据，数据记录模块可以记录多种来源的数据，支持本地文件、网络报文UDP、422通信、232串口通信和FTP传输。

统计分析仪软件系统的建立：

要实现“数据存储和管理软件”系统的功能和性能要求，软件系统架构需要满足标准化和规范化原则，系统包括与后台系统的接口对接，按照系统统一规范，定义与内外部系统的消息、数据接口，实现跨终端、跨系统的信息共享。

1、云计算数据处理技术：

云计算处理技术和大数据(BigData)处理框架，它包括加速、服务和批处理三个层次，并通过一系列开源项目及其所研发实现的内存数据库验证了其对实时数据系统的计算性能优势，包括批量计算系统Hadoop、支持任意存取的NoSQL(NotonlySQL)数据库、二进制数据序列化框架Avro(Hadoop子项目)等等，通过将数据分布到多个计算服务节点，直接在内存中计算、管理和维护数据，对外提供统一的访问接口以及可选的冗余备份机制，通常又被称为分布式内存数据网格(Distributed，In-memoryDataGrid)或分布式缓存，也称为弹性缓存平台(Elastic-Caching-Platform)，强调弹性缓存的关键特性是大容量计算下性能表现的一致性、不停机情况下的动态扩展性和由一系列容错机制所提供的高可用性；

2、内存数据计算技术：

内存数据计算是基于磁盘数据库技术发展而来，可将数据库中所有的数据或某几个事务所需要的数据常驻内存，在处理事务的过程中，尽可能减少或者完全消除和硬盘之间的数据交互工作，而在云计算环境下，内存数据库逐步向分布式弹性计算方向发展；

2.1、本地缓存，数据存储在应用代码所在内存空间，可提供快速数据访问，但无法分布式共享数据，也不提供容错处理，例如Cache4j；

2.2、分布式缓存系统，数据在固定数目的集群节点间分布存储，缓存容量可实现静态扩展，但扩展过程中需大量配置，无容错机制，例如Memcached；

2.3、弹性缓存平台，数据在集群节点间分布存储，基于冗余机制实现高可用性，可实现动态扩展并提供容错机制，但复制备份会对系统性能造成一定影响，例如AppfabricCaching；

2.4、弹性应用平台，代表了云计算环境下分布式内存数据库未来的发展方向，是弹性缓存与代码执行的组合体，可将业务逻辑代码转移到数据所在节点执行，从而极大地降低数据传输开销，提升系统系能；

3、分布式缓存架构：

内存数据库提供了多种选项来配置在哪(where)以及怎样(how)管理缓存数据，能够从P2P(peer-to-peer)、CS(client-server)、WAN三种组件构建出合适的缓存架构：

3.1、P2P拓扑：

在P2P分布式系统中，应用程序使用内存数据库的镜像(mirroring)功能来将大量数据跨结点分区(sharding)以及在这些结点间进行数据复制同步，嵌入式缓存(embedded-cache)其实就是说缓存和应用程序在一起，直接利用应用服务器的内存空间。

3.2、mirrored镜像结点：

mirrored结点就像一块磁铁一样，将其他数据区域的数据都吸附过来，形成一块完整的数据集合，当一块数据区域被配置为mirrored的结点第一次新建或重建时，内存数据库将自动执行初始镜像抓取(initial-mage-fetch)操作，从其他结点的数据子集中还原出完整的状态，如果此时网络中存在另一个mirrored结点，那么将会执行最优直接抓取(optimal-directed-fetch)对于大量读的应用，应用程序通过保存全量数据，使客户端请求可以即时访问到想要数据，而无需经过网络传输，当发生故障时，mirrored结点可以用来恢复其他结点。

3.3、partitioned分区结点：

不同于mirrored结点，每个partitioned结点都持有唯一的一块数据，应用程序就像操作本地数据一样，内存数据库在幕后管理各个分区的数据，并且保证在至多一跳内完成数据访问，根据内存数据库的哈希算法，分区数据会被自动放入到各个结点的bucket中，同时内存数据库也会自动分配出冗余数据的位置并进行复制，当某个结点出错时，客户端请求会自动被重定向到备份结点，并且内存数据库会重新复制出一份数据，从而保证数据的冗余拷贝数，最后向网络中加入新的结点来对内存数据库集群进行动态扩容。

P2P系统提供了低延迟、单跳(one-hop)数据访问、动态发现以及透明化的数据存储位置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。