CN112652201B - 一种用于地磁导航***地面仿真的信息模拟器及模拟*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于地面仿真的信息模拟器及模拟***，模拟器包括控制模块、N个D/A转换电路、N个V/I转换电路以及N个阻容模块，其中N为大于或等于3的整数；该模拟器能够生成高精度、宽范围、高分辨率的模拟电流信号，从而激励电磁线圈产生宽范围的磁场，阻容模块的设置，能够有效消除震荡，使得模拟器性能稳定，满足地磁导航***地面仿真的需求。

Description

一种用于地磁导航***地面仿真的信息模拟器及模拟***
技术领域
本发明涉及地磁导航技术领域，尤其涉及一种用于地磁导航***地面仿真的信息模拟器及模拟***。
背景技术
当前，自主导航***在航空、航天、航海中有着广泛的应用，根据所用方位传感器的不同，自主导航***主要分为惯性导航***(利用陀螺仪和加速度计测试飞行体的行驶方向)和地磁导航***(利用地磁传感器测试飞行体行驶方向)两大类。
地磁导航***是利用地磁场信息进行的一种无源、自主性导航，利用载体内磁传感器实时采集得到的地磁信息与预先存储在载体计算机中的地磁基准数据进行匹配，并根据地磁信息与地理位置的对应关系，从而获得载体所在地理位置。
地磁导航***在设计完成后，需要在实际中进行检验，但是试航费用昂贵，试航之前需要做充分的试验，比如虚拟仿真和物理仿真。对于惯性导航***常用三轴转台来模拟陀螺和加速度计的输出信息，而地磁导航常用地磁场模拟装置复现磁传感器与地磁场的相对运动，将飞行器上磁传感器在地磁场中的运动转化为地磁场相对于磁传感器的运动。
我国的地磁总场从南到北的变化范围为41000-60000nT，范围较宽，目前没有相关的模拟装置能够满足地磁导航***仿真的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的模拟装置无法满足地磁导航***仿真需求的问题，提出一种用于地磁导航***地面仿真的信息模拟器及模拟***，能够满足地磁导航***仿真需求。
一种用于地面仿真的信息模拟器，包括控制模块、N个D/A转换电路、 N个V/I转换电路以及N个阻容模块，其中N为大于或等于3的整数；
所述控制模块的输出端与所述N个D/A转换电路的输入端连接，所述N 个D/A转换电路的输出端分别与所述N个V/I转换电路的输入端连接，所述N个V/I转换电路的输出端与所述N个阻容模块连接；
所述控制模块用于接收上位机发送的命令，并根据所述命令生成控制信号和数据信号发送至所述D/A转换电路；
所述D/A转换电路用于根据所述控制信号对所述数据信号进行高位数模转换和低位数模转换，并进行叠加，生成电压信号发送至所述V/I转换电路；
所述V/I转换电路用于根据所述控制信号对所述电压信号进行转换，生成模拟电流信号并输出；
所述模拟电流信号用于激励地面仿真的信息模拟***中的电磁线圈产生磁场，所述阻容模块用于消除所述电磁线圈产生的震荡。
进一步地，所述信息模拟器还包括隔离电路，所述隔离电路设置于所述控制模块和所述D/A转换电路之间，所述隔离电路用于对所述控制信号和数据信号进行隔离。
进一步地，所述阻容模块包括第一电容、第二电容、第三电容和第一电阻，所述第一电容、第二电容和第三电容并联后一端与所述V/I转换电路的输出端连接，另一端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端接地。
进一步地，所述D/A转换电路包括高位数模转换模块、低位数模转换模块以及加法模块，所述高位数模转换模块用于对所述数据信号进行高位数模转换，所述低位数模转换模块用于对所述数据信号进行低位数模转换，所述加法模块用于对所述转换后的信号进行叠加，生成电压信号。
进一步地，所述高位数模转换模块包括第一AD760芯片，所述第一AD760 芯片包括16位输入接口；
所述低位数模转换模块包括第二AD760芯片，所述第二AD760芯片包括16位输入，所述第一AD760芯片和第二AD760芯片共用6位输入；
所述加法模块包括第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第一运算放大器的输入端与所述第一AD760芯片连接，第二运算放大器的输入端与所述第二AD760芯片连接，所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端与所述第三运算放大器的输入端连接，所述第三运算放大器的输出端为所述D/A转换电路的输出端。
进一步地，所述第一运算放大器和第二运算放大器均为OPA2277U芯片，所述第三运算放大器为AD8675AR芯片。
进一步地，所述V/I转换电路包括第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器和精密匹配电阻。
进一步地，所述控制模块包括数字信号处理器、可编程逻辑器件以及***电路。
一种用于地面仿真的信息模拟***，包括上述的用于地面仿真的信息模拟器，还包括电磁线圈、磁通门磁力仪和导航计算机，所述电磁线圈与所述N个阻容模块连接，所述用于地面仿真的信息模拟器的电磁线圈与所述磁通门磁力仪连接，所述导航计算机与所述磁通门磁力仪连接。
进一步地，所述电磁线圈为三轴亥姆霍兹线圈。
本发明提供的用于地磁导航***地面仿真的信息模拟器及模拟***，至少包括如下有益效果：
(1)能够生成高精度、宽范围、高分辨率的模拟电流信号，从而激励电磁线圈产生宽范围的磁场，阻容模块的设置，能够有效消除震荡，使得模拟器性能稳定，满足地磁导航***地面仿真的需求；
(2)结构简单、体积小、操作灵活、输出路数多、输出动态范围大、输出可快速变化。
附图说明
图1为本发明提供的用于地面仿真的信息模拟器一种实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的用于地面仿真的信息模拟器中D/A转换电路一种实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的用于地面仿真的信息模拟器中V/I转换电路和阻容模块一种实施例的结构示意图。
图4为本发明提供的用于地面仿真的信息模拟器输出电流有无阻容模块情况下负载两端的电压波形示意图。
图5为本发明提供的用于地面仿真的信息模拟***一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参考图1，本实施例提供一种用于地面仿真的信息模拟器，包括控制模块101、N个D/A转换电路102、N个V/I转换电路103以及N个阻容模块 104，其中N为大于或等于3的整数；
控制模块101的输出端与N个D/A转换电路102的输入端连接，N个D/A转换电路102的输出端分别与N个V/I转换电路103的输入端连接，N 个V/I转换电路103的输出端与所述N个阻容模块104连接；
控制模块101用于接收上位机发送的命令，并根据所述命令生成控制信号和数据信号发送至D/A转换电路102；
D/A转换电路102用于根据所述控制信号对所述数据信号进行高位数模转换和低位数模转换，并进行叠加，生成电压信号发送至V/I转换电路103；
V/I转换电路103用于根据所述控制信号对所述电压信号进行转换，生成模拟电流信号并输出；
所述模拟电流信号用于激励地面仿真的信息模拟***中的电磁线圈产生磁场，阻容模块104用于消除电磁线圈产生的震荡。
具体地，控制模块101通过程控接口接收上位机发送的命令，对后续的电路和模块进行控制和实施数据分配，其中，程控接口的设计中，可以是各种协议标准的通信接口，如RS232、RS422、RS485、CAN、以太网等，控制模块101包括控制器，该控制器可以为单片机、数字信号处理器、可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)或者其组合。
作为一种优选的实施方式，控制模块101包括数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件FPGA以及相关的***电路，数字信号处理器选用TI公司的 TMS320F2812，该处理器作为一款高性能数字处理器，主要实现与上位机的协议通讯，通讯接口芯片采用Maxim的串口转换芯片MAX3160，FPGA选用 Xilinx的XCS3S400，该智能芯片主要完成D/A转换电路的输出控制和时序控制、通讯模块时序控制、***实时更新控制和接口扩展等。
进一步地，本实施例提供的信息模拟器还包括隔离电路106，隔离电路 106设置于控制模块101和D/A转换电路102之间，隔离电路106用于对所述控制信号和数据信号进行隔离。
隔离电路106主要用于前端的控制模块输出信号和后端电路输入信号电平不一致或电源不同，需要进行电平转换或电源隔离才能进行信号传递，同时也起到过滤毛刺干扰的作用，隔离电路106主要的芯片可以为任何光耦或磁偶隔离芯片。
作为一种优选的实施方式，本实施例中的隔离电路106包括四通道数字隔离芯片ADUM1400及其***电路，D/A转换电路102的输入的控制信号和数据信号均需要隔离，控制信号和数据信号来自FPGA，FPGA是3.3V供电，而D/A转换电路102为5V供电，因此要将信号进行3V-5V的隔离转换。
本实施例提供的模拟器，可由高稳定的线性电源提供，供电电压包括±35V、±15V和+5V。
更进一步地，D/A转换电路102是保证高精度电流输出的关键，D/A转换电路102包括高位数模转换模块、低位数模转换模块以及加法模块，所述高位数模转换模块用于对所述数据信号进行高位数模转换，所述低位数模转换模块用于对所述数据信号进行低位数模转换，所述加法模块用于对所述转换后的信号进行叠加，生成电压信号。
进一步地，参考图2，高位数模转换模块包括第一AD760芯片1021，第一AD760芯片1021包括16位输入接口；
低位数模转换模块包括第二AD760芯片1022，第二AD760芯片1022包括16位输入，第一AD760芯片1021和第二AD760芯片1022共用6位输入；
加法模块包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和第三运算放大器A3；
第一运算放大器A1的输入端与第一AD760芯片1021连接，第二运算放大器A2的输入端与第二AD760芯片1022连接，第一运算放大器A1的输出端和第二运算放大器A2的输出端与第三运算放大器A3的输入端连接，第三运算放大器A3的输出端为所述D/A转换电路的输出端。
AD760芯片是业界水平较高的高精度D/A转换芯片，具有18位分辨率，每个AD760芯片只取低16个有效位，中间6位共用，具体分配如表1所示，最终实现26位的理论分辨率，即第一AD760芯片的高10位(D15-D6)相当于实际输出的D25-D16，第二AD760芯片的低10位(D9-D0)，相当于实际输出的低10位，D9-D0中间共用6位如何决定，由测试效果决定。
Figure BDA0002228012220000071
Figure BDA0002228012220000081
表1
第一AD760芯片1021和第二AD760芯片1022的合成电路由比例加法器来实现，参考图2，精密电阻R2-R5和第三运算放大器构成比例加法器，由于第二AD760芯片1022的16位数据相当于整体右移10位作为26位数据的低16位，因此，要保证26位输出的单调性，第二AD760芯片1022的输出要除以1024，即比例加法器的比例电阻选择为1:1024，此时比例加法器的输出为：
Figure BDA0002228012220000082
其中，VOUT为比例加法器的输出，VDACH为第一AD760芯片1021的输出， VDACL为第二AD760芯片1022的输出。
D/A转换电路102，其功能是将来自前端电路的数据信号转换成模拟电压量输出，模拟电压经后端的V/I转换电路才能转换为电流。由于电流输出范围大(-200mA～+200mA)，作为高精度电流源的D/A转换电路，要想使输出电流分辨力达到100nA，则需要具备22位以上的分辨能力。对于单片的D/A转换芯片，22位以上的基本都是音频数模转换专用的，转换速率很慢，无法达到高动态变化的需求，要改造成通用的D/A转换器有一定的难度，而且，对于高质量、高精度的D/A国内很难买到。因此，设计中采用两片目前业界水平较高的D/A转换芯片组合设计，并在2片DAC输出之后加入比例加法器，使输出达到更高的分辨能力。
作为优选的实施方式，第一运算放大器A1为OPA2277U运放，第二运算放大器A2为OPA2277U运放，第三运算放大器A3为AD8675R运放。
进一步地，V/I转换电路103是保证输出高精度电流的另一关键电路，参考图3，V/I转换电路103包括第四运算放大器A4、第五运算放大器A5、第六运算放大器A6和精密匹配电阻。在各个运放满足高精度要求的前提下，第四运算放大器A4选用功率运放，输出电流较大(最大电流不小于200mA)，如HRF544、7F759M等，第五运算放大器选用具有低偏置电压特性的运放，从电流通道的角度充分保证其输出控制精度，其中，电阻Ri为取样电阻，在电阻R8-R12严格匹配关系下，保证输出电流满足关系式：
IOUT＝VOUT/Ri；(2)
取Ri为50Ω，VOUT为D/A转换电路102的输出，为-10V至+10V，代入公式(2)，可得V/I转换电路103输出的模拟电流信号IOUT的范围为-200mA 至+200mA，分辨率达到100nA，我国的地磁总场从南到北变化范围为41000nT 至60000nT，根据线圈设计参数，按照2nA对应1nT，则可模拟出±100000nT 的磁场，完全满足地磁导航***的仿真需求。
进一步地，N的数量和输出对应，即有N路输出，为满足测试需求，N 为大于或等于3的整数。
进一步地，参考图3，阻容模块104包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一电阻R1，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3并联后一端与V/I转换电路的输出端连接，另一端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻RR1的另一端接地。
V/I转换电路103后端负载为电磁线圈，相当于一个大的电感性负载，如果没有阻容模块，则输出容易产生震荡，输出波形如图4的曲线b所示，经理论分析和实际调研，设计出该阻容模块，消除了震荡，输出波形如图4 中的曲线c所示。
此外，V/I转换电路103可接I/F转换电路和导航计算机，即可实现惯性导航***的仿真需求。
综上，本实施例提供的用于地面仿真的信息模拟器，至少包括如下有益效果：
(1)能够生成高精度、宽范围、高分辨率的模拟电流信号，从而激励电磁线圈产生宽范围的磁场，阻容模块的设置，能够有效消除震荡，使得模拟器性能稳定，满足地磁导航***地面仿真的需求；
(2)结构简单、体积小、操作灵活、输出路数多、输出动态范围大、输出可快速变化。
实施例二
参考图5，本实施例提供一种用于地面仿真的信息模拟***，包括如实施例一所述的用于地面仿真的信息模拟器201，还包括电磁线圈202、磁通门磁力仪203和导航计算机204，电磁线圈202与用于地面仿真的信息模拟器201中的阻容模块连接，电磁线圈202还与磁通门磁力仪203连接，导航计算机204与磁通门磁力仪203连接。
磁通门磁力仪203用于检测磁场变化，导航计算机204用于根据磁场变化计算位置坐标。
作为一种优选的实施方式，电磁线圈202为三轴亥姆霍兹线圈。
本实施例提供的用于地面仿真的信息模拟***，至少包括如下有益效果：
(1)能够生成高精度、宽范围、高分辨率的模拟电流信号，从而激励电磁线圈产生宽范围的磁场，阻容模块的设置，能够有效消除震荡，使得模拟器性能稳定，满足地磁导航***地面仿真的需求；
(2)结构简单、体积小、操作灵活、输出路数多、输出动态范围大、输出可快速变化。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以变换，而所有这些变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，包括控制模块、N个D/A转换电路、N个V/I转换电路以及N个阻容模块，其中N为大于或等于3的整数；
所述控制模块的输出端与所述N个D/A转换电路的输入端连接，所述N个D/A转换电路的输出端分别与所述N个V/I转换电路的输入端连接，所述N个V/I转换电路的输出端分别与所述N个阻容模块连接；
所述控制模块用于接收上位机发送的命令，并根据所述命令生成控制信号和数据信号发送至所述D/A转换电路；
所述D/A转换电路用于根据所述控制信号对所述数据信号进行高位数模转换和低位数模转换，并进行叠加，生成电压信号发送至所述V/I转换电路；
所述V/I转换电路用于根据所述控制信号对所述电压信号进行转换，生成模拟电流信号并输出；
所述模拟电流信号用于激励地面仿真的信息模拟***中的电磁线圈产生磁场，所述阻容模块用于消除所述电磁线圈产生的震荡。
2.根据权利要求1所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述信息模拟器还包括隔离电路，所述隔离电路设置于所述控制模块和所述D/A转换电路之间，所述隔离电路用于对所述控制信号和数据信号进行隔离。
3.根据权利要求1所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述阻容模块包括第一电容、第二电容、第三电容和第一电阻，所述第一电容、第二电容和第三电容并联后一端与所述V/I转换电路的输出端连接，另一端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述D/A转换电路包括高位数模转换模块、低位数模转换模块以及加法模块，所述高位数模转换模块用于对所述数据信号进行高位数模转换，所述低位数模转换模块用于对所述数据信号进行低位数模转换，所述加法模块用于对所述转换后的信号进行叠加，生成电压信号。
5.根据权利要求4所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述高位数模转换模块包括第一AD760芯片，所述第一AD760芯片包括16位输入接口；
所述低位数模转换模块包括第二AD760芯片，所述第二AD760芯片包括16位输入，所述第一AD760芯片和第二AD760芯片共用6位输入；
所述加法模块包括第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第一运算放大器的输入端与所述第一AD760芯片连接，第二运算放大器的输入端与所述第二AD760芯片连接，所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端与所述第三运算放大器的输入端连接，
所述第三运算放大器的输出端为所述D/A转换电路的输出端。
6.根据权利要求5所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述第一运算放大器和第二运算放大器均为OPA2277U芯片，所述第三运算放大器为AD8675AR芯片。
7.根据权利要求1所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述V/I转换电路包括第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器和精密匹配电阻。
8.根据权利要求1所述的用于地面仿真的信息模拟器，其特征在于，所述控制模块包括数字信号处理器、可编程逻辑器件以及***电路。
9.一种用于地面仿真的信息模拟***，其特征在于，包括如权利要求1－8任一所述的用于地面仿真的信息模拟器，还包括电磁线圈、磁通门磁力仪和导航计算机，所述电磁线圈与所述N个阻容模块连接，所述电磁线圈还与所述磁通门磁力仪连接，所述导航计算机与所述磁通门磁力仪连接。
10.根据权利要求9所述的用于地面仿真的信息模拟***，其特征在于，所述电磁线圈为三轴亥姆霍兹线圈。
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