InertiaCube2在训练仿真系统中的应用研究

史连艳，宋文渊，姚志敏

（军械工程学院 导弹工程系，河北 石家庄 050003）

某型防空导弹装备系统复杂，技术含量高，价格昂贵。导弹射手在面对广阔的空域、复杂的敌情，各种类型的高速飞行目标时应具备超强技能。而导弹本身是一次使用性产品，因此导弹射手日常训练都是在模拟训练仿真系统中进行，故训练仿真系统的逼真程度决定导弹射手的训练效果，而正确、合理评定训练成绩也为受训射手改进操作提供依据[1]。由于，该型防空导弹装备是“发射后不管”的，因此该装备的训练是以发射前的一系列操作为主，包括武器系统展开、搜索目标、瞄准目标、系统供电、发射等，其中主要采集两类数据：受训射手各个动作的时间量和导弹发射前给定的前置量（角度量）。为使导弹出筒后便于控制，导弹弹道起始偏差减小，导引精度和命中概率提高，在发射前应施加一定的角度前置量，即目标瞄准点的提前量，该前置量分为高低角和水平角。这里给出基于InertiaCube2的前置量测量系统设计方案。

1 InertiaCube2传感器

1.1 InertiaCube2参数

InertiaCube2是三自由度方向的跟踪系统[2],具有反应快、跟踪范围广以及跟踪过程连续平滑等优点，能够在3个垂直坐标轴上探测旋转角速度、重力和地球磁场。综合旋转角速度得到传感器的测量方位信息，包括偏航角，俯仰角，滚转角。InertiaCube2主要性能指标如下：质量为 25 g；体积为（28.89×24.38×33.91）mm3；角分辨率为 0.01°～0.05°RMS；最小反应时间为2 ms；静态精度为1°；动态精度为 3°；串行口更新速率为 180 Hz；最大角速率达到 1 200（°）/s；测量范围为 0°～360°。

1.2 InertiaCube2工作原理

图1为InertiaCube2功能示意图。在3个互相垂直的坐标轴上分别安装3个速率陀螺、3个加速度计和3个磁传感器。角度测量是由惯性陀螺和线加速度计实现，而磁传感器用于偏航漂移校正。

图1 InertiaCube2功能示意图

2 训练仿真系统硬件组成

图2为训练仿真系统的硬件组成框图。

图2 训练模拟器硬件组成框图

图2中，图形工作站运行训练仿真软件[3－4]，通过多媒体技术控制音响系统模拟背景声音和导弹声音，视景画面通过RGB信号分配器送到监视器和液晶显示器上，供射手瞄准，通过专用信号采集电路采集射手训练过程中所有动作，并以命令码方式由RS232串行接口发送到图形工作站，仿真软件记录命令码[5]，以作为成绩评定依据；InertiaCube2角度测量装置将导弹方位、高低角等数据实时发送至图形工作站，软件根据导弹瞄准方向与飞机位置进行计算，如果落入瞄准区内即可控制产生声光信息通知射手已发现目标。

3 基于InertiaCube2的角度测量系统

3.1 InertiaCube2模块安装

InertiaCube2有RS232或USB两种简单电气连接方式与主机连接，而使用螺丝或螺钉将其紧固在模拟装备上，其基面应与地面平行。这里针对仿真武器系统的特点，并考虑到InertiaCube2需测量弱地磁信号，因此将其安装在发射筒尾部。这样可避免筒内中前部电子元件与线路的电磁效应影响到InertiaCube2测量，若将其安装在中部，则转动中心间距r较小，而待测角度ω=v/r，故测量结果将受到影响。

3.2 基于InertiaCube2的数据采集

随InertiaCube2配套提供有驱动程序、用于读取测量数据的函数库以及其他文件[6]。其中，main.cpp为主循环程序，所有应用程序调用都从该程序开始；isense.cpp为动态链接库的入口程序，与所有编译器接口兼容，不仅仅是VC++6.0的入口程序；isense.h为头文件，包含InterSense所有跟踪器的函数定义和描述；types.h为头文件,定义数据类型；isense.dll为InterSense动态链接库，安装于Windows系统目录或应用程序工作目录下。动态链接库中的主要函数及其功能如下：

1）ISD_TRACKER_HANDLE ISD_OpenTracker （HWND hParent， DWORD commPort， BOOL infoScreen， BOOL verbose）当打开跟踪器成功时，函数返回非零的句柄，用于其他函数功能指向该跟踪器；当打开跟踪器失败时，函数返回负值。其中，hParent为扩展功能时使用，目前未用；comport为当参数非零时，函数查找相应的RS232接口，否则查找USB接口；infoScreen为未用；verbose为TRUE时，函数打印动态链接库版本信息。

2）BOOL ISD_CloseTracker（ISD_TRACKER_HANDLE handle）该函数用于关闭跟踪器，释放打开时所申请的资源。其中，Handle为打开跟踪器函数返回的句柄。

3）BOOL ISD_GetTrackerData（ISD_TRACKER_HANDLE handle,ISD_DATA_TYPE*data）得到跟踪器测得的3坐标数据。其中，Data保存3个坐标数据，符合ISD_DATA_TYPE数据结构定义。

4）BOOL ISD_GetCommInfo（ISD_TRACKER_HANDLE handle， ISD_TRACKER_INFO_TYPE*tracker）可得到跟踪器的设备的信息和通讯信息。其中，Tracker符合ISD_TRACKER_HANDLE定义的结构。

测量过程如下：在程序进入时用ISLIB_OpenTracker函数打开跟踪器；在Timer定义的事件中用ISLIB_GetTracker-Data函数读取当前角位置；程序退出时采用ISLIB_Close-Tracker函数关闭跟踪器。

3.3 角度前置量的解算方法

InertiaCube2角度测量以三自由度速率陀螺仪的测量解为主。三轴加速度计和三轴磁传感器用来敏感地球重力场和地球磁场，进而消除陀螺仪的累积漂移误差。速率陀螺仪测得的数据与加速度计测得的数据送入Kalman滤波器进行误差估计，经角度综合后补偿，从而得到精度较高的俯仰角和偏航角数据。InertiaCube2磁场传感器输出数据，经航向误差估计，补偿陀螺仪解算得到的航向角误差，最终得到综合的角度数据，这里由于模拟训练装备无自旋状态，故对滚转角不予测量、解算。图3为角度解算方法框图。

图3 角度解算方法框图

从InertiaCube2磁场传感器输出到Kalman滤波器的虚线表示磁传感器的使用可能会随时失效，即只有当陀螺仪失效或陀螺仪航向误差较大时该项补偿起作用。对于俯仰角的误差补偿加速度计的测量已足够，地磁传感器的测量仅仅用于偏航方向的校正。转台实验数据见表1。

因为导弹射手应给出的前置量是一个估计值，故测角精度达到1°。由表1可见，该测角系统满足模拟训练的要求。

4 结论

程序对所有测量、解算得到的俯仰角和偏航角数据按表1中的标准对照给出评分成绩，并以数据库的形式存储在硬盘上。其中误差在2°以内为优秀，2°～3°之间为良好，超过3°为不及格。最后再综合时间量成绩评定给出导弹射手完整的训练成绩。该型号导弹武器装备训练仿真系统已投入使用。从使用效果及用户评价来看，无论是仿真的逼真性，测量系统的精度，或是成绩评定的科学性均满足训练使用要求。

[1]史连艳，宋文渊.便携防空导弹训练仿真系统成绩评定方法[J].计算机仿真，2004，22（5）：25-27.

[2]InterSens.Product manual for use with InertiaCube2serial and USB interfaces[R].InertiaCube2Manual Doc.No.072-IC210-0J01.

[3]马立元，李增瑞，王 妍.战术导弹概论[M].北京：兵器工业出版社，1997.

[4]郝永生，李洪儒，史连艳.仿真与模拟训练技术[M].石家庄：军械工程学院，2003.

[5]郭齐胜.系统仿真[M].北京：国防工业出版社，2006.

[6]祝常红.数据采集与处理技术[M].北京：电子工业出版社，2008.