01.簡介
慣性導航系統 (INS，Inertial Navigation System) 基於慣性原理建立，而慣性是物體自身的固有屬性，因此其工作時既不依賴於外部資訊，也不向外部輻射能量，優於衛星導航與無線電導航，是一種具備隱蔽性、自主性的導航系統，被廣泛應用於航空航天、無人機、智慧交通等各類領域中，是複雜電磁環境下自主建立空間基準的重要手段。以飛機舉例，當下衡量某個型號的飛機是否先進，要看其是否裝備慣性導航及裝備了什麼型別和效能的慣性導航。
▲慣導系統在各領域中的應用
慣性導航系統的基本工作原理是以物理力學定律為基礎，透過測量載體在慣性參考系的加速度並自動進行積分運算，將其變換到導航座標系中，得到在導航座標系中的速度、偏航角和位置等資訊，獲得載體瞬時速度和瞬時位置資料的技術。
慣性測量單元 (IMU，Inertial measurement unit) 是慣性導航系統的核心，簡稱慣組，是一種用於測量物體運動狀態的感測器裝置，主要由加速度計和陀螺儀組成，透過測量物體的線性加速度和角速度，提供即時的運動資訊以計算物體的當前姿態和運動狀態。
▲慣性導航系統實物概念圖
02.困境與解決方案
高精度慣導裝置中，大量的實時資料需要由慣性測量單元獲取並解算，將得到的載體運動狀態與導航路線進行匹配，控制相應機械結構機構做出調整動作。其高速的資料採集和計算對複雜的多模組控制系統有著極高要求，而如此高精度的裝置造價自然不菲，相關測試驗證則更加難以展開。
數字孿生及數字樣機技術的普及與深入為高階複雜裝備研發節省了大量硬體成本和維護費用。慣導裝置的研發困境也可透過數字樣機來解決：構建導航系統慣組數字樣機，在高一致性模擬狀態下模擬系統的執行，可以實現低成本快速進行慣組單元的測試工作。透過精確模擬慣組的執行環境和效能，慣組系統在實際執行中的各種動態行為和響應特性得以顯現。這種高保真度的模擬為研發人員提供了一個理想的測試平臺，使得可以在不依賴實物硬體的情況下，全面瞭解系統的工作原理和效能表現，便於研發人員進行各類測試和驗證，大大降低了研發成本。
值得一提的是，數字樣機帶來的快速部署和靈活性使得測試過程更加高效，可以在短時間內完成多種測試任務，提高了研發效率。研發人員可以輕鬆進行引數調整、演算法最佳化和故障診斷，及時發現和解決潛在問題，從而不斷改進系統的效能和可靠性。
03.應用案例
天目全數字實時模擬軟體SkyEye，是一款國產自主可控的基於視覺化建模的硬體行為級模擬平臺，具備慣性導航系統的模擬驗證能力。
基於SkyEye搭建的慣組數字樣機由中央控制系統電路和其他裝置機構組成。透過SkyEye搭建實現控制單元的DSP控制板，可用於執行電機、慣組控制邏輯程式，包括內外環電機控制的內部DSP晶片、FPGA單元、SDRAM、FLASH和通訊匯流排模型。搭建完成的模型可配合上位機除錯，與其他多學科建模模擬平臺搭建的機構模型透過FMU標準介面進行整合聯調，實現協同模擬，能夠做到指標與實物慣組完全一致。
▲慣性導航系統數字樣機模擬結構
具體搭建過程如下：
①基於DSP2xxx 晶片搭建電機控制板卡，執行電機控制邏輯程式。
電機控制板的主控架構為DSP+FPGA協同控制，DSP晶片與FPGA透過XINTF匯流排實現資料互動，DSP晶片外圍配置必要的外設模型及資料處理傳輸的介面模型，受外環DSP控制並與電機元件相連實現閉環控制。
② 基於DSP6xxx晶片搭建慣組資料採集與計算控制板，執行慣導控制邏輯程式。
資料採集與計算控制板DSP晶片的數字模型是數字慣組的重要組成部分，具有一致性反映實體慣組中DSP晶片在真實環境中的功能、效能以及被測試的能力，其建模顆粒度直接關乎數字慣組的功能、效能及其模擬資料的可靠性。外圍通訊介面模型可與上位機或其他模型連線用以拓撲除錯。
③ 搭建3塊慣導控制子系統板卡，構建使用422/485/1553B匯流排模型進行資料互動和通訊控制，測試驗證慣導系統功能。
構建慣性導航系統數字樣機，不僅實現了低成本快速測試控制單元的目標，還為研發人員提供了強大的工具支援，顯著提升了導航系統的開發和最佳化效率。透過這種方式，研發團隊可以更快地推進專案進展，並確保最終產品的高質量和高可靠性。