基于DSP的平流層驗證飛艇組合導骯系統(tǒng)設計
作者：李超 姜戎 羅義平 王宏力
摘 要：基于某小型平流層驗證飛艇的實際應用,介紹了適合該艇的INS/GPS組合導航系統(tǒng)的基本原理,設計了以TMS320F2812芯片為計算核。的導航計算機。飛行試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的實時性扣滿足設計要求的測量精度,為平流層飛艇組合導航系統(tǒng)的設計提供了一定的理論基礎。
關(guān)鍵詞：飛艇組合導航系統(tǒng)DSPTMS320F2812
平流層空域處于飛行高度最高的飛機和軌道最低的衛(wèi)星之間,加之其具有良好的電磁特性和非常穩(wěn)定的氣象條件,因此人們不斷地嘗試利用平流層飛艇作為可長期駐空的平臺進行通信、對地觀測、國土資源監(jiān)測和預警等。由于飛艇具有獨特的優(yōu)勢：可直升、可長時間滯空,且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點,被人們稱為“多功能航空器,因此世界各國都在飛艇方面開展了多種多樣的研究。
鑒于平流層高空飛艇組合導航系統(tǒng)設計的復雜性,工程中利用低空飛艇對其進行驗證分析。由于低空飛艇所提供的升力有限,因此組合導航系統(tǒng)的小型化及經(jīng)濟化勢在必行。針對這種現(xiàn)狀,本文設計了基于DSP+MCU的專用導航計算機。小型驗證飛艇飛行試驗驗證了該系統(tǒng)可滿足實時性和精度的要求,為平流層飛艇的研制打下了基礎。
1 組合導航系統(tǒng)的基本原理
1．1 導航器件的特性
慣性導航系統(tǒng)是一種計算機技術(shù)和慣性測量裝置組合的自主式空問基準保持系統(tǒng),在航天、航空、航海及陸地車輛上有著廣泛的應用。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將其分為兩大類：平臺式和捷聯(lián)式。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)將慣性測量元件(陀螺和加速度計)固連在載體上,省去了傳統(tǒng)的機電平臺,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點。其中,微慣性測量組合(MIMU)與傳統(tǒng)的慣性組合相比由于具有尺寸小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長、可靠性高和動態(tài)性能好等一系列無法比擬的優(yōu)點,因此其應用前景也越來越廣闊,是當今慣性技術(shù)發(fā)展的一個重要方向�；诒鞠到y(tǒng)的具體應用領(lǐng)域。本組合導航系統(tǒng)選用捷聯(lián)式微慣性測量組合(SMIMU)。
CPS具有定位精度高、價格低廉等優(yōu)勢,在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。介紹其工作原理的文獻比較多,在此不再贅述。
1.2 組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程
選取狀態(tài)變量為慣導系統(tǒng)的各誤差項,系統(tǒng)采用東北天為其導航坐標系．通過對系統(tǒng)的性能和各種誤差源的分析,得到組合導航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
1．3 量測方程
在位置、速度組合模式中有兩組量測值：慣導系統(tǒng)給出的經(jīng)度、緯度、高度信息和GPS接收機給出的相應信息的差值;兩個系統(tǒng)給出的速度差值。利用這兩組差值可得SMINS/GPS組合的量測方程為：
實際載體中,將組合導航系統(tǒng)測量得到的各種參量送入導航計算機,經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)融合后對載體進行相應的控制。
2 系統(tǒng)硬件設計
長期以來捷聯(lián)導航計算機一直采用X86為核心的計算機結(jié)構(gòu),這不僅使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、功耗較高,并且程序效率和直接操作硬件的靈活性都受到影響。因此本系統(tǒng)中采用運算精度高、接口資源豐富、成本低廉的高速DSP作為核心運算單元。
2．1 主要硬件特征
本系統(tǒng)導航計算任務由高速DSP完成,型號選用TI公司最新推出的32位定點DSP控制器——TMS320F281
