基于DSP的平流層驗(yàn)證飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平流層空域處于飛行高度最高的飛機(jī)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?yán)闷搅鲗语w艇作為可長(zhǎng)期駐空的平臺(tái)進(jìn)行通信、對(duì)地觀測(cè)、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)和預(yù)警等。由于飛艇具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可直升、可長(zhǎng)時(shí)間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點(diǎn)，被人們稱為"多功能航空器"[1]，因此世界各國(guó)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(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，工程中利用低空飛艇對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證分析。由于低空飛艇所提供的升力有限，因此組合導(dǎo)航系統(tǒng)的小型化及經(jīng)濟(jì)化勢(shì)在必行。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了基于DSP+MCU的專用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。小型驗(yàn)證飛艇飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可滿足實(shí)時(shí)性和精度的要求，為平流層飛艇的研制打下了基礎(chǔ)。
1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理
1.1 導(dǎo)航器件的特性
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)和慣性測(cè)量裝置組合的自主式空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，在航天、航空、航海及陸地車輛有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將其分為兩大類：平臺(tái)式和捷聯(lián)式。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將慣性測(cè)量元件（陀螺和加速度計(jì)）固連在載體上，省去了傳統(tǒng)的機(jī)電平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低得優(yōu)點(diǎn)[2]。其中，微慣性測(cè)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(zhǎng)、可靠性高和動(dòng)態(tài)性能好等一系列無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊，是當(dāng)今慣性技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[3]?；诒鞠到y(tǒng)的具體應(yīng)用領(lǐng)域，本組合導(dǎo)航系統(tǒng)選用捷聯(lián)式微慣性測(cè)量組合（SMIMU）。
GPS具有定位精度高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。介紹其工作原理的文獻(xiàn)[4]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(dǎo)系統(tǒng)的各誤差項(xiàng)，系統(tǒng)采用東北天為其導(dǎo)航坐標(biāo)系，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的性能和各種誤差源的分析，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

1.3 量測(cè)方程
在位置、速度組合模式中有兩組量測(cè)值：慣導(dǎo)系統(tǒng)給出的經(jīng)度、緯度、高度信息和GPS接收機(jī)給出的相應(yīng)信息的差值；兩個(gè)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(cè)方程為：
Z（t）＝ H（t）X（t）＋V（t） （2）
（2）式中，觀測(cè)矢量Z＝[δve，δvn，δvu，δL，δλ，δh]T，觀測(cè)噪聲矢量為V＝[Vvx，Vvy，Vvz，VL，Vλ，Vh]T。
實(shí)際載體中，將組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量得到的各種參量送入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)融合后對(duì)載體進(jìn)行相應(yīng)的控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
長(zhǎng)期以來(lái)捷聯(lián)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)一直采用X86為核心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，這不僅使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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)中采用的運(yùn)算精度高、接口資源豐富、成本低廉的高速DSP作為核心運(yùn)算單元。
2.1 主要硬件特征
本系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算任務(wù)由高速DSP完成，型號(hào)選用TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器--TMS320F2812芯片。該處理器采用程序與數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，提升了數(shù)據(jù)吞吐量。其頻率高達(dá)150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度及核芯片處理能力；集成了128KB的閃存、4KB的引導(dǎo)ROM及2KB的OTP ROM，可用于軟件開發(fā)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟件進(jìn)行升級(jí)時(shí)的簡(jiǎn)單再編程；優(yōu)化過(guò)的事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生器、可編程通用計(jì)時(shí)器以及捕捉譯碼接口等；片上標(biāo)準(zhǔn)通信接口可為主機(jī)、測(cè)試設(shè)備、顯示器及其他組件提供簡(jiǎn)便的通信端口[5]。這些特性使得TMS320F2812非常適合計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、對(duì)計(jì)算精度要求高、接口復(fù)雜的處理環(huán)境。
利用MCU完成數(shù)據(jù)采集，接口擴(kuò)展、電源開發(fā)和人機(jī)交互的功能，型號(hào)選為Cygnal公司的C8051F021。該芯片采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了指令運(yùn)行速度，最大速度可達(dá)25MIPS。其含有豐富的數(shù)字外設(shè)，包括4個(gè)8位I/O端口，可同時(shí)使用的硬件包括SMBus、SPI和兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口，5個(gè)通用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，專用的看門狗定時(shí)器。該芯片的時(shí)鐘頻率達(dá)到25MHz。作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的從處理器，該芯片能夠方便地?cái)U(kuò)展接口，實(shí)時(shí)采集各路傳感器信號(hào)。
2.2 基于DSP的系統(tǒng)硬件組成
基于DSP的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。慣性測(cè)量元件包括3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)。TMS320F2812帶有12位流水線的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān)（MUXs）、采樣/保持（S/H）電路、電壓參考以及其他的模擬輔助電路。其模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）有16個(gè)通道，可以配置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B。因此陀螺儀與加速度計(jì)測(cè)量得到的角速度與加速度信息不必再通過(guò)外圍專門的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，而是經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)預(yù)處理之后直接送入DSP。這樣就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件重量和復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。GPS采集到的位置、姿態(tài)等數(shù)字量信息可以通過(guò)RS232串口送入DSP