组合传感器仪表关键技术研究

摘要

随着低空空域开放的逐步深入，通用航空迎来迅速发展的春天。通用航空飞机的安全对通用航空业的发展具有十分重要的意义。出于通用航空飞行的特点以及通用航空飞机成本方面的考虑，通用航空飞机配备的仪表必须是低成本、高可靠和相对高精度的。因此，研制具有上述特点的组合传感器仪表对通用航空飞机有重要的现实意义。
　　 本文通过对高度和航向测量的误差建模与补偿、多传感器数据融合算法等，对高度、航向组合传感器仪表进行研究。主要内容及取得的研究成果总结如下：
　　 1、GPS高度测量和航向测量的分析与研究。简单介绍了GPS的组成，系统地阐述了GPS高度测量和航向测量的原理，深入分析了GPS高度测量和航向测量的误差来源和特性。为后文组合传感器仪表的的研究奠定了基础。
　　 2、气压高度测量的误差建模与补偿研究。介绍了气压高度测量的技术方案，指出了影响通用航空飞机气压高度测量精度的主要误差来源：压力传感器输出误差和气压高度原理误差。提出通过对硅压阻式压力传感器的标定数据进行曲面拟合，建立压力传感器的误差模型，提高压力传感器的输出精度。针对通用航空飞机飞行高度低，不适合采用标准气压高度进行高度测量的问题，建立了基于多阶泰勒展式的气压高度原理误差模型，提高绝对高度的测量精度。在此基础上，提出气压高度相对高度的测量方法，提高气压高度相对高度的测量精度。
　　 3、磁航向测量的磁干扰建模与误差补偿研究。介绍了磁航向测量的技术方案，简单分析了磁罗盘静态磁干扰的原理和误差补偿方法。深入分析了磁罗盘动态磁干扰的原理，引入了差分磁罗盘(Differential Magnetic Composes，DMC)的物理概念，设计了基于DMC的磁航向系统。系统分析了动态磁干扰对DMC的影响机制，提出了基于DMC的动态磁干扰误差建模和补偿算法，并进一步提出了改进算法，有效地提高了磁罗盘动态磁干扰的误差补偿效果，提高了动态磁干扰下磁航向的精度和可靠性。
　　 4、高度、航向组合传感器仪表数据融合技术研究。提出了高度、航向组合传感器仪表的结构方案。针对气压高度和GPS高度、DMC磁航向和GPS航向误差特性互补的特点，分别研究了组合高度和组合航向的数据融合技术。提出了气压高度与GPS高度的互标定算法：利用气压高度短时间相对高度精度高的优点，对GPS高度误差进行自适应标定，提高GPS高度的精度；基于多阶全微分的气压高度原理误差模型，采用最小二乘算法，通过GPS高度信息，对气压高度的原理误差进行在线初始化标定，解决气压高度精度随时间和环境变化变差的问题。将相对高度差引入自适应联邦卡尔曼滤波(Federated Kalman Filter，FKF)信息分配算法，实现了气压高度和GPS高度的数据融合。通过对DMC动态磁干扰数据的分析，提出了DMC动态磁干扰识别参数。介绍了最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine，LS-SVM)分类算法，并应用于DMC动态磁干扰识别的建模，实现了对磁罗盘动态磁干扰的有效识别。在此基础上，将DMC动态磁干扰识别应用于自适应FKF信息分配算法，实现了DMC磁航向和GPS航向的数据融合。
　　 5、高度、航向组合传感器仪表原型样机的研制。设计了组合传感器仪表的输入单元，研制开发了基于ARM11处理器S3C6410的高度、航向组合传感器仪表的原型样机：分析了嵌入式开发平台的功能要求，设计了嵌入式开发平台的硬件电路；完成了嵌入式linux内核、第三方库和QtE的移植，完善了硬件接口的驱动；完成组合传感器仪表输入的同步性设计，并通过高精度时钟的研究，提高了系统的实时性；设计了嵌入式平台的软件框架，并完成应用软件设计。
　　 6、组合高度、航向传感器仪表实验。搭建组合高度、航向传感器仪表实验平台，利用紫金山索道和高架桥，分别完成组合传感器仪表的高度和航向模拟实验，验证了组合高度、航向传感器仪表性能的有效性，满足了通用航空的要求。