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艇作為可長期駐空的平臺進(jìn)行通信、對地觀測、國土資源監(jiān)測和預(yù)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”^[1]，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(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，工程中利用低空飛艇對其進(jìn)行驗證分析。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)化勢在必行。針對這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了基于DSP+MCU的專用導(dǎo)航計算機(jī)。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(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)是一種計算機(jī)技術(shù)和慣性測量" title="慣性測量">慣性測量裝置組合的自主式空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，在航天、航空、航海及陸地車輛上有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將其分為兩大類：平臺式和捷聯(lián)式。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將慣性測量元件(陀螺和加速度計" title="加速度計">加速度計)固連在載體上，省去了傳統(tǒng)的機(jī)電平臺，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點^[2]。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(yīng)用前景也越來越廣闊，是當(dāng)今慣性技術(shù)發(fā)展的一個重要方向^[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)式微慣性測量組合(SMIMU)。
　　GPS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(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，系統(tǒng)采用東北天為其導(dǎo)航坐標(biāo)系，通過對系統(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 量測方程
　　在位置、速度組合模式中有兩組量測值：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(dǎo)航系統(tǒng)測量得到的各種參量送入導(dǎo)航計算機(jī)，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)融合后對載體進(jìn)行相應(yīng)的控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　長期以來捷聯(lián)導(dǎo)航計算機(jī)一直采用X86為核心的計算機(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)航計算任務(wù)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——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)及對現(xiàn)場軟件進(jìn)行升級時的簡單再編程；優(yōu)化過的事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器、可編程通用計時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)、測試設(shè)備、顯示器及其他組件提供簡便的通信端口^[5]。這些特性使得TMS320F2812非常適合計算量大、實時性強(qiáng)、對計算精度要求高、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8位I/O端口，可同時使用的硬件包括SMBus、SPI和兩個增強(qiáng)型UART串口，5個通用的16位計數(shù)器/定時器，專用的看門狗定時器。該芯片的時鐘頻率達(dá)到25MHz。作為導(dǎo)航計算機(jī)的從處理器，該芯片能夠方便地擴(kuò)展接口，實時采集各路傳感器信號。
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。慣性測量元件包括3個陀螺儀和3個加速度計。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個通道，可以配置為兩個獨立的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測量得到的角速度與加速度信息不必再通過外圍專門的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，而是經(jīng)過一定的信號預(yù)處理之后直接送入DSP。這樣就簡化了系統(tǒng)的硬件重量及復(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RS232串口送入DSP。

　　TMS320F2812所帶的SPI(串行外設(shè)接口)是一個高速同步的串行輸入/輸出口。SPI的通信速率和通信數(shù)據(jù)長度都是可以編程的，它可以方便地用于和其他處理器之間的通信。
　　大量的導(dǎo)航計算由TMS320F2812完成，主要包括慣性元件的誤差補(bǔ)償、初始對準(zhǔn)、姿態(tài)矩陣計算、四元數(shù)計算、等效轉(zhuǎn)動矢量計算、速度位置計算和姿態(tài)計算、GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)的融合等。計算得到的飛艇姿態(tài)、位置等信息分別被送往數(shù)傳電臺、電動機(jī)和MCU等裝置進(jìn)行相應(yīng)的操作。
　　C8051F021主要完成底層控制。根據(jù)TMS320F2812傳入的數(shù)據(jù)，對舵機(jī)和能源進(jìn)行相應(yīng)的控制；并且將實時導(dǎo)航數(shù)據(jù)(速度、位置、姿態(tài))送入液晶顯示器，方便人機(jī)交互。對C8051F021的外部I/O端口進(jìn)行接口擴(kuò)展，完成相應(yīng)的控制任務(wù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　以第1節(jié)中介紹的INS系統(tǒng)的誤差方程為狀態(tài)方程,以GPS和INS的輸出誤差為觀測量，通過一定的算法對狀態(tài)誤差作出最優(yōu)估計，然后對系統(tǒng)進(jìn)行校正，提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。現(xiàn)代的導(dǎo)航算法普遍采用卡爾曼濾波改進(jìn)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,參考文獻(xiàn)^[6]中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
　　軟件設(shè)計所采用的語言一般為C語言或匯編語言。在對實時性要求較低的場合,一般采用C語言編程，而在對實時性要求較高或者頻繁與外設(shè)交換信息的場合,則利用匯編語言進(jìn)行編程。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

4 試飛實驗
　　利用某小型平流層驗證飛艇進(jìn)行了試飛實驗，其飛行試驗數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示。圖3(a)為飛艇起飛前的準(zhǔn)備階段以及飛行過程中的姿態(tài)角信息示意圖。由圖可見測量系統(tǒng)采集到9300個點左右，其在俯仰、滾動角中有少量噪聲存在，這在系統(tǒng)誤差的允許范圍內(nèi)。點位為9200時的姿態(tài)角的跳變是由于艇降落時的非平穩(wěn)性而出現(xiàn)姿態(tài)的較大變動。偏航角信息中角度的跳變是因為偏航角的范圍為0～360°，當(dāng)角度從接近360°繼續(xù)增加時，角度就會跳轉(zhuǎn)到0°附近，此時便會發(fā)生如圖3(a)第三個小圖中的跳變了。