作者：李超 姜戎 羅義平 王宏力  　

摘  要：基于某小型平流層驗(yàn)證飛艇的實(shí)際應(yīng)用，介紹了適合該艇的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，設(shè)計(jì)了以TMS320F2812芯片為計(jì)算核。的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。飛行試驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性扣滿足設(shè)計(jì)要求的測(cè)量精度，為平流層飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)DSP TMS320F2812

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，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問(wèn)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(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、成本低的優(yōu)點(diǎn)。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。基于本系統(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)。

CPS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)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：

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128