易義芬, 安學(xué)智, 袁 霖, 程曉莉, 王 誠(chéng), 陳 亮

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065; 2 西安應(yīng)用光學(xué)研究所, 西安 710072;3 西北工業(yè)大學(xué)軟件與微電子學(xué)院, 西安 710065)

0 引言

雙模導(dǎo)引頭飛行高度精確測(cè)量與控制在目標(biāo)搜索與識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵查、導(dǎo)引頭航姿遙測(cè)等飛行任務(wù)中起著至關(guān)重要的作用,主要由高度定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的高度測(cè)量系統(tǒng)多數(shù)采用靜壓傳感器的壓差膜盒對(duì)大氣靜壓進(jìn)行探測(cè),輸出大氣壓模擬信號(hào),并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)海拔高度值,并未考慮地面大氣溫度、濕度等因素,以至于輸出的靜態(tài)大氣壓值與真實(shí)大氣壓值之間有偏差[1],存在測(cè)量精度低、一致性差等問題。另一方面隨著電子科技迅速發(fā)展、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變、信息對(duì)抗與反對(duì)抗不斷增強(qiáng),對(duì)導(dǎo)引頭在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的適應(yīng)性、生存力提出嚴(yán)格的要求,小型化、集成化、智能化、模塊化是導(dǎo)引頭發(fā)展必然趨勢(shì)[2-3],然而傳統(tǒng)高度測(cè)量系統(tǒng)大多數(shù)存在電子集成度低、體積大和功耗高、環(huán)境適應(yīng)性弱、實(shí)時(shí)同步性差等問題。

針對(duì)上述問題,研究一種電子器件集成小型化和模塊化、測(cè)量精準(zhǔn)度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的高位測(cè)量系統(tǒng)成為亟需解決的問題。文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有大氣壓與溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、大氣壓濾波、大氣壓高度轉(zhuǎn)換、與經(jīng)緯度測(cè)量數(shù)值實(shí)時(shí)同步的高度定位系統(tǒng),該系統(tǒng)將電源組件模塊、大氣壓與溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)與通訊模塊高度集成于一體。其集成電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗和成本低、大氣壓高度轉(zhuǎn)換率高、響應(yīng)速度快、輸出數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定等特點(diǎn),適合雙模導(dǎo)引頭飛行海拔高度的測(cè)量和操控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高度定位系統(tǒng)由電源組件模塊、大氣壓與溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)模塊和通訊模塊組成,其硬件組成見圖1。電源組件模塊包括FPGA與FLASH供電單元、存儲(chǔ)器與MS5534B供電單元,分別輸出1.8 V、3.3 V和5 V穩(wěn)定電壓;大氣壓與溫度采集模塊感應(yīng)大氣壓和溫度差分模擬信號(hào),經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)濾波處理輸出數(shù)字信號(hào);存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)備份海拔高度和采集時(shí)間,供雙模導(dǎo)引頭地面遙測(cè)系統(tǒng)查看與使用;數(shù)據(jù)處理模塊是高度定位系統(tǒng)的處理核心,獲取絕對(duì)非補(bǔ)償?shù)拇髿鈮?、溫度以及補(bǔ)償參數(shù),進(jìn)行溫度補(bǔ)償、軟件濾波和大氣壓高度轉(zhuǎn)換間接得到測(cè)量高度數(shù)據(jù);通訊模塊包括SPI通訊單元和RS422通訊單元,完成高度定位系統(tǒng)與數(shù)字壓力傳感器、雙模導(dǎo)引頭飛行操控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸與控制、采集時(shí)間實(shí)時(shí)同步等功能。

圖1 硬件系統(tǒng)組成框圖

1.1 數(shù)字壓力傳感器

MS5534B是瑞士Intersema公司生產(chǎn)的一款集成有壓阻式壓力傳感器和ADC接口的SMD混合集成電路,內(nèi)部集成了壓阻式壓力傳感器、電阻式溫度傳感器、數(shù)字選擇器、15 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊[4],其結(jié)構(gòu)見圖2。大氣壓和溫度測(cè)量使用同一個(gè)Σ-Δ型15 bit ADC,測(cè)量大氣壓時(shí),ADC轉(zhuǎn)換傳感器的差分模擬輸出電壓,測(cè)量溫度時(shí),ADC則感應(yīng)和轉(zhuǎn)換傳感器電橋的電阻,在兩種測(cè)量期間,傳感器通過多路選擇開關(guān)(Input MUX)用很短的切換時(shí)間完成。經(jīng)過ADC分別將大氣壓和溫度的差分模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再通過數(shù)字濾波器(Digital Filter)抑制干擾,然后將16 bit大氣壓和溫度數(shù)據(jù)存貯在數(shù)字IC模塊中。針對(duì)大氣壓測(cè)量和溫度測(cè)量分別在MS5534B的PROM中寫入出廠標(biāo)定的4個(gè)16 bit校正字WORD1～WORD4,其中逐位邏輯移位組合6個(gè)參數(shù)C1～C6,主要用于修正由溫度變化引起實(shí)際大氣壓與測(cè)量大氣壓之間存在的誤差。

圖2 MS5534B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 FPGA微處理器

FPGA微處理器采用Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan-6系列XC6SLX45T芯片,具有功耗低、速度快、可配置邏輯模塊多等特點(diǎn)。通過管腳配置成各種通訊標(biāo)準(zhǔn)I/O接口,可以與MS5534B、MAX3940、K9LCG08U1A-M和FLASH管腳直接連接,不需要額外添加電容和電阻,進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低功耗和成本、減小體積、減輕重量。與FPGA微處理器配套使用的FLASH芯片選用XCF16PVO48I。

1.3 電源組件

選用TI公司生產(chǎn)的TPS70345和TPS76818兩種芯片分別給FPGA微處理器和FLASH閃存提供管理電源解決方案,其中TPS70345產(chǎn)生FPGA所需的3.3 V I/O接口電平和1.2 V內(nèi)核電平,該芯片最大可提供3.3 V電平1 A的輸出電流能力和1.2 V電平2 A的輸出電流能力;TPS76818主要提供FLASH芯片的1.8 V電平,該芯片可提供1.8 V電平1 A的輸出電流能力。選用TI公司的REG117-3.3芯片分別給K9LCG08U1A-M存儲(chǔ)芯片和MS5534B數(shù)字壓力傳感器提供管理電源解決方案,該芯片輸出固定3.3 V電平,最大電流可達(dá)800 mA。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu),主要由初始化模塊、SPI通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和串口通訊模塊組成,主程序以周期循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊調(diào)用控制。高度定位系統(tǒng)上電后調(diào)用初始化模塊,配置各芯片邏輯單元;通過SPI通訊模塊向MS5534B寫入復(fù)位序列和讀取溫度補(bǔ)償參數(shù)、測(cè)量大氣壓和溫度值,并寫入FPGA微處理器的FLASH;通過數(shù)據(jù)處理模塊算出溫度補(bǔ)償后的測(cè)量大氣壓值,采用軟件濾波算法抑制噪聲干擾,經(jīng)過大氣壓高度轉(zhuǎn)換算法得到測(cè)量高度;通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將測(cè)量高度值和采集時(shí)間寫入/讀取存儲(chǔ)芯片;通過串口通訊模塊完成了雙模導(dǎo)引頭飛行操控系統(tǒng)對(duì)高度定位系統(tǒng)操作控制,系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖

2.1 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)溫度補(bǔ)償

MS5534B主要功能是將壓阻式壓力傳感器感應(yīng)的非補(bǔ)償差分模擬電壓換成測(cè)量大氣壓值,然而在實(shí)際測(cè)量過程中實(shí)際大氣壓與測(cè)量大氣壓之間存在誤差,見圖4。1)在相同溫度條件下,傳感器輸出測(cè)量大氣壓與實(shí)際大氣壓之間存在線性關(guān)系;2)在不同溫度且同一實(shí)際大氣壓條件下,傳感器輸出測(cè)量大氣壓之間存在差異。因此為了消除差異,需要通過補(bǔ)償溫度傳感器感應(yīng)的測(cè)量溫度,修正因溫度變化引起壓力傳感器的零漂和靈敏度,從而修正測(cè)量大氣壓與實(shí)際大氣壓的偏差[5],進(jìn)一步提高測(cè)量大氣壓精準(zhǔn)度和靈敏度。

壓力傳感器的溫度補(bǔ)償需要外部微處理器完成,首先通過三線SPI接口向MS5534B發(fā)送復(fù)位序列啟動(dòng)MS5534B,其次從MS5534B的PROM讀取4個(gè)校正字WORD1-WORD4并逐位提取6個(gè)參數(shù)C1～C6,最后寫入FPGA微處理器的FLASH。系統(tǒng)測(cè)量高度時(shí),FPGA微處理器從MS5534B讀取大氣壓D1和溫度D2,并根據(jù)FLASH中的參數(shù)C1～C6,用MS5534B用戶手冊(cè)提供的算法對(duì)測(cè)量大氣壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溫度補(bǔ)償[6],得到溫度補(bǔ)償后的測(cè)量大氣壓P。

圖4 實(shí)際大氣壓與測(cè)量大氣壓誤差圖

1)計(jì)算標(biāo)定溫度

標(biāo)定溫度:UT=8×C5+20 224

2)計(jì)算實(shí)際溫度

實(shí)際溫度與參考溫度之差:dT=D2-UT

實(shí)際溫度:TEMP=200+dT×(C6+50)÷212

(0.1 ℃分辨率)

3)計(jì)算溫度補(bǔ)償氣壓值

實(shí)際溫度偏差:

OFF=C2×4+((C4-512)×dT)÷212

實(shí)際溫度靈敏度:

SENS=C1+(C3×dT)÷210+24 576

X=(TSENS×(D1-7 168))÷214-OFF

溫度補(bǔ)償大氣壓:

P=X×10÷25+250×10(10 Pa分辨率)

通過上述標(biāo)準(zhǔn)溫度補(bǔ)償算法消除因溫度傳感器輸出線性關(guān)系導(dǎo)致的誤差,但是在很低或很高溫度環(huán)境中仍然存在誤差,通過二階溫度補(bǔ)償可以進(jìn)一步減小由溫度變化導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

2.1.2 二階溫度補(bǔ)償

為了在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)獲得最佳校正誤差,系統(tǒng)采用二階溫度補(bǔ)償算法[6]消除因溫度傳感器輸出非線性問題導(dǎo)致誤差,此算法根據(jù)測(cè)量溫度,在不同范圍采取不同算法算出溫度和大氣壓補(bǔ)償參數(shù),然后用MS5534B輸出的測(cè)量溫度和大氣壓減去補(bǔ)償參數(shù),算出經(jīng)過二階溫度補(bǔ)償?shù)臏囟萒EMP和大氣壓P。

1)低溫補(bǔ)償方式(TEMP<200 ℃):

T2=11×(C6+24)×(200-TEMP)2÷220

P2=3×T2×(P-3 500)÷214

2)不需要補(bǔ)償(200 ℃

T2=0

P2=0

3)高溫補(bǔ)償方式(450 ℃

T2=3×(C6+24)×(450-TEMP)2÷220

P2=T2×(P-10 000)÷213

4)計(jì)算測(cè)量大氣壓和溫度:

TEMP=TEMP-T2

P=P-P2

在溫度很低或者很高的環(huán)境中,二階溫度補(bǔ)償方式尤為有效,可以大幅度減少誤差,見圖5。從圖中得出在正負(fù)極端溫度范圍內(nèi),測(cè)量誤差從10 ℃以上降至1 ℃以內(nèi),溫度補(bǔ)償效果非常明顯。

圖5 二階溫度補(bǔ)償效果

2.2 大氣壓濾波設(shè)計(jì)

為了滿足高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的要求,需要通過數(shù)字濾波器抑制噪聲擾動(dòng),即將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程表示,便可用軟件算法模擬硬件濾波的功能[7],低通濾波算法為:

Yn=αXn+(1-α)Yn-1

(1)

式中:Yn為本次濾波器輸出值;Xn為MS5534B讀出的測(cè)量值;Yn-1為上次濾波器輸出值;α是介于0～1的濾波系數(shù)。濾波系數(shù)的選擇要兼顧數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和海拔高度變化時(shí)數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度,如果α值太小,提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,但降低了海拔高度變化的響應(yīng)速度[1]。因此濾波系數(shù)α最合適的取值,需要根據(jù)雙模導(dǎo)引頭飛行的實(shí)際情況來確定,經(jīng)過50 h以上不同海拔高度飛行測(cè)試論證,最終確定α值為0.25,則低通濾波算法簡(jiǎn)化為:

Yn=0.25Xn+0.75Yn-1

(2)

2.3 大氣壓高度轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)海拔高度

大氣壓高度轉(zhuǎn)換原理是根據(jù)在重力場(chǎng)中大氣壓隨著海拔高度升高逐漸衰減的規(guī)律設(shè)計(jì)。但是大氣壓隨海拔高度的變化關(guān)系受到譬如大氣密度、溫度、濕度等諸多因素響應(yīng),公開資料表明海拔高度每升高1 km,相對(duì)大氣壓大約降低12%,大氣密度降低20%,絕對(duì)濕度隨海拔高度的升高而降低;海拔高度每升高1 km大氣溫度下降5 ℃,最高溫度會(huì)降低5 ℃,平均溫度下降5 ℃。因此國(guó)際上普遍采用美國(guó)頒布的《標(biāo)準(zhǔn)大氣》,該標(biāo)準(zhǔn)將25 km高度以下大氣的大氣層分成兩個(gè)區(qū)域:對(duì)流層和同溫層。在對(duì)流層以內(nèi)海拔高度與大氣溫度呈線性關(guān)系,它的平均海拔高度下限為0 km,而在同溫層大氣溫度則是一個(gè)常值,它的平均海拔高度下限為11 km。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度計(jì)算方程如式(3)、式(5),其中β為大氣溫度垂直梯度,溫度越高標(biāo)準(zhǔn)海拔高度越低,不同高度層對(duì)于不同溫度梯度,如表1所示。PH為測(cè)量大氣壓,不同標(biāo)準(zhǔn)海拔高度對(duì)應(yīng)不同測(cè)量值。

表1 大氣溫度垂直梯度對(duì)應(yīng)表

1)當(dāng)大氣溫度垂直梯度β不為0,標(biāo)準(zhǔn)海拔高度與大氣壓、溫度的關(guān)系為:

(3)

根據(jù)式(3)中:Pb=101.325×103Pa為標(biāo)準(zhǔn)海拔高度0 km的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(平均海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);R=287.052 78 m2/(Ks2)為空氣氣體常數(shù);gb=9.806 65 m/s2為自由落體重力加速度;β=-0.006 5 K/m為大氣溫度垂直梯度;Tb=288.15 K為標(biāo)準(zhǔn)海拔高度0 km的標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度?？梢缘贸鰳?biāo)準(zhǔn)大氣壓高度近似式:

(0 km≤H≤11 km)

(4)

2)大氣溫度垂直梯度β為0,標(biāo)準(zhǔn)海拔高度與大氣壓、溫度的關(guān)系為:

(5)

根據(jù)式(5)中:Pb=226.32×103Pa為標(biāo)準(zhǔn)海拔高度11 km的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;β=0.00 K/m為大氣溫度垂直梯度;Tb=216.65 K為標(biāo)準(zhǔn)海拔高度11 km的標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度。gb和R與式(3)相同,可以得出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度近似式:

(11 km≤H≤25 km)

(6)

2.3.2 修正標(biāo)準(zhǔn)海拔高度誤差

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度轉(zhuǎn)換公式,是假設(shè)大氣壓在垂直方向和水平方向沒有流動(dòng)的理想標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下推導(dǎo)得出的。若在雙模導(dǎo)引頭飛行區(qū)域的大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓不符合的情況下,大氣壓高度轉(zhuǎn)換的測(cè)量海拔高度與平均海拔高度存在原理性的誤差,主要由于基準(zhǔn)平面大氣壓變化、溫度變化、溫度梯度變化造成,原理性誤差可由標(biāo)準(zhǔn)壓高公式的增量方程式(7)求得:

(7)

通過式(8)、式(9)修正由基準(zhǔn)平面大氣壓變化、溫度變化引起的高度誤差,即提高大氣壓變化量ΔHP0和溫度變化量ΔHT0的測(cè)量靈敏度,降低標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度誤差,提高海拔高度測(cè)量的分辨率和精準(zhǔn)度。

(8)

(9)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 測(cè)量高度與大氣壓力和溫度圖

驗(yàn)證方法是通過火箭撬將攜帶激光測(cè)距機(jī)的雙模導(dǎo)引頭拋向高空,通過地面遙測(cè)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)雙模導(dǎo)引頭飛行航姿進(jìn)行控制,同步錄制高度定位系統(tǒng)測(cè)量高度值與采集時(shí)間、激光測(cè)距機(jī)測(cè)量高度值與采集時(shí)間,同時(shí)經(jīng)過無線通信模塊下傳到地面遙測(cè)監(jiān)視系統(tǒng),以下截取2～3 km部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行說明。圖6中的橫坐標(biāo)表示測(cè)量高度,縱坐標(biāo)表示大氣壓力,得出測(cè)量高度隨大氣壓和溫度的降低而升高;圖7中橫坐標(biāo)表示大氣壓,縱坐標(biāo)表示測(cè)量高度(包括激光測(cè)量高度、傳統(tǒng)壓力高度、補(bǔ)償壓力高度),得出壓力高度隨大氣壓降低而升高;圖8中橫坐標(biāo)表示高度誤差,縱坐標(biāo)表示激光測(cè)量高度,傳統(tǒng)壓力高度與激光測(cè)量高度平均誤差(≤±6 m),補(bǔ)償壓力高度與激光測(cè)量高度平均誤差(≤±2 m)。激光器廠商給出激光測(cè)距在3 km以下單次照射最大誤差±50 mm,11 km以下連續(xù)照射最大誤差±1 m左右,從而得出高度定位系統(tǒng)與激光測(cè)距機(jī)的高度誤差在3 km以下最大誤差±2.05 m,11 km以下的最大誤差±3 m,因此高度定位系統(tǒng)的測(cè)量高度在3 km以下為最大誤差±2.05 m,11 km以下的最大誤差±4 m,符合雙模導(dǎo)引頭提出的海拔高度精度要求。

圖7 測(cè)量高度對(duì)比圖

圖8 測(cè)量高度誤差圖

4 結(jié)論

文中通過硬件和軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了一種基于雙模導(dǎo)引頭的高度定位系統(tǒng)。在某型雙模導(dǎo)引頭外場(chǎng)飛控綜合性能測(cè)試和模擬打靶功效測(cè)試的過程中,對(duì)高度定位系統(tǒng)與飛行操控系統(tǒng)在操控實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性能、各系統(tǒng)之間電磁干擾等方面進(jìn)行綜合實(shí)效測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證了高度定位系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前條件下雙模導(dǎo)引頭提出的集成化、小型化、智能化等需求,具有一定的使用價(jià)值和參考性。同時(shí)暴露出在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面存在缺陷,將在某改型多模導(dǎo)引頭研發(fā)過程中逐步進(jìn)行完善。

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