飛行中大氣數(shù)據(jù)減少誤差的研究

吳乃亮 符文壯

摘? 要：本文介紹了飛行中使用壓力傳感器對(duì)飛行高度、指示空速、升降速度進(jìn)行測(cè)量的必要性，對(duì)大氣數(shù)據(jù)的測(cè)量原理進(jìn)行了介紹。列出了大氣壓力的解算方程，氣壓高度、指示空速的計(jì)算公式，分析了壓力傳感器的誤差來源，通過數(shù)據(jù)仿真計(jì)算，認(rèn)為壓力傳感器的頻率和溫壓數(shù)據(jù)的采集，是影響大氣數(shù)據(jù)誤差的主要來源。通過壓力傳感器的頻率和溫壓數(shù)據(jù)的采集電路優(yōu)化，并結(jié)合軟件濾波、壓力數(shù)據(jù)修正的手段減少誤差，確保解算的大氣數(shù)據(jù)可以滿足飛行的精度要求。

關(guān)鍵詞：大氣數(shù)據(jù);壓力傳感器;采集電路優(yōu)化;飛行參數(shù)

中圖分類號(hào)：V249;TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0025-04

Abstract：This paper introduces the necessity of using pressure sensor in flight is introduced，for flying height，indicated airspeed and altitude rate measured. Introduce the measuring principle of atmospheric data. The solution equation of atmospheric pressure is listed;flying height and indicated airspeed calculation formula are listed too. Analyze the deviation resource of the Pressure Sensor. Computation by data simulation，the data acquisition of output frequency and temperature pressure of pressure sensor，is considered the main deviation source. By optimizing the acquisition circuit of pressure sensor frequency and temperature and pressure data，and combining with software filtering and pressure data correction，the error is reduced to ensure that the calculated atmospheric data can meet the flight accuracy requirements.

Keywords：atmospheric data;pressure sensor;acquisition circuit optimization;flight parameters

0? 引? 言

飛機(jī)在空中飛行的過程中，飛行員需要知道飛行高度、指示空速、升降速度等飛行參數(shù)。現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)日益完善，可以方便地采用衛(wèi)星定位獲取飛行信息并進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航[1]。但在軍事用途的飛機(jī)上，一旦衛(wèi)星信號(hào)被干擾或被切斷，飛行將受到嚴(yán)重影響。因此，飛機(jī)使用自身的儀器儀表來進(jìn)行飛行參數(shù)的測(cè)量，而不依賴衛(wèi)星、無線電臺(tái)等外部資源，是必要的技術(shù)。大氣數(shù)據(jù)儀表通過壓力傳感器，對(duì)大氣壓力進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)飛行高度、指示空速、升降速度等飛行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，是一種常用的技術(shù)手段。如何減少測(cè)量誤差，是大氣數(shù)據(jù)儀表研制中的重要課題。

1? 大氣數(shù)據(jù)測(cè)試原理

飛行高度、指示空速、升降速度（本文統(tǒng)稱大氣數(shù)據(jù)）測(cè)量的原理，是使用兩個(gè)壓力傳感器，分別對(duì)空中飛行的靜壓、全壓進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)靜壓和全壓的數(shù)據(jù)，通過軟件計(jì)算出大氣數(shù)據(jù)。由于溫度是影響壓力傳感器線性度的主要原因，因此溫度漂移效應(yīng)補(bǔ)償研究成為眾所關(guān)注的課題[2]。

基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性最好的壓力傳感器之一，非常適合對(duì)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的航空航天、工業(yè)過程控制和其他精密測(cè)試場(chǎng)合[3]。

在研究過程中，我們使用GE公司生產(chǎn)的2款RPS81000系列硅諧振式壓力傳感器。選用的壓力傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

壓力傳感器可以在15V直流電的電源供應(yīng)下進(jìn)行獨(dú)立工作，通過腔體內(nèi)部的氣壓，產(chǎn)生并輸出溫壓信號(hào)T（mV）和頻率信號(hào)F（Hz）。通過溫壓信號(hào)T和頻率信號(hào)F，可以通過以下公式[4]計(jì)算出壓力值P（hPa）：

兩個(gè)壓力傳感器，分別計(jì)算出來的壓力值為靜壓Ps、全壓Pt，動(dòng)壓Pc可以由PS和Pt計(jì)算出來。

飛行高度H、指示空速Vi可以通過式（5）、式（6）[6]，非常方便地用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出來。

按照既定規(guī)格，使用2只壓力傳感器進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)頻率F的采集誤差大于0.1Hz，或溫壓T的采集誤差0.2mV時(shí)，壓力值P的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，帶來誤差。誤差的理論計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

因此，在壓力傳感器的頻率F和溫壓T的數(shù)據(jù)采集中，誤差應(yīng)小于0.1Hz、0.2mV，計(jì)算結(jié)果才較為準(zhǔn)確，誤差在±0.05hPa范圍內(nèi)?？刂茐毫鞲衅鬏敵鰯?shù)據(jù)的采集精度，是確保大氣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。壓力值P的修訂、大氣數(shù)據(jù)的軟件計(jì)算，通常情況下較為容易控制，工程上也有較多的案例，帶來的誤差相對(duì)較小。

3? 數(shù)據(jù)采集的電路優(yōu)化

3.1? 基本電路的數(shù)據(jù)采集

壓力傳感器的頻率信號(hào)輸入到FPGA進(jìn)行采集，如圖1所示，頻率信號(hào)為F_F0、F_F1，F(xiàn)PGA進(jìn)行采集，得到準(zhǔn)確的頻率。壓力傳感器的溫壓信號(hào)輸入到MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換采集，如圖2所示，頻率信號(hào)為AINF0、AINF1，MCU完成AD采集溫壓信號(hào)后，在內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)算法解算，得到相應(yīng)的溫度。最后，綜合頻率和溫度在內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)算法解算，得出壓力值。

在室溫下對(duì)壓力傳感器進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集，如表3所示。對(duì)表3中的頻率F和溫壓T，代入公式（1）進(jìn)行理論計(jì)算，可以得出壓力傳感器的理論氣壓，具體如表4所示。

從表4的理論計(jì)算結(jié)果看，2只壓力傳感器理論計(jì)算氣壓值的最大差值分別為0.15hPa、0.21hPa，這個(gè)結(jié)果對(duì)大氣數(shù)據(jù)的誤差影響比較大，超出了公差范圍。

3.2? 電路優(yōu)化

采用電路優(yōu)化，頻率采集電路上使用高精度溫補(bǔ)晶振時(shí)鐘進(jìn)行頻率采集，如圖3所示，改用高精度溫補(bǔ)晶振可以減少溫度變化帶來的時(shí)鐘頻率變化、相位偏移等相關(guān)問題，盡量確保較大溫度范圍內(nèi)時(shí)鐘頻率準(zhǔn)確。穩(wěn)壓采集電路上使用放大器對(duì)穩(wěn)壓信號(hào)進(jìn)行增益和跟隨輸出后再進(jìn)行采集，如圖4所示，增益后可以有效減少電源上紋波帶來的干擾，跟隨輸出可以增加增益后信號(hào)的穩(wěn)定性，確保穩(wěn)壓信號(hào)更加準(zhǔn)確。

對(duì)表5中的頻率F和溫壓T，代入式（1）進(jìn)行理論計(jì)算，可以得出壓力傳感器的理論氣壓，具體如表6所示。

從表5的理論計(jì)算結(jié)果看，2只壓力傳感器理論計(jì)算氣壓值的最大差值，都有明顯的下降，分別為0.05hPa、0.08hPa，這個(gè)結(jié)果雖對(duì)大氣數(shù)據(jù)的誤差還有一定的影響，但基本可以接受。

4? 大氣數(shù)據(jù)的軟件濾波和壓力值修正

測(cè)量系統(tǒng)在隨飛機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)遇到不同的復(fù)雜環(huán)境，如溫度、氣流、水汽、電磁等環(huán)境干擾造成壓力傳感器或者電路輸出發(fā)生瞬間變化，會(huì)導(dǎo)致全壓、靜壓計(jì)算出現(xiàn)較大的誤差。通常情況下，大氣數(shù)據(jù)解算的過程中，可以使用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除突發(fā)的尖峰數(shù)據(jù)，采用積分的方法來抵消瞬間誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

通過精密的大氣數(shù)據(jù)測(cè)試儀對(duì)壓力傳感器進(jìn)行模擬測(cè)試，對(duì)壓力值的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比修正，可以在不同的溫度范圍、壓力范圍對(duì)曲線進(jìn)行修正，在工程應(yīng)用中得到廣泛的使用。

通過電子電路的優(yōu)化方案，再結(jié)合大氣數(shù)據(jù)計(jì)算的軟件濾波和壓力值修正，對(duì)誤差的控制可以達(dá)到良好的效果。

5? 結(jié)? 論

通過對(duì)壓力傳感器的輸出性能分析，導(dǎo)致大氣數(shù)據(jù)計(jì)算誤差的主要因素是壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)采集的誤差，在工程應(yīng)用上可以使用優(yōu)化電路提高數(shù)據(jù)精度，從而減少計(jì)算誤差，并通過軟件濾波和壓力值修正等輔助手段，確保大氣數(shù)據(jù)解算的結(jié)果在精度上滿足飛行使用的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 辛宇鵬.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用 [J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（10）：36.

[2] 張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來 [J].半導(dǎo)體雜志，2000（1）：47-50.

[3] 苑偉政，任森，鄧進(jìn)軍，等.硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)發(fā)展 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（20）：2-9.

[4] 常麗敏，齊興龍，董慶偉.基于硅諧振壓力傳感器的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（12）：1999-2002.

[5] 揭峰，嚴(yán)家明，李永恒，等.基于單片機(jī)的無人機(jī)指示空速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（7）：90-92+95.

作者簡(jiǎn)介：吳乃亮（1974-），男，漢族，廣東平遠(yuǎn)人，工程師，學(xué)士，研究方向：航空電子設(shè)備、儀表研究;符文壯（1991-），男，漢族，海南東方人，工程師，學(xué)士，研究方向：航空電子設(shè)備、儀表研究。