飛行中大氣數據減少誤差的研究

吳乃亮 符文壯

摘? 要：本文介紹了飛行中使用壓力傳感器對飛行高度、指示空速、升降速度進行測量的必要性，對大氣數據的測量原理進行了介紹。列出了大氣壓力的解算方程，氣壓高度、指示空速的計算公式，分析了壓力傳感器的誤差來源，通過數據仿真計算，認為壓力傳感器的頻率和溫壓數據的采集，是影響大氣數據誤差的主要來源。通過壓力傳感器的頻率和溫壓數據的采集電路優化，并結合軟件濾波、壓力數據修正的手段減少誤差，確保解算的大氣數據可以滿足飛行的精度要求。

關鍵詞：大氣數據;壓力傳感器;采集電路優化;飛行參數

中圖分類號：V249;TP212? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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。現代衛星通信技術日益完善，可以方便地采用衛星定位獲取飛行信息并進行衛星導航[1]。但在軍事用途的飛機上，一旦衛星信號被干擾或被切斷，飛行將受到嚴重影響。因此，飛機使用自身的儀器儀表來進行飛行參數的測量，而不依賴衛星、無線電臺等外部資源，是必要的技術。大氣數據儀表通過壓力傳感器，對大氣壓力進行測量，從而對飛行高度、指示空速、升降速度等飛行參數進行測量，是一種常用的技術手段。如何減少測量誤差，是大氣數據儀表研制中的重要課題。

1? 大氣數據測試原理

飛行高度、指示空速、升降速度（本文統稱大氣數據）測量的原理，是使用兩個壓力傳感器，分別對空中飛行的靜壓、全壓進行測試，根據靜壓和全壓的數據，通過軟件計算出大氣數據。由于溫度是影響壓力傳感器線性度的主要原因，因此溫度漂移效應補償研究成為眾所關注的課題[2]。

基于微機電系統技術的硅微機械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長期穩定性最好的壓力傳感器之一，非常適合對精度和長期穩定性要求嚴格的航空航天、工業過程控制和其他精密測試場合[3]。

在研究過程中，我們使用GE公司生產的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如表1所示。

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

兩個壓力傳感器，分別計算出來的壓力值為靜壓Ps、全壓Pt，動壓Pc可以由PS和Pt計算出來。

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

按照既定規格，使用2只壓力傳感器進行計算，發現頻率F的采集誤差大于0.1Hz，或溫壓T的采集誤差0.2mV時，壓力值P的計算結果出現偏差，帶來誤差。誤差的理論計算結果，如表2所示。

因此，在壓力傳感器的頻率F和溫壓T的數據采集中，誤差應小于0.1Hz、0.2mV，計算結果才較為準確，誤差在±0.05hPa范圍內。控制壓力傳感器輸出數據的采集精度，是確保大氣數據準確的關鍵。壓力值P的修訂、大氣數據的軟件計算，通常情況下較為容易控制，工程上也有較多的案例，帶來的誤差相對較小。

3? 數據采集的電路優化

3.1? 基本電路的數據采集

壓力傳感器的頻率信號輸入到FPGA進行采集，如圖1所示，頻率信號為F_F0、F_F1，FPGA進行采集，得到準確的頻率。壓力傳感器的溫壓信號輸入到MCU進行AD轉換采集，如圖2所示，頻率信號為AINF0、AINF1，MCU完成AD采集溫壓信號后，在內部進行相關算法解算，得到相應的溫度。最后，綜合頻率和溫度在內部進行相關算法解算，得出壓力值。

在室溫下對壓力傳感器進行10次數據采集，如表3所示。對表3中的頻率F和溫壓T，代入公式（1）進行理論計算，可以得出壓力傳感器的理論氣壓，具體如表4所示。

從表4的理論計算結果看，2只壓力傳感器理論計算氣壓值的最大差值分別為0.15hPa、0.21hPa，這個結果對大氣數據的誤差影響比較大，超出了公差范圍。

3.2? 電路優化

采用電路優化，頻率采集電路上使用高精度溫補晶振時鐘進行頻率采集，如圖3所示，改用高精度溫補晶振可以減少溫度變化帶來的時鐘頻率變化、相位偏移等相關問題，盡量確保較大溫度范圍內時鐘頻率準確。穩壓采集電路上使用放大器對穩壓信號進行增益和跟隨輸出后再進行采集，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的穩定性，確保穩壓信號更加準確。

對表5中的頻率F和溫壓T，代入式（1）進行理論計算，可以得出壓力傳感器的理論氣壓，具體如表6所示。

從表5的理論計算結果看，2只壓力傳感器理論計算氣壓值的最大差值，都有明顯的下降，分別為0.05hPa、0.08hPa，這個結果雖對大氣數據的誤差還有一定的影響，但基本可以接受。

4? 大氣數據的軟件濾波和壓力值修正

測量系統在隨飛機運行時，會遇到不同的復雜環境，如溫度、氣流、水汽、電磁等環境干擾造成壓力傳感器或者電路輸出發生瞬間變化，會導致全壓、靜壓計算出現較大的誤差。通常情況下，大氣數據解算的過程中，可以使用軟件對數據進行濾波，剔除突發的尖峰數據，采用積分的方法來抵消瞬間誤差對計算結果的影響。

通過精密的大氣數據測試儀對壓力傳感器進行模擬測試，對壓力值的計算結果進行對比修正，可以在不同的溫度范圍、壓力范圍對曲線進行修正，在工程應用中得到廣泛的使用。

通過電子電路的優化方案，再結合大氣數據計算的軟件濾波和壓力值修正，對誤差的控制可以達到良好的效果。

5? 結? 論

通過對壓力傳感器的輸出性能分析，導致大氣數據計算誤差的主要因素是壓力傳感器輸出數據采集的誤差，在工程應用上可以使用優化電路提高數據精度，從而減少計算誤差，并通過軟件濾波和壓力值修正等輔助手段，確保大氣數據解算的結果在精度上滿足飛行使用的要求。

參考文獻：

[1] 辛宇鵬.北斗衛星導航系統在軍用飛機上的應用 [J].軍民兩用技術與產品，2016（10）：36.

[2] 張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發展、現狀與未來 [J].半導體雜志，2000（1）：47-50.

[3] 苑偉政，任森，鄧進軍，等.硅微機械諧振壓力傳感器技術發展 [J].機械工程學報，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據系統的實現 [J].計算機測量與控制，2008，16（12）：1999-2002.

[5] 揭峰，嚴家明，李永恒，等.基于單片機的無人機指示空速測量系統設計 [J].傳感器與微系統，2010，29（7）：90-92+95.

作者簡介：吳乃亮（1974-），男，漢族，廣東平遠人，工程師，學士，研究方向：航空電子設備、儀表研究;符文壯（1991-），男，漢族，海南東方人，工程師，學士，研究方向：航空電子設備、儀表研究。