[發(fā)明專利]一種捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210036336.4
• 申請(qǐng)日: 2012-02-17
• 公開（公告）號(hào): CN102539831A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周璐;齊建宇;劉晴晴;譚新洪;王浩;路靜;鐘穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航天自動(dòng)控制研究所;中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G01P15/13
• 分類號(hào): G01P15/13
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種適用于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中加速度計(jì)的信號(hào)采集、測(cè)量與處理技術(shù)。

背景技術(shù)

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種依靠固聯(lián)在載體上的慣性器件(加速度計(jì)、陀螺儀)來(lái)獲得絕對(duì)加速度，然后通過(guò)兩次積分得到載體在一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系中的位置，從而達(dá)到導(dǎo)航目的的一種“自主式導(dǎo)航系統(tǒng)”。在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，加速度計(jì)用于測(cè)量載體沿某一方向的線加速度，經(jīng)過(guò)必要的積分運(yùn)算和坐標(biāo)變換，確定載體相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的瞬時(shí)速度和位置。當(dāng)載體的加速度參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，加速度計(jì)就會(huì)檢測(cè)到這種變化量，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。加速度計(jì)作為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件，其精度高低和性能優(yōu)劣直接決定了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能。加速度計(jì)的精度，不僅包括加速度計(jì)器件本身的精度，還包括其信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的精度。

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)加速度計(jì)儀表的精度和性能不斷提高，測(cè)量范圍能達(dá)到±20g以上，閾值可以達(dá)到10^-5～10^-6g，然而國(guó)內(nèi)加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的精度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加速度計(jì)器件本身的精度。為了能實(shí)時(shí)的獲得高分辨率的加速度信號(hào)，對(duì)加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的精度、測(cè)量范圍和實(shí)時(shí)性都提出了很高的要求。高精度石英撓性加速度計(jì)的輸出多為模擬電流信號(hào)，加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的功能就是將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供DSP使用的數(shù)字信號(hào)。通常，采用高精度的電阻將加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，再用加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換有兩種方法：再經(jīng)過(guò)壓頻(V/F)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)從而得到相應(yīng)的數(shù)字量；或者通過(guò)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器直接將輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP可處理的數(shù)字信號(hào)。

采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，它采用積分型電荷平衡式變換原理，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，不存在丟失信息的問(wèn)題；另外，其變換過(guò)程就是對(duì)電壓的不斷積分，可對(duì)噪聲或變化很快的輸入信號(hào)進(jìn)行平滑，具有良好的抗干擾性能，且不占用計(jì)算機(jī)資源。但是，采用V/F轉(zhuǎn)換器，隨著時(shí)鐘頻率的增加線性誤差也相應(yīng)的增加；而減小時(shí)鐘頻率后，如果輸入的電壓值過(guò)小，電荷需要累積很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，這段時(shí)間是采樣盲區(qū)，將沒(méi)有任何信號(hào)輸出。因此，單純采用V/F轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度慢，信號(hào)分辨率低，在采樣點(diǎn)精度不高。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器，其標(biāo)度系數(shù)的穩(wěn)定性取決于所用的參考電壓的穩(wěn)定性，其零點(diǎn)漂移取決于A/D轉(zhuǎn)換芯片本身的漂移穩(wěn)定性，通常受A/D轉(zhuǎn)換芯片的工作電壓、時(shí)鐘頻率、溫度的影響。比起V/F轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于，具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快、多路信號(hào)輸入時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要穩(wěn)定時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。但A/D采樣的缺點(diǎn)在于，采樣信號(hào)沒(méi)有積分特性，所以抑制噪聲能力較弱，動(dòng)態(tài)范圍有時(shí)不能滿足系統(tǒng)要求。

另外捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)，其對(duì)角速度信號(hào)和線速度信號(hào)的采集和系統(tǒng)信息處理都有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)系統(tǒng)的信息處理速度有很高的要求。DSP除了采集加速度計(jì)信號(hào)外還需采集其他信號(hào)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航解算，因此，在采集加速度計(jì)信號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量采用外圍邏輯電路來(lái)完成，讓DSP有更多的時(shí)間用于控制各種量的收發(fā)和系統(tǒng)的解算。

國(guó)內(nèi)關(guān)于加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究情況如下：

V/F轉(zhuǎn)換大多采用VFC芯片完成，常用的有AD公司的AD650、AD652和AD7742；美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMx31系列；TI公司的VFC62、VFC110等。A/D轉(zhuǎn)換的發(fā)展是以A-∑型高精度ADC的研制成功為基礎(chǔ)的。將Δ-∑型A/D應(yīng)用于加速度計(jì)輸出信號(hào)測(cè)量，可以通過(guò)新型數(shù)模轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理理論解決“小體積，大動(dòng)態(tài)”的問(wèn)題。過(guò)去使用的A/D變換器主要有積分型、逐次比較型和并聯(lián)型三種。積分型主要用于數(shù)字多用表，精度高但速度低，這不是一種能夠滿足將來(lái)技術(shù)發(fā)展要求的方法。對(duì)于并聯(lián)型，設(shè)分辨率為n?bit，要使用2n個(gè)比較器，這樣可以快速的將輸入電壓變換成相應(yīng)的數(shù)字碼。雖然這種方法速度極快，但是分辨率在10bit以上時(shí)實(shí)現(xiàn)比較困難，硬件規(guī)模太大，成本難以下降。逐次比較型內(nèi)部有一個(gè)D/A變換器，通過(guò)二分探索法求一數(shù)字碼，使其對(duì)應(yīng)的電壓最接近于輸入電壓，這種方法用MOS集成電路時(shí)，D/A變換是用大量的電容構(gòu)成的，制造工藝難以實(shí)現(xiàn)。