國外航姿器的技術(shù)現(xiàn)狀分析

劉智平，譚 芳

(西安工業(yè)大學 計算機學院，西安 710032)

航向姿態(tài)參考系統(tǒng)的功能是為航行器提供姿態(tài)角信息，最早且最簡單的航姿器就是指南針，現(xiàn)在的航姿器的功能包括提供三軸的角速率、航向角、俯仰角和橫滾角信息［1］。

國外從事MEMS 慣性期間的研究機構(gòu)主要有美國的MIT、CSDL、加州大學、加州理工學院的JPL、斯坦福大學、明尼蘇達州立大學、霍尼韋爾公司、BEI 公司、Crossbow 公司、AD 公司，分布在其它國家的有日本、加拿大、德國、法國、英國、俄羅斯、中國。在微觀性技術(shù)領(lǐng)域，美國的CSDL、斯坦福大學和JPL 一直引領(lǐng)世界潮流。

國內(nèi)低成本的航姿器的研究和開發(fā)也是基于MEMS 慣性傳感器，其中，中航618 所的朱少華等人提出了基于MEMS 器件的大氣航姿系統(tǒng)的設(shè)計思路和算法，樣機進行了車載試驗的驗證。在其提出的思路中，不是僅靠AHRS 來確定航姿的，而是參考了加速度計的輸出信息來估算傾角偏差。為了進一步應用在高機動載體上，參考了大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的輸出［2］。這就比單純利用GPS 數(shù)據(jù)修正姿態(tài)好許多，至少在機動載體上?？哲姽こ檀髮W工程學院的黃國榮等人提出了基于MEMS 器件的軍用航姿系統(tǒng)的設(shè)計思路和算法，所選用的器件為AD 公司的ADIS16405 型IMU，該IMU 包括三個陀螺、三個加速度計、三個磁力計和溫度傳感器。以ARM 處理器LPC2114 作為導航計算機，選用的是等效旋轉(zhuǎn)矢量算法和卡爾曼濾波，姿態(tài)誤差在1 度之內(nèi)［3］。系統(tǒng)的硬件包括:IMU、GPS-OEM 板、ARM 計算機和各種接口。

本文主要研究美國、法國、德國和荷蘭等國在航姿器技術(shù)方面的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析，旨在為我國在此領(lǐng)域的技術(shù)進步有所參考。

1 國外航姿器的技術(shù)現(xiàn)狀

荷蘭的Xsens 公司的代號為MTI -G 的航姿器是一款體積小、重量輕的而且是六自由度的航姿器，它包括MEMS IMU、GPS、磁強計、靜態(tài)氣壓計、溫度傳感器，是一典型的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，能夠提供校正過的地磁數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)。它已應用在空中的飛行器上、地面的車輛上，特別適合應用在持續(xù)、長時間加速運動的載體上。其數(shù)據(jù)更新速率為120 赫茲，計算機選用DSP，主要亮點就是其數(shù)據(jù)融合算法、組合導航算法、誤差補償算法［4］。

技術(shù)指標如下:AHRS 的橫滾和俯仰精度是0.5 度，航向精度是1 度，俯仰測量范圍為±90°，橫滾和航向的測量范圍是±180°，線加速度的測量范圍是±50 m/s2，角速度的測量范圍是±300°/s，磁場的測量范圍是±750 mGauss，GPS 正常時的定位精度2.5 m，初始對準誤差為0.1 度(三軸)，體積為58 ×58 ×33 mm3，質(zhì)量為68 g，功耗最大值為900 毫瓦，最大工作高度18 km，最大速度為515 m/s，數(shù)據(jù)輸出采用RS-232 接口和USB 接口，另配工具箱，可以實時下載數(shù)據(jù)和儲存數(shù)據(jù)，也可直接利用MATLAB、EXCEL 等軟件進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，產(chǎn)品外觀如圖1所示。

圖1 MTI-G 的外觀

美國的MEMSIC 公司的航姿器有AHRS440、AHRS500GA、AHRS510 等型號，其中，AHRS500GA(圖2)已應用于超過500 架的固定翼飛機和旋轉(zhuǎn)翼飛機，是一款標準的基于MEMS 陀螺和加速度計的單獨姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，功耗低于4 瓦，具有自檢測功能，可靠性高。具有接收外部磁強計數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)的RS -422 接口，通過RS -232 接口對外輸出3 個姿態(tài)角、角速度和線加速度。航向精度為2 度，俯仰和橫滾的精度為1 度，角速率的測量范圍是±200°/s，線加速度的測量范圍是±10 g，加計的零偏為15 mg，總質(zhì)量為1.6 kg［5］。

圖2 AHRS500GA

美國的霍尼韋爾公司的航姿器也是實現(xiàn)了系列化，其航姿器AH-2100(圖3)已經(jīng)大批量應用于商業(yè)飛機、坦克、軍用教練機和直升機上。

圖3 AH-2100

它的特點如下:

1)能夠提供極其穩(wěn)定的精確磁航向;

2)可在高緯度地區(qū)工作;

3)MTBF 大于25 000 小時;

4)自動模態(tài)控制邏輯;

5)無需羅經(jīng)控制器;

6)被動式冷卻;

7)ARINC-615 接口便于軟件更新;

8)分時操作系統(tǒng)軟件和芯片;

9)質(zhì)量為4. 8 kg，功耗為20 W，體積為6. 5 × 6. 4 ×6.4inch3，MTBF 大于25 000 小時。

AH-2100 采用了環(huán)形激光陀螺GG1320，加速度計為Q -FLEX QA-950［6］。

美國的Crossbow 公司的AHRS 也是系列化的產(chǎn)品，其中ANC1000 就是一款基于MEMS 傳感器的電路板級AHRS 系統(tǒng)，可集成于組合導航、制導系統(tǒng)中，直徑2.5 英寸，厚度為0.75 英寸，其上有MEMS 陀螺、加速度計、DSP 芯片、嵌入式卡爾曼濾波軟件，具有接受外部數(shù)據(jù)的接口，可接收GPS 信號、磁強計信號［7］。

ANC1000(圖4)的典型應用場合就是無人機、機器人、地面車輛的導航制導系統(tǒng)以及運動穩(wěn)定平臺。

其關(guān)鍵特征包括:

1)單板級高度和航向解;

2)高可靠性的MEMS 傳感器;

3)精度最差為0.2 度;

4)體積為3.7 立方英寸;

5)功耗1.8 W;

6)質(zhì)量為27 g;

7)外部的磁強計和GPS 接口;

8)對振動極不敏感;

9)數(shù)字接口為RS-422。

技術(shù)指標包括:

1)航向范圍為±180°，精度為0.75 度;

2)橫滾范圍為±180°，精度為0.2 度;

3)俯仰范圍為±90°，精度為0.2 度;

4)角速度的測量范圍為±300°/s，帶寬為25 Hz;

5)線加速度的測量范圍為±4 g，加計的零偏為4 mg，帶寬為25 Hz。

圖4 ANC1000

美國的Northrop-Grumman 公司為海軍艦艇研制的AHRS 也實現(xiàn)了系列化。以MK27F 為例，其外觀如圖5 所示［8］。

它采用了光纖陀螺，姿態(tài)輸出速率為60 Hz 或400 Hz。

具體的性能指標如下:

1)航向精度0.35 度，俯仰角和橫滾角的精度為0.1 度;

2)MTBF 大于9 000 小時;

3)粗對準時間短于25 min;

4)尺寸為31.2 ×34.8 ×41.8cm3;

5)質(zhì)量為25 kg;

6)功耗50 W。

圖5 MK27F

德國的iMAR 公司除了慣導系統(tǒng)的研制和慣性傳感器研制外，AHRS 也是其主要產(chǎn)品之一。該公司研制的航姿器iVRUSNQ，它包括三個MEMS 陀螺和三個伺服加速度計，用于測量載體的角速度和線速度或者其增量，采用RS-232 接口，同時也可外接GPS 數(shù)據(jù)和磁強計的數(shù)據(jù)，俯仰和航向精度為0.2 度，在載體機動時，俯仰和航向的精度降到2 度，三個軸的對準精度為3.4 角分［9］。

該產(chǎn)品的外觀如圖6 所示。

圖6 iVRU-SNQ

其角度分辨率為0.01 度，質(zhì)量為1.8 kg，體積為152 ×127×130 mm3，RS-232 接口，可應用于海軍艦艇、直升機、固定翼飛機和地面車輛的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)。

法國的SAGEM 公司為海軍艦艇生產(chǎn)了一款集AHRS 和導航系統(tǒng)為一體的型號為SIGMA 40 的產(chǎn)品，外觀如圖7 所示［10］。

圖7 SIGMA 40

該款產(chǎn)品主要為水面艦艇設(shè)計，滿足軍方的要求，完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)。既可用于導航，也可用于武器系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定。它采用法國最成熟的環(huán)形激光陀螺組成捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，具有自動標定功能。經(jīng)過海軍的實驗驗證，堅固且緊湊。

它能提供的數(shù)據(jù)包括:航向角、俯仰角、橫滾角、體軸角速率、位置、水平方向的速度和加速度、垂直方向的速度和加速度。

技術(shù)指標如下:

1)尺寸為285 ×225 ×410mm3，質(zhì)量為24 kg;

2)功耗小于70 W;

3)MTBF 大于35 000 小時;

4)8個RS422 數(shù)字接口;

5)航向誤差小于3 角分，俯仰和橫滾小于1 角分;

6)自主導航8 h 的位置誤差小于1 海里，資助導航24 h 的位置誤差小于1.5 海里;

7)通電后6 min 輸出導航數(shù)據(jù);

8)通電后20 min 輸出全部導航數(shù)據(jù);

其他國家的AHRS 的介紹在此略去。

2 發(fā)展趨勢預測

從上述國家的航姿器的性能指標、結(jié)構(gòu)組成上，我們可以大致做出如下的趨勢預測:

1)低成本化。

2)高精度化。

3)高度集成化:將IMU、磁強計、GPS、里程計、高度表的數(shù)據(jù)融合在一起。

4)應用范圍不斷擴大:從目前的軍用市場將拓展到民用市場。

3 結(jié)論

本文的研究工作是在大量地閱讀了國外的相關(guān)企業(yè)的網(wǎng)頁后，針對其航向姿態(tài)參考系統(tǒng)方面的信息進行收集和整理，主要列舉了美國、德國、法國和荷蘭的公司的航姿器的性能指標、圖片和主要特征介紹，最后以此為基礎(chǔ)進行了AHRS 的發(fā)展趨勢的預測，旨在為我國在此領(lǐng)域的技術(shù)進步提供參考。

［1］張麗杰，常佶. 微小型航姿測量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)融合方法［J］.中國慣性技術(shù)學報，2011，19(3):307 -312.

［2］朱少華，汪芳.一種適用于高動態(tài)制導飛行的大氣航姿系統(tǒng)算法［J］.彈箭與制導學報，2011，31(4):14 -16.

［3］杜繼永，黃國榮.基于低成本MEMS 器件的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學報，2010，23(11):1662 -1666.