飞行中大气数据减少误差的研究

吴乃亮 符文壮

摘  要：本文介绍了飞行中使用压力传感器对飞行高度、指示空速、升降速度进行测量的必要性，对大气数据的测量原理进行了介绍。列出了大气压力的解算方程，气压高度、指示空速的计算公式，分析了压力传感器的误差来源，通过数据仿真计算，认为压力传感器的频率和温压数据的采集，是影响大气数据误差的主要来源。通过压力传感器的频率和温压数据的采集电路优化，并结合软件滤波、压力数据修正的手段减少误差，确保解算的大气数据可以满足飞行的精度要求。

关键词：大气数据;压力传感器;采集电路优化;飞行参数

中图分类号：V249;TP212      文献标识码：A 文章编号：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

飞机在空中飞行的过程中，飞行员需要知道飞行高度、指示空速、升降速度等飞行参数。现代卫星通信技术日益完善，可以方便地采用卫星定位获取飞行信息并进行卫星导航[1]。但在军事用途的飞机上，一旦卫星信号被干扰或被切断，飞行将受到严重影响。因此，飞机使用自身的仪器仪表来进行飞行参数的测量，而不依赖卫星、无线电台等外部资源，是必要的技术。大气数据仪表通过压力传感器，对大气压力进行测量，从而对飞行高度、指示空速、升降速度等飞行参数进行测量，是一种常用的技术手段。如何减少测量误差，是大气数据仪表研制中的重要课题。

1  大气数据测试原理

飞行高度、指示空速、升降速度（本文统称大气数据）测量的原理，是使用两个压力传感器，分别对空中飞行的静压、全压进行测试，根据静压和全压的数据，通过软件计算出大气数据。由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因，因此温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题[2]。

基于微机电系统技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，非常适合对精度和长期稳定性要求严格的航空航天、工业过程控制和其他精密测试场合[3]。

在研究过程中，我们使用GE公司生产的2款RPS81000系列硅谐振式压力传感器。选用的压力传感器的主要参数如表1所示。

压力传感器可以在15V直流电的电源供应下进行独立工作，通过腔体内部的气压，产生并输出温压信号T（mV）和频率信号F（Hz）。通过温压信号T和频率信号F，可以通过以下公式[4]计算出压力值P（hPa）：

两个压力传感器，分别计算出来的压力值为静压Ps、全压Pt，动压Pc可以由PS和Pt计算出来。

飞行高度H、指示空速Vi可以通过式（5）、式（6）[6]，非常方便地用计算机软件计算出来。

按照既定规格，使用2只压力传感器进行计算，发现频率F的采集误差大于0.1Hz，或温压T的采集误差0.2mV时，压力值P的计算结果出现偏差，带来误差。误差的理论计算结果，如表2所示。

因此，在压力传感器的频率F和温压T的数据采集中，误差应小于0.1Hz、0.2mV，计算结果才较为准确，误差在±0.05hPa范围内。控制压力传感器输出数据的采集精度，是确保大气数据准确的关键。压力值P的修订、大气数据的软件计算，通常情况下较为容易控制，工程上也有较多的案例，带来的误差相对较小。

3  数据采集的电路优化

3.1  基本电路的数据采集

压力传感器的频率信号输入到FPGA进行采集，如图1所示，频率信号为F_F0、F_F1，FPGA进行采集，得到准确的频率。压力传感器的温压信号输入到MCU进行AD转换采集，如图2所示，频率信号为AINF0、AINF1，MCU完成AD采集溫压信号后，在内部进行相关算法解算，得到相应的温度。最后，综合频率和温度在内部进行相关算法解算，得出压力值。

在室温下对压力传感器进行10次数据采集，如表3所示。对表3中的频率F和温压T，代入公式（1）进行理论计算，可以得出压力传感器的理论气压，具体如表4所示。

从表4的理论计算结果看，2只压力传感器理论计算气压值的最大差值分别为0.15hPa、0.21hPa，这个结果对大气数据的误差影响比较大，超出了公差范围。

3.2  电路优化

采用电路优化，频率采集电路上使用高精度温补晶振时钟进行频率采集，如图3所示，改用高精度温补晶振可以减少温度变化带来的时钟频率变化、相位偏移等相关问题，尽量确保较大温度范围内时钟频率准确。稳压采集电路上使用放大器对稳压信号进行增益和跟随输出后再进行采集，如图4所示，增益后可以有效减少电源上纹波带来的干扰，跟随输出可以增加增益后信号的稳定性，确保稳压信号更加准确。

对表5中的频率F和温压T，代入式（1）进行理论计算，可以得出压力传感器的理论气压，具体如表6所示。

从表5的理论计算结果看，2只压力传感器理论计算气压值的最大差值，都有明显的下降，分别为0.05hPa、0.08hPa，这个结果虽对大气数据的误差还有一定的影响，但基本可以接受。

4  大气数据的软件滤波和压力值修正

测量系统在随飞机运行时，会遇到不同的复杂环境，如温度、气流、水汽、电磁等环境干扰造成压力传感器或者电路输出发生瞬间变化，会导致全压、静压计算出现较大的误差。通常情况下，大气数据解算的过程中，可以使用软件对数据进行滤波，剔除突发的尖峰数据，采用积分的方法来抵消瞬间误差对计算结果的影响。

通过精密的大气数据测试仪对压力传感器进行模拟测试，对压力值的计算结果进行对比修正，可以在不同的温度范围、压力范围对曲线进行修正，在工程应用中得到广泛的使用。

通过电子电路的优化方案，再结合大气数据计算的软件滤波和压力值修正，对误差的控制可以达到良好的效果。

5  结  论

通过对压力传感器的输出性能分析，导致大气数据计算误差的主要因素是压力传感器输出数据采集的误差，在工程应用上可以使用优化电路提高数据精度，从而减少计算误差，并通过软件滤波和压力值修正等辅助手段，确保大气数据解算的结果在精度上满足飞行使用的要求。

参考文献：

[1] 辛宇鹏.北斗卫星导航系统在军用飞机上的应用 [J].军民两用技术与产品，2016（10）：36.

[2] 张晓群，吕惠民.压力传感器的发展、现状与未来 [J].半导体杂志，2000（1）：47-50.

[3] 苑伟政，任森，邓进军，等.硅微机械谐振压力传感器技术发展 [J].机械工程学报，2013，49（20）：2-9.

[4] 常麗敏，齐兴龙，董庆伟.基于硅谐振压力传感器的大气数据系统的实现 [J].计算机测量与控制，2008，16（12）：1999-2002.

[5] 揭峰，严家明，李永恒，等.基于单片机的无人机指示空速测量系统设计 [J].传感器与微系统，2010，29（7）：90-92+95.

作者简介：吴乃亮（1974-），男，汉族，广东平远人，工程师，学士，研究方向：航空电子设备、仪表研究;符文壮（1991-），男，汉族，海南东方人，工程师，学士，研究方向：航空电子设备、仪表研究。