平流層空域處于飛行高度最高的飛機和軌道最低的衛星之間，加之其具有良好的電磁特性和非常穩定的氣象條件，因此人們不斷地嘗試利用平流層飛艇作為可長期駐空的平臺進行通信、對地觀測、國土資源監測和預警等。由于飛艇具有獨特的優勢：可直升、可長時間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點，被人們稱為“多功能航空器”^[1]，因此世界各國都在飛艇方面開展了多種多樣的研究。
　　鑒于平流層高空飛艇組合導航系統設計的復雜性，工程中利用低空飛艇對其進行驗證分析。由于低空飛艇所提供的升力有限，因此組合導航系統的小型化及經濟化勢在必行。針對這種現狀，本文設計了基于DSP+MCU的專用導航計算機。小型驗證飛艇飛行試驗驗證了該系統可滿足實時性和精度的要求，為平流層飛艇的研制打下了基礎。
1 組合導航系統的基本原理
1.1 導航器件的特性
　　慣性導航系統是一種計算機技術和慣性測量" title="慣性測量">慣性測量裝置組合的自主式空間基準保持系統，在航天、航空、航海及陸地車輛上有著廣泛的應用。根據結構可將其分為兩大類：平臺式和捷聯式。捷聯式慣導系統將慣性測量元件(陀螺和加速度計" title="加速度計">加速度計)固連在載體上，省去了傳統的機電平臺，具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低的優點^[2]。其中,微慣性測量組合(MIMU)與傳統的慣性組合相比由于具有尺寸小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長、可靠性高和動態性能好等一系列無法比擬的優點，因此其應用前景也越來越廣闊，是當今慣性技術發展的一個重要方向^[3]。基于本系統的具體應用領域，本組合導航系統選用捷聯式微慣性測量組合(SMIMU)。
　　GPS具有定位精度高、價格低廉等優勢，在許多領域得到了廣泛的應用。介紹其工作原理的文獻^[4]比較多，在此不再贅述。
1.2 組合系統的狀態方程
　　選取狀態變量為慣導系統的各誤差項，系統采用東北天為其導航坐標系，通過對系統的性能和各種誤差源的分析，得到組合導航系統的狀態方程為：

1.3 量測方程
　　在位置、速度組合模式中有兩組量測值：慣導系統給出的經度、緯度、高度信息和GPS接收機給出的相應信息的差值；兩個系統給出的速度差值。利用這兩組差值可得SMINS/GPS組合的量測方程為：

　　實際載體中，將組合導航系統測量得到的各種參量送入導航計算機，經過一定的數據融合后對載體進行相應的控制。
2 系統硬件設計
　　長期以來捷聯導航計算機一直采用X86為核心的計算機結構，這不僅使得系統結構復雜、體積龐大、功耗較高，并且程序效率和直接操作硬件的靈活性都受到影響。因此本系統中采用運算精度高、接口資源豐富、成本低廉的高速 DSP作為核心運算單元。
2.1 主要硬件特征
　　本系統導航計算任務由高速DSP完成，型號選用TI公司最新推出的32位定點DSP控制器——TMS320F2812芯片。該處理器采用程序與數據分離的哈佛結構，提升了數據吞吐量。其頻率高達150MHz，大大提高了控制系統的控制精度及核芯片處理能力；集成了128KB的閃存、4KB的引導ROM及2KB的OTP ROM，可用于軟件開發及對現場軟件進行升級時的簡單再編程；優化過的事件管理器包括脈沖寬度調制(PWM)產生器、可編程通用計時器以及捕捉譯碼接口等；片上標準通信接口可為主機、測試設備、顯示器及其他組件提供簡便的通信端口^[5]。這些特性使得TMS320F2812非常適合計算量大、實時性強、對計算精度要求高、接口復雜的處理環境。
　　利用MCU完成數據采集、接口擴展、電源開發和人機交互的功能，型號選為Cygnal公司的C8051F021。該芯片采用流水線結構，大大提高了指令運行速度，最大速度可達25MIPS。其含有豐富的數字外設，包括4個8位I/O端口，可同時使用的硬件包括SMBus、SPI和兩個增強型UART串口，5個通用的16位計數器/定時器，專用的看門狗定時器。該芯片的時鐘頻率達到25MHz。作為導航計算機的從處理器，該芯片能夠方便地擴展接口，實時采集各路傳感器信號。
2.2 基于DSP的系統硬件組成
　　基于DSP的硬件結構如圖1所示。慣性測量元件包括3個陀螺儀和3個加速度計。TMS320F2812帶有12位流水線的模/數轉換器(ADC),模/數轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路復用開關(MUXs)、采樣/保持(S/H)電路、電壓參考以及其他的模擬輔助電路。其模/數轉換模塊(ADC)有16個通道，可以配置為兩個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B。因此陀螺儀與加速度計測量得到的角速度與加速度信息不必再通過外圍專門的模/數轉換電路，而是經過一定的信號預處理之后直接送入DSP。這樣就簡化了系統的硬件重量及復雜度，提高了系統的可靠性。GPS采集到的位置、姿態等數字量信息可以通過RS232串口送入DSP。

　　TMS320F2812所帶的SPI(串行外設接口)是一個高速同步的串行輸入/輸出口。SPI的通信速率和通信數據長度都是可以編程的，它可以方便地用于和其他處理器之間的通信。
　　大量的導航計算由TMS320F2812完成，主要包括慣性元件的誤差補償、初始對準、姿態矩陣計算、四元數計算、等效轉動矢量計算、速度位置計算和姿態計算、GPS數據與慣性數據的融合等。計算得到的飛艇姿態、位置等信息分別被送往數傳電臺、電動機和MCU等裝置進行相應的操作。
　　C8051F021主要完成底層控制。根據TMS320F2812傳入的數據，對舵機和能源進行相應的控制；并且將實時導航數據(速度、位置、姿態)送入液晶顯示器，方便人機交互。對C8051F021的外部I/O端口進行接口擴展，完成相應的控制任務。
3 系統軟件設計
　　以第1節中介紹的INS系統的誤差方程為狀態方程,以GPS和INS的輸出誤差為觀測量，通過一定的算法對狀態誤差作出最優估計，然后對系統進行校正，提高系統的導航精度。現代的導航算法普遍采用卡爾曼濾波改進算法和神經網絡算法,參考文獻^[6]中進行了詳細介紹。
　　軟件設計所采用的語言一般為C語言或匯編語言。在對實時性要求較低的場合,一般采用C語言編程，而在對實時性要求較高或者頻繁與外設交換信息的場合,則利用匯編語言進行編程。本系統軟件流程圖如圖2所示。

4 試飛實驗
　　利用某小型平流層驗證飛艇進行了試飛實驗，其飛行試驗數據示意圖如圖3所示。圖3(a)為飛艇起飛前的準備階段以及飛行過程中的姿態角信息示意圖。由圖可見測量系統采集到9300個點左右，其在俯仰、滾動角中有少量噪聲存在，這在系統誤差的允許范圍內。點位為9200時的姿態角的跳變是由于艇降落時的非平穩性而出現姿態的較大變動。偏航角信息中角度的跳變是因為偏航角的范圍為0～360°，當角度從接近360°繼續增加時，角度就會跳轉到0°附近，此時便會發生如圖3(a)第三個小圖中的跳變了。