[发明专利]一种捷联惯导系统中加速度计信号转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于捷联惯导系统中加速度计的信号采集、测量与处理技术。

背景技术

捷联惯导系统是一种依靠固联在载体上的惯性器件(加速度计、陀螺仪)来获得绝对加速度，然后通过两次积分得到载体在一个相对坐标系中的位置，从而达到导航目的的一种“自主式导航系统”。在捷联惯导系统中，加速度计用于测量载体沿某一方向的线加速度，经过必要的积分运算和坐标变换，确定载体相对于基准坐标系的瞬时速度和位置。当载体的加速度参数发生变化时，加速度计就会检测到这种变化量，并进行相应的转换。加速度计作为捷联惯导系统的核心器件，其精度高低和性能优劣直接决定了捷联惯导系统的性能。加速度计的精度，不仅包括加速度计器件本身的精度，还包括其信号转换装置的精度。

近年来，国产加速度计仪表的精度和性能不断提高，测量范围能达到±20g以上，阈值可以达到10^-5～10^-6g，然而国内加速度计信号转换装置的精度却远远低于加速度计器件本身的精度。为了能实时的获得高分辨率的加速度信号，对加速度计信号转换装置的精度、测量范围和实时性都提出了很高的要求。高精度石英挠性加速度计的输出多为模拟电流信号，加速度计信号转换装置的功能就是将模拟电流信号转换为可供DSP使用的数字信号。通常，采用高精度的电阻将加速度计输出的电流信号变成电压信号，再用加速度计信号转换装置进行模数转换。其转换有两种方法：再经过压频(V/F)转换器将电压信号转换成脉冲信号，通过计数器记录单位时间内的脉冲个数从而得到相应的数字量；或者通过模数(A/D)转换器直接将输出的电压信号转换成DSP可处理的数字信号。

采用V/F转换技术的优点是，它采用积分型电荷平衡式变换原理，可对输入信号进行连续测量，不存在丢失信息的问题；另外，其变换过程就是对电压的不断积分，可对噪声或变化很快的输入信号进行平滑，具有良好的抗干扰性能，且不占用计算机资源。但是，采用V/F转换器，随着时钟频率的增加线性误差也相应的增加；而减小时钟频率后，如果输入的电压值过小，电荷需要累积很长时间才会产生一个计数脉冲，这段时间是采样盲区，将没有任何信号输出。因此，单纯采用V/F转换，转换速度慢，信号分辨率低，在采样点精度不高。对于A/D转换器，其标度系数的稳定性取决于所用的参考电压的稳定性，其零点漂移取决于A/D转换芯片本身的漂移稳定性，通常受A/D转换芯片的工作电压、时钟频率、温度的影响。比起V/F转换，A/D转换的优点在于，具有精度高、转换速度快、多路信号输入时电路结构简单、不需要稳定时间等优点。但A/D采样的缺点在于，采样信号没有积分特性，所以抑制噪声能力较弱，动态范围有时不能满足系统要求。

另外捷联惯性导航系统作为实时动态导航系统，其对角速度信号和线速度信号的采集和系统信息处理都有很强的实时性，对系统的信息处理速度有很高的要求。DSP除了采集加速度计信号外还需采集其他信号来进行导航解算，因此，在采集加速度计信号时，应尽量采用外围逻辑电路来完成，让DSP有更多的时间用于控制各种量的收发和系统的解算。

国内关于加速度计信号转换技术的研究情况如下：

V/F转换大多采用VFC芯片完成，常用的有AD公司的AD650、AD652和AD7742；美国国家半导体公司的LMx31系列；TI公司的VFC62、VFC110等。A/D转换的发展是以A-∑型高精度ADC的研制成功为基础的。将Δ-∑型A/D应用于加速度计输出信号测量，可以通过新型数模转换器和数字信号处理理论解决“小体积，大动态”的问题。过去使用的A/D变换器主要有积分型、逐次比较型和并联型三种。积分型主要用于数字多用表，精度高但速度低，这不是一种能够满足将来技术发展要求的方法。对于并联型，设分辨率为n bit，要使用2n个比较器，这样可以快速的将输入电压变换成相应的数字码。虽然这种方法速度极快，但是分辨率在10bit以上时实现比较困难，硬件规模太大，成本难以下降。逐次比较型内部有一个D/A变换器，通过二分探索法求一数字码，使其对应的电压最接近于输入电压，这种方法用MOS集成电路时，D/A变换是用大量的电容构成的，制造工艺难以实现。