CN113280834A - 一种飞机综合备份电子仪表系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞机综合备份电子仪表系统，涉及仪器设备技术领域；包括机载大气数据、惯导数据处理计算机模块，大气数据采集模块，惯导数据采集模块，接口信号处理模块和显示模块，所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块分别与所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块相连。该系统用于飞机上显示飞行的高度、姿态、升降速、空速等，把老式的分离式的独立的机械式仪表所显示的内容集中在一个显示器中进行显示，信息显示丰富直观，易于识别；采用特定的大气解算算法和航姿解算算法快速准确处理数据，使得仪表综合化程度高，占用空间小，质量小，功耗低，更加安全可靠。

Description

一种飞机综合备份电子仪表系统
技术领域
本发明涉及航空设备技术领域，尤其涉及一种飞机综合备份电子仪表系统。
背景技术
飞机等大型航空设备在使用运行过程中，会涉及到很多仪器设备的数据信息，而综合备份电子仪表系统是指采用MEMS固态传感器、电子电路与数据处理等新技术，将气压高度表、空速表、地平仪等分离仪表的信息进行综合处理与集中，综合显示飞机姿态、高度、速度等的电子仪表系统，信息显示丰富直观、易于识别，代替传统分离式的机械式高度表、空速表、应急地平仪和磁罗盘。目前综合备份电子仪表系统已经在国内外大中型民航飞机上和公务机上应用普遍，为飞行员提供飞行数据，保证飞行安全，但是目前对于国内的飞机而言，没有相关民机产品的研发情况，也就是说还没有一个能够完全适用于国内飞机的飞机综合备份电子仪表系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机综合备份电子仪表系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种飞机综合备份电子仪表系统，包括机载大气数据、惯导数据处理计算机模块，大气数据采集模块，惯导数据采集模块，接口信号处理模块和显示模块，所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块分别与所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块相连，
所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块采用特定的大气解算算法和航姿解算算法，处理来自所述大气数据采集模块和所述惯导数据采模块上传的数据，得到飞机的飞行数据信息；也能够接收和处理所述接口信号处理模块传输的机上信号和自检信号；最后将处理之后的数据信息发送至所述显示模块；
所述大气数据采集模块测量飞机飞行时全压管和静压管的压力值，再通过高精度的大气测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块；
所述惯导数据采集模块用于测量飞机轴向角速率和倾角，再通过高精度的惯导测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块。
优选的，所述大气数据采集模块包括全压传感器、静压传感器和大气测量电路，所述全压传感器和所述静压传感器分别与所述大气测量电路相连，且所述全压传感器和所述静压传感器分别用于测量飞机总压管和静压管的压力值。
优选的，所述的大气解算算法通过采集飞机总压管和静压管的压力值，依据这两个压力值，采用大气参数解算过程实时解算飞机的气压高度、指示空速和飞机的升降速；
大气参数解算算法如下，包括传感器误差补偿和大气参数解算两部分。采用压力传感器的输出方程计算实际测得的压强值，如公式(1)所示：
P＝∑i∑jKij·xi·yj (1)
式中Kij为误差系数，P为实际测得的压强值，xi为压力传感器输出频率，yj为压力传感器温度；
采用静压传感器，通过公式(1)计算即可获得静压，根据大气高度公式(2)可以计算出相对气压高度；
Figure BDA0003079945030000031
式中,Ps为静压，PSL为一个标准大气压，即PSL＝101325Pa，H为相对气压高度，Z为几何高度，Re是地球半径；获得相对气压高度H后，然后采用相对气压高度H对时间求导即可得出飞机升降速；
空速主要与静压和动压有关，其关系式可表示为：
Figure BDA0003079945030000032
其中，γ为绝对热度，取值1.403；
由上式得出空速的计算公式为：
Figure BDA0003079945030000033
ρ＝ρSL*W4.2559 (5)
Figure BDA0003079945030000034
其中，PD为动压，PS为静压，V是空速，PSL＝101325Pa，ρ是指大气密度，ρSL为标准大气压下的大气密度，ρSL＝1.2250kg/m3，绝对热度γ＝1.403；
在空速计算公式中，将飞机所在处的大气静压、大气密度看作常数，并分别等于国际标准大气中所规定的标准海平面上的大气静压和密度，即PS＝PSL，所得的速度即为指示空速,本申请中的指示空速W＝1。
优选的，所述惯导数据采集模块包括三个MEMS陀螺、两个MEMS倾角仪和惯导测量电路，所述三个MEMS陀螺分别布置在相互垂直的三个平面上，从而能测得每个平面上的飞机的转动角速度；所述两个MEMS倾角仪布置在与飞机飞行方向垂直的两个平面上，分别测量每个平面上的倾角。
优选的，所述惯导数据采集模块利用高精度的MEMS陀螺和MEMS倾角仪对飞机三轴角速率和两轴倾角进行测量，所述的航姿解算算法将四元数和三轴陀螺零位作为状态量，将倾角仪的输出作为测量量，通过扩展卡尔曼滤波算法或其他滤波算法对状态量进行估计，实时进行姿态更新，得到飞机的俯仰角和横滚角信息。姿态解算具体包括：获取陀螺仪和加速度计数值，然后对陀螺数据和加速度计进行补偿，设置四元数和三轴陀螺零位为状态量，将加速度计的输出作为测量量，通过扩展卡尔曼滤波算法对状态量进行估计，实时进行姿态更新。
优选的，所述接口信号处理模块包括ARINC429接口、RS422异步串行接口、离散量接口、模拟调光接口以及系统的BIT电路，其中所述ARINC429接口、所述RS422异步串行接口和所述离散量接口用于接收和发送飞机上的各类信号；模拟调光接口用于接收来自显示模块的信号；系统的BIT电路用来检测电源信号及各接口信号通路的通断情况。
优选的，所述的ARINC429接口、RS422异步串行接口和离散量接口电路，包括但不仅限于信号调理模块，光耦隔离模块，模拟开关模块，电平转换模块，防雷击和EMI保护模块。
优选的，所述显示模块包括显示器、显示器处理电路和按键导光板，所述显示器采用有源矩阵液晶显示，利用图形界面编程，将显示的数据进行可视化处理；所述显示器处理电路用于接收来自机载大气数据、惯导数据处理计算机模块发送的数据和按键导光板的按键信息，将这些数据进行图形化处理，传输到显示器上进行显示；所述按键导光板用于调节所述显示器的背光亮度，同时进行相应的按键操作。
优选的，所述飞机综合备份电子仪表系统还包括电源模块，所述电源模块分别为所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块、所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块提供所需的电源电压。
优选的，所述电源模块在输入端做有防雷击和EM I的防护，在模拟电压和数字电压之间采用隔离芯片做好充分的隔离措施，其中所述模拟电压包括但不限于各路传感器采集的电信号以及外部输入的电信号，所述数字电压包括但不限于系统内部的控制信号、逻辑信号和视频信号。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种飞机综合备份电子仪表系统，用于飞机上显示飞行的高度、姿态、升降速、空速等，把老式的分离式的独立的机械式仪表所显示的内容集中在一个显示器中进行显示，信息显示丰富直观，易于识别；采用特定的大气解算算法和航姿解算算法快速准确处理数据，使得仪表综合化程度高，占用空间小，质量小，功耗低，更加安全可靠。
附图说明
图1是实施例1中提供的飞机综合备份电子仪表系统的结构框图；
图2是实施例1中提供的大气数据采集模块和惯导数据采集模块的原理结构图；
图3是实施例1中提供的大气数据解算算法原理流程图；
图4是实施例1中提供的姿态计算算法原理流程图；
图5是实施例1中提供的飞机综合备份电子仪表系统内部结构示意图；
1是显示器，2、3、4均是电路板组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种飞机综合备份电子仪表系统，如图1所示，包括机载大气数据、惯导数据处理计算机模块，大气数据采集模块，惯导数据采集模块，接口信号处理模块，电源模块和显示模块，所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块分别与所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块相连，所述电源模块分别为所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块、所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块提供所需的电源电压。
所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块采用特定的大气解算算法和航姿解算算法，处理来自所述大气数据采集模块和所述惯导数据采模块上传的数据，得到飞机的飞行数据信息；也能够接收和处理所述接口信号处理模块传输的机上信号和自检信号；最后将处理之后的数据信息发送至所述显示模块；
所述大气数据采集模块测量飞机飞行时全压管和静压管的压力值，再通过高精度的大气测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块；
所述惯导数据采集模块用于测量飞机轴向角速率和倾角，再通过高精度的惯导测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块，具体的电路连接如图2所示。
本实施例中的所述大气数据采集模块包括全压传感器、静压传感器和大气测量电路，所述全压传感器和所述静压传感器分别与所述大气测量电路相连，且所述全压传感器和所述静压传感器分别用于测量飞机总压管和静压管的压力值。
本实施例中采用的大气解算算法通过采集飞机总压管和静压管的压力值，依据这两个压力值，采用大气参数解算过程实时解算飞机的气压高度、指示空速和飞机的升降速；
大气参数解算算法流程图如图3所示，具体的计算过程如下，包括传感器误差补偿和大气参数解算两部分。采用压力传感器的输出方程计算实际测得的压强值，如公式(1)所示：
P＝∑i∑jKij·xi·yj (1)
式中Kij为误差系数，P为实际测得的压强值，xi为压力传感器输出频率，yj为压力传感器温度；
采用静压传感器，通过公式(1)计算即可获得静压，根据大气高度公式(2)可以计算出相对气压高度；
Figure BDA0003079945030000071
式中,Ps为静压，PSL为一个标准大气压，即PSL＝101325Pa，H为相对气压高度，Z为几何高度，Re是地球半径；获得相对气压高度H后，然后采用相对气压高度H对时间求导即可得出飞机升降速；
空速主要与静压和动压有关，其关系式可表示为：
Figure BDA0003079945030000072
其中，γ为绝对热度，取值1.403；
由上式得出空速的计算公式为：
Figure BDA0003079945030000081
ρ＝ρSL*W4.2559 (5)
Figure BDA0003079945030000082
其中，PD为动压，PS为静压，V是空速，PSL＝101325Pa，ρ是指大气密度，ρSL为标准大气压下的大气密度，ρSL＝1.2250kg/m3，绝对热度γ＝1.403；
在空速计算公式中，将飞机所在处的大气静压、大气密度看作常数，并分别等于国际标准大气中所规定的标准海平面上的大气静压和密度，即PS＝PSL，所得的速度即为指示空速,本申请中的指示空速W＝1。
本实施例中的所述惯导数据采集模块包括三个MEMS陀螺、两个MEMS倾角仪和惯导测量电路，所述三个MEMS陀螺分别布置在相互垂直的三个平面上，从而能测得每个平面上的飞机的转动角速度；所述两个MEMS倾角仪布置在与飞机飞行方向垂直的两个平面上，分别测量每个平面上的倾角。
本实施例中的所述惯导数据采集模块利用高精度的MEMS陀螺和MEMS倾角仪对飞机三轴角速率和两轴倾角进行测量，所述的航姿解算算法将四元数和三轴陀螺零位作为状态量，将倾角仪的输出作为测量量，通过扩展卡尔曼滤波算法或其他滤波算法对状态量进行估计，实时进行姿态更新，得到飞机的俯仰角和横滚角信息。姿态解算的过程如图4所示，具体包括：获取陀螺仪和加速度计数值，然后对陀螺数据和加速度计进行补偿，设置四元数和三轴陀螺零位为状态量，将加速度计的输出作为测量量，通过扩展卡尔曼滤波算法对状态量进行估计，实时进行姿态更新。
本实施例中的所述接口信号处理模块包括ARINC429接口、RS422异步串行接口、离散量接口、模拟调光接口以及系统的BIT电路，其中所述ARINC429接口、所述RS422异步串行接口和所述离散量接口用于接收和发送飞机上的各类信号；模拟调光接口用于接收来自显示模块的信号；系统的BIT电路用来检测电源信号及各接口信号通路的通断情况。所述的ARINC429接口、RS422异步串行接口和离散量接口电路，包括但不仅限于信号调理模块，光耦隔离模块，模拟开关模块，电平转换模块，防雷击和EMI保护模块。
本实施例中的所述显示模块包括显示器、显示器处理电路和按键导光板，所述显示器采用有源矩阵液晶显示，利用图形界面编程，将显示的数据进行可视化处理；所述显示器处理电路用于接收来自机载大气数据、惯导数据处理计算机模块发送的数据和按键导光板的按键信息，将这些数据进行图形化处理，传输到显示器上进行显示；所述按键导光板用于调节所述显示器的背光亮度，同时进行相应的按键操作。
本实施例中的所述电源模块在输入端做有防雷击和EMI的防护，在模拟电压和数字电压之间采用隔离芯片做好充分的隔离措施，其中所述模拟电压包括但不限于各路传感器采集的电信号以及外部输入的电信号，所述数字电压包括但不限于系统内部的控制信号、逻辑信号和视频信号。
为了能够适配更多的机型，调整整个仪表系统尺寸，本实施例中的显示器和电路板进行改进，将显示器和电路板的尺寸进行缩减，将长度缩短近50mm，从而缩小整个仪表系统尺寸，如图5所示，既能原位替代原有的较长的综合备份电子仪表系统，同时，也能够，适应更多体积小、质量轻的要求。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明公开了一种飞机综合备份电子仪表系统，用于飞机上显示飞行的高度、姿态、升降速、空速等，把老式的分离式的独立的机械式仪表所显示的内容集中在一个显示器中进行显示，信息显示丰富直观，易于识别；采用特定的大气解算算法和航姿解算算法快速准确处理数据，使得仪表综合化程度高，占用空间小，质量小，功耗低，更加安全可靠。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，包括机载大气数据、惯导数据处理计算机模块，大气数据采集模块，惯导数据采集模块，接口信号处理模块和显示模块，所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块分别与所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块相连，
所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块采用特定的大气解算算法和航姿解算算法，处理来自所述大气数据采集模块和所述惯导数据采模块上传的数据，得到飞机的飞行数据信息；也能够接收和处理所述接口信号处理模块传输的机上信号和自检信号；最后将处理之后的数据信息发送至所述显示模块；
所述大气数据采集模块测量飞机飞行时全压管和静压管的压力值，再通过高精度的大气测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块；
所述惯导数据采集模块用于测量飞机轴向角速率和倾角，再通过高精度的惯导测量电路进行处理，最后发送给所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块。
2.根据权利要求1所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述大气数据采集模块包括全压传感器、静压传感器和大气测量电路，所述全压传感器和所述静压传感器分别与所述大气测量电路相连，且所述全压传感器和所述静压传感器分别用于测量飞机总压管和静压管的压力值。
3.根据权利要求2所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述的大气解算算法通过采集飞机总压管和静压管的压力值，依据这两个压力值，采用大气参数解算过程实时解算飞机的气压高度、指示空速和飞机的升降速。
4.根据权利要求1所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述惯导数据采集模块包括三个MEMS陀螺、两个MEMS倾角仪和惯导测量电路，所述三个MEMS陀螺分别布置在相互垂直的三个平面上，从而能测得每个平面上的飞机的转动角速度；所述两个MEMS倾角仪布置在与飞机飞行方向垂直的两个平面上，分别测量每个平面上的倾角。
5.根据权利要求4所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述惯导数据采集模块利用高精度的MEMS陀螺和MEMS倾角仪对飞机三轴角速率和两轴倾角进行测量，所述的航姿解算算法将四元数和三轴陀螺零位作为状态量，将倾角仪的输出作为测量量，通过扩展卡尔曼滤波算法或其他滤波算法对状态量进行估计，实时进行姿态更新，得到飞机的俯仰角和横滚角信息。
6.根据权利要求1所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述接口信号处理模块包括ARINC429接口、RS422异步串行接口、离散量接口、模拟调光接口以及系统的BIT电路，其中所述ARINC429接口、所述RS422异步串行接口和所述离散量接口用于接收和发送飞机上的各类信号；模拟调光接口用于接收来自显示模块的信号；系统的BIT电路用来检测电源信号及各接口信号通路的通断情况。
7.根据权利要求6所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述的ARINC429接口、RS422异步串行接口和离散量接口电路，包括但不仅限于信号调理模块，光耦隔离模块，模拟开关模块，电平转换模块，防雷击和EMI保护模块。
8.根据权利要求1所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述显示模块包括显示器、显示器处理电路和按键导光板，所述显示器采用有源矩阵液晶显示，利用图形界面编程，将显示的数据进行可视化处理；所述显示器处理电路用于接收来自机载大气数据、惯导数据处理计算机模块发送的数据和按键导光板的按键信息，将这些数据进行图形化处理，传输到显示器上进行显示；所述按键导光板用于调节所述显示器的背光亮度，同时进行相应的按键操作。
9.根据权利要求1所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述飞机综合备份电子仪表系统还包括电源模块，所述电源模块分别为所述机载大气数据、惯导数据处理计算机模块、所述大气数据采集模块，所述惯导数据采集模块，所述接口信号处理模块和所述显示模块提供所需的电源电压。
10.根据权利要求9所述的飞机综合备份电子仪表系统，其特征在于，所述电源模块在输入端做有防雷击和EMI的防护，在模拟电压和数字电压之间采用隔离芯片做好充分的隔离措施，其中所述模拟电压包括但不限于各路传感器采集的电信号以及外部输入的电信号，所述数字电压包括但不限于系统内部的控制信号、逻辑信号和视频信号。
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