2. 飞控传感器类型与信号特征

飞控系统要完成姿态解算、位置估计、高度保持、航向控制和空速保护，前提是能正确理解每一类传感器“输出什么物理量、以什么形式输出、在什么坐标系下有效”。如果只把传感器当成一个黑盒数据源，仿真注入时就很容易出现量纲错位、坐标系反向、单位混用等问题。本节围绕飞控中最常见的六类传感器，逐一梳理它们的物理量、输出形式、典型接口和仿真注入时的关键约定。

一、IMU：角速度与比力

IMU（惯性测量单元）通常由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，部分型号还集成三轴磁力计，称为九轴 IMU。陀螺仪输出的是角速度，单位一般为 rad/s 或 °/s，表示机体绕 X、Y、Z 三轴的旋转速率；加速度计输出的是比力（specific force），单位 m/s² 或 g，注意它测量的是非引力加速度，静止水平放置时 Z 轴读数约为 +1g（约 9.81 m/s²），而不是 0。

IMU 的坐标系通常与机体坐标系一致：X 轴指向机头，Y 轴指向右翼，Z 轴指向机腹（前右下，FRD）。仿真注入时，若飞控内部使用 NED 导航系，需要明确 IMU 数据是在机体系下给出的，姿态解算模块会负责旋转到导航系。典型数字接口为 SPI 或 I²C，采样率从几百 Hz 到数千 Hz；模拟接口则输出与角速度、比力成正比的电压。注入时最容易出错的是单位和正负号：例如俯仰抬头时，绕 Y 轴的角速度符号取决于右手定则和机体系定义，必须与飞控代码中的约定一致。

二、GPS：位置、速度与时间

GPS 接收机输出的是经纬度、海拔高度、地速、航迹角和 UTC 时间。经纬度单位为度，海拔高度为米（通常为椭球高或海拔高，需确认基准），地速为 m/s，航迹角为度（正北为 0，顺时针为正）。GPS 还提供定位质量指标，如可见卫星数、HDOP、定位类型（单点、DGPS、RTK 固定解等）。

GPS 数据更新率较低，通常为 1～10 Hz，且存在延迟和跳变。仿真注入时，位置和速度一般以 NED 坐标下的米和米/秒给出，需要把经纬度转换为局部平面坐标。若飞控使用 EKF 融合 GPS，注入的 GPS 速度应与 IMU 积分速度在量级和方向上一致，否则滤波器会因新息过大而发散。GPS 的高度与气压高度计的高度基准不同，前者是椭球高或海拔高，后者是相对气压基准的高度，融合时必须做基准对齐。

三、气压高度计：静压与高度

气压高度计通过测量静压来推算高度，输出形式通常是气压值（Pa 或 hPa）或直接解算出的高度（m）。静压与高度的关系由国际标准大气模型描述，海平面标准气压为 101325 Pa，温度 15 ℃。高度每升高约 8.4 m，气压下降约 100 Pa（近地面近似）。

仿真注入时，可以直接注入气压值，也可以注入高度值，取决于飞控接口。若注入气压，需保证气压随高度变化的趋势正确；若注入高度，需明确是相对起飞点的高度还是绝对海拔。气压高度计对气流、温度变化和机体遮挡敏感，实际飞行中会出现漂移和噪声，仿真时可加入缓慢漂移和随机噪声来模拟。典型接口为 I²C 或 SPI，更新率约 10～50 Hz。

四、磁力计：磁场矢量与航向

磁力计测量的是三轴磁场强度，单位通常为高斯（Gauss）或微特斯拉（μT），地球表面磁场强度约为 25～65 μT。磁力计输出的是机体系下的磁场矢量，飞控通过倾斜补偿后计算磁航向角。磁航向以正北为 0，顺时针为正，但存在磁偏角，真航向 = 磁航向 + 磁偏角。

仿真注入时，磁力计数据应与当地磁场模型一致，包括磁场强度和磁倾角。若只注入航向角，需确认飞控是否接受该形式。磁力计极易受电机电流、电源线和铁磁材料干扰，仿真时可加入硬磁和软磁偏差来模拟。典型接口为 I²C 或 SPI，更新率约 10～100 Hz。磁力计与 GPS 航迹角不同：前者是机头指向，后者是地面运动方向，有风时两者不一致。

五、空速管：动压与空速

空速管测量的是动压，即总压与静压之差，单位 Pa。根据伯努利方程，动压 q = 0.5ρV²，其中 ρ 为空气密度，V 为空速。飞控通常直接输出空速（m/s）或动压（Pa）。空速管对安装位置、气流角和结冰敏感，仿真注入时需保证动压与空速的换算关系正确，并考虑空气密度随高度的变化。

典型接口为模拟电压或数字 I²C/SPI，更新率约 10～50 Hz。空速管与 GPS 地速的区别在于：空速是相对气流的速度，地速是相对地面的速度，有风时两者不同。仿真中若同时注入空速和 GPS 速度，需保证两者在无风条件下一致，有风时差值合理。

六、舵面位置传感器：反馈角度

舵面位置传感器用于测量副翼、升降舵、方向舵等舵面的实际偏转角度，单位通常为度或归一化比例（-1～1）。它输出的是舵面相对于中立位置的偏角，用于飞控闭环控制，判断舵机是否卡死、是否达到指令位置。典型接口为模拟电压或数字总线，更新率约 50～200 Hz。

仿真注入时，舵面位置应与飞控输出的舵机指令对应，但可加入延迟、死区和饱和来模拟真实舵机特性。若飞控使用舵面位置做控制律反馈，注入值必须与指令方向一致，否则控制律会反向。

七、六类传感器的对比与注入要点

把六类传感器放在一起看，可以发现它们在物理量、更新率和注入难点上差异明显。IMU 更新率最高、对符号和坐标系最敏感；GPS 更新率最低、涉及坐标转换和基准对齐；气压高度计和空速管都与大气模型相关，注入时需保证气压-高度、动压-空速的换算关系正确；磁力计与航向相关，需考虑磁偏角和干扰；舵面位置传感器则与执行机构反馈相关，需保证方向一致。

理解这些传感器的输出形式和物理量，是后续数据注入、故障模拟和融合验证的基础。不同传感器的数据在进入飞控后往往要经过量纲转换、坐标旋转、基准对齐和时序同步，任何一步出错都会导致估计器发散或控制异常。因此，在仿真环境中先把每个通道单独注入并验证，再逐步组合，是更稳妥的做法。