吳美平，唐康華，任彥超，郭 妍

(國防科技大學智能科學學院，長沙 410073)

0 引言

隨著微系統(tǒng)技術(shù)及新型微系統(tǒng)器件的發(fā)展，大量小型化、低成本、高性能的導航、制導與控制(Na-vigation Guidance and Control，GNC)產(chǎn)品正越來越多地應(yīng)用于小型無人飛行器、微納衛(wèi)星、小型化制導彈藥等領(lǐng)域。這些微小型的武器平臺對GNC組件的大小、尺寸和功耗等指標提出了嚴格要求，也大大牽引了GNC系統(tǒng)的小型化研究[1-4]。

歐美等軍事強國雖然沒有明確提出GNC微系統(tǒng)的概念，但在自身強烈軍事需求的牽引下，依靠其強大的工業(yè)基礎(chǔ)，不斷投入大量的人力和物力研究與GNC微系統(tǒng)相關(guān)的各種關(guān)鍵性技術(shù)，積極在GNC組件小型化、高集成度、低功耗、高性能、智能化技術(shù)等方面尋求突破[5-8]。目前，國外在GNC微系統(tǒng)研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢突出表現(xiàn)在以下幾個方面[9-12]：

1)微系統(tǒng)集成技術(shù)和制造工藝技術(shù)發(fā)展迅速

當前與GNC系統(tǒng)小型化有關(guān)的微系統(tǒng)技術(shù)包括專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)、單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)和混合集成電路(Hybrid Integrated Circuit，HIC)等微電子技術(shù)和微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)。其中，ASIC產(chǎn)品較為成熟，美國國防部微電子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略已將ASIC技術(shù)列為重點發(fā)展內(nèi)容。SoC技術(shù)由于采用IP核復用和軟硬件協(xié)同設(shè)計，具有成熟的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠綜合優(yōu)化軟硬件，提高系統(tǒng)性能和可靠性，縮短研制周期，降低研制成本。MMIC具有小型緊湊、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、批量生產(chǎn)成本低和產(chǎn)品性能一致性好等性能優(yōu)勢。此外，制造工藝和封裝工藝也是微系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵。國外正大力研究立體集成和多異構(gòu)器件集成等先進集成技術(shù)，高水平微加工工藝有助于不斷提高微系統(tǒng)的功能密度。

2)制導技術(shù)的創(chuàng)新及多模制導方式的應(yīng)用

美軍制導彈藥從最早單一的激光半主動制導逐步發(fā)展為電視制導、紅外圖像制導、毫米波制導、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)/慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)制導、多模復合制導等多種制導技術(shù)。

3)通用化、系列化和模塊化設(shè)計

通用化、系列化和模塊化設(shè)計以有限的彈種和型號滿足多樣化的作戰(zhàn)和訓練需求；縮短了其研制和生產(chǎn)周期，大大降低了成本；提高了制導系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，有利于武器系統(tǒng)的日常維護保養(yǎng)、檢修和戰(zhàn)場搶修。

4)智能化趨勢明顯

GNC系統(tǒng)的智能化是實現(xiàn)武器裝備一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵，歐美等地區(qū)在發(fā)展下一代航空航天武器裝備時，高度重視GNC系統(tǒng)的智能化發(fā)展。GNC系統(tǒng)的智能化以動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行為特征。目前，歐美等地區(qū)在巡航導彈、巡飛彈藥等平臺上已經(jīng)部分實現(xiàn)了飛行軌跡和作戰(zhàn)任務(wù)的在線重構(gòu)功能，但大規(guī)模的、不同平臺的網(wǎng)絡(luò)化重構(gòu)還有待GNC系統(tǒng)設(shè)計和智能算法的突破。此外，為實現(xiàn)人工智能化目標，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和自學習算法等智能算法的不斷演進和成熟，機器學習在GNC領(lǐng)域已經(jīng)開始得到應(yīng)用[12-14]。

國內(nèi)在研究低成本GNC微系統(tǒng)技術(shù)方面的起步較晚，目前裝備上主要是基于通用中央處理器(Cen-tral Processing Unit，CPU)/微控制單元(Microcon-troller Unit，MCU)及集成度較低的接口器件構(gòu)成單板系統(tǒng)，然后由若干個功能獨立的單板系統(tǒng)進一步組成GNC系統(tǒng)，信息融合度差，這就造成GNC系統(tǒng)成本較高、功耗高、體積大。

我國無人飛行器、制導炮彈、制導火箭彈、制導炸彈和巡飛彈等裝備迫切需求一種低成本微小型GNC系統(tǒng)。我國在低成本微小型GNC系統(tǒng)產(chǎn)品方面與國外先進水平差距較大。本文基于硅微陀螺與硅微加速度計構(gòu)成微慣性測量單元(Micro Inertial Measurement Unit，MIMU)，采用系統(tǒng)級封裝(System in Pac-kage，SiP)技術(shù)對衛(wèi)星基帶信息處理SoC、嵌入式深組合導航信息處理SoC、紅外成像信息處理SoC、制導信息處理SoC和通信控制器SoC等進行高度集成，設(shè)計出基于SiP的GNC芯片?；贕NC芯片構(gòu)建低成本、一體化、小型化的微小型GNC系統(tǒng)，并對其性能進行了部分驗證。

1 總體技術(shù)方案

微小型GNC系統(tǒng)采用硅微陀螺與硅微加速度計構(gòu)成MIMU，采用SiP技術(shù)對衛(wèi)星基帶信息處理SoC、嵌入式深組合導航信息處理SoC、紅外成像信息處理SoC、制導信息處理SoC和通信控制器SoC等進行高度集成，設(shè)計出基于SiP的GNC芯片，如圖1所示。

圖1 基于SiP的GNC芯片框圖Fig.1 Block diagram of GNC chip based on SiP

采用SiP封裝形式，將FPGA(Field Programma-ble Gate Array)裸芯、北斗接收機基帶裸芯、四核高性能數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)裸芯、閃存(FLASH)裸芯和同步動態(tài)隨機存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)裸芯等進行高度集成，設(shè)計了GNC芯片，達到小型化、低功耗的設(shè)計要求。四核信息處理器分別用來處理全捷聯(lián)非制冷紅外成像的目標識別、全捷聯(lián)非制冷紅外成像的目標跟蹤、傳遞對準與嵌入式深組合導航和制導與控制。

為了提高微小型GNC系統(tǒng)的精度和快速性，采用快速傳遞對準技術(shù)進行初始化，同時采用嵌入式深組合導航技術(shù)提高微小型GNC系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力。

采用一種圖像信息與嵌入式深組合導航信息融合的復合制導方案，解決組合導航信息與圖像信息之間的空間和時間不一致性問題，利用圖像測量信息修正慣導信息的誤差，并提取視線角速率信息。采用一種基于局部方向聚類的快速異源圖像模板匹配技術(shù)，以解決初始目標識別問題。

采用MIMU、紅外導引頭和舵機，基于SiP芯片構(gòu)建了低成本、一體化、小型化的微小型GNC系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 微小型GNC系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖Fig.2 The function diagram of micro GNC system

采用專用邏輯設(shè)計相應(yīng)的標準IP核，構(gòu)建微小型GNC系統(tǒng)各種對外標準接口(如1553B、串口、CAN總線、SPI、網(wǎng)口、數(shù)據(jù)鏈等)，可根據(jù)用戶的需求進行靈活配置，以適應(yīng)不同IMU、導引頭和舵機等。構(gòu)建統(tǒng)一的開放式、嵌入式軟件平臺架構(gòu)，根據(jù)不同的制導方式，按標準操作系統(tǒng)組裝不同的應(yīng)用軟件模塊。

2 部分關(guān)鍵技術(shù)分析及試驗驗證

2.1 基于SiP一體化微小型GNC芯片技術(shù)

為滿足小型化和低成本要求，采用塑封技術(shù)，將FPGA、北斗接收機基帶、高性能DSP、FLASH和SDRAM等裸芯集成在一個芯片上，GNC芯片如圖3所示。其設(shè)計目標是通過SiP集成技術(shù)實現(xiàn)微小型GNC系統(tǒng)小型化和模塊化，使SiP芯片滿足功能、性能和可測性等各方面的需求。

圖3 初步評估封裝尺寸圖Fig.3 Dimensional drawing of the SiP chip

基于現(xiàn)有設(shè)計平臺進行產(chǎn)品設(shè)計，其中設(shè)計平臺中的硬件設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)集成需求和微系統(tǒng)總體方案，基于已有芯片庫和工藝庫進行微系統(tǒng)功能級和電路級詳細方案設(shè)計，以驗證微系統(tǒng)構(gòu)架、可測性和可靠性設(shè)計。完整的微系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示，本設(shè)計中采用成熟裸芯片，因此可從芯片庫開始設(shè)計。

為達到產(chǎn)品高性能、小尺寸、高可靠性以及超低功耗的要求，將引線縫合(Wire Bonding，WB)形式的裸芯通過重新布線層(Redistribution Layer，RDL)轉(zhuǎn)換為倒裝(Flip Chip，F(xiàn)C)形式后，在樹脂基板上與其他FC芯片進行集成。通過對裸芯片進行再布線，將芯片的引出端由傳統(tǒng)的邊緣排布改為芯片表面滿陣列排布，電互聯(lián)技術(shù)也由傳統(tǒng)的引線鍵合改為倒裝焊接，采用RDL技術(shù)把WB的芯片進行互聯(lián)，使芯片面積和間距大大減小，質(zhì)量也更小。

2.2 開放式的軟硬件架構(gòu)技術(shù)

采用專用邏輯設(shè)計相應(yīng)的標準IP核，構(gòu)建微小型GNC系統(tǒng)各種對外標準接口(如串口、CAN總線、SPI、1553B、網(wǎng)口、數(shù)據(jù)鏈等)，可根據(jù)用戶的需求進行靈活配置,以適應(yīng)不同IMU、導引頭和舵機等。

微小型GNC系統(tǒng)具有制導模塊的二次開發(fā)功能，通過通信控制器提供的制導開發(fā)接口，對總體單位進行制導模塊設(shè)計開發(fā)與實現(xiàn)。對于特定武器平臺，可根據(jù)不同接口的標準、速度和類型等特征進行定制。

構(gòu)建統(tǒng)一的開放式、嵌入式軟件平臺架構(gòu)，根據(jù)不同制導方式，按標準操作系統(tǒng)組裝不同的應(yīng)用軟件模塊，如圖5所示。

圖4 完整的微系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.4 Design flow cart of micro GNC system

圖5 微小型GNC系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.5 The software architecture diagram of micro GNC system

軟件架構(gòu)可以解決傳遞對準、衛(wèi)星導航、慣性導航、多傳感器組合導航、導引頭信息處理、制導與控制等算法在嵌入式平臺上的集成和驗證。

在接口設(shè)計上，提供常用接口的設(shè)計；在任務(wù)調(diào)度上，采用實時操作系統(tǒng)，提供工況信息狀態(tài)查詢?nèi)蝿?wù)；在應(yīng)用層上，實現(xiàn)了傳感器信息解析和預處理，以及GNC等模塊的集成。

2.3 嵌入式深組合導航技術(shù)

(1)深組合基帶信號信息處理單元

在彈載微慣性/北斗深組合導航設(shè)備中，能夠?qū)Ρ倍沸l(wèi)星信號實現(xiàn)快速捕獲、跟蹤及解調(diào)譯碼，具備提取并輸出偽距、載波相位、載波多普勒和導航電文等原始觀測信息的功能?；鶐幚韱卧饕▊未a捕獲電路、多相關(guān)通道、多通道信號跟蹤與解調(diào)電路、基本觀測量提取電路、定時電路和接口控制電路等，其原理框圖如圖6所示。

在基帶信號處理單元中，多路A/D采樣信號經(jīng)數(shù)字正交下變頻后，利用多路時域并行相關(guān)結(jié)合頻域快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)算法，完成對測距碼相位的查找以及載波多普勒的確定。多通道信號跟蹤與解調(diào)電路最多支持256路跟蹤通道，多路數(shù)字中頻輸入可實現(xiàn)不同通道對不同天線的數(shù)字波束的跟蹤，跟蹤電路應(yīng)用鎖頻環(huán)(Frequency Lock Loop，F(xiàn)LL)/鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)相結(jié)合跟蹤算法實現(xiàn)對載波的跟蹤和導航電文的解調(diào)。采用載波輔助的子載波跟蹤環(huán)(Sub-carrier Lock Loop，SLL)跟蹤二進制偏移載波BOC信號子載波，采用載波輔助的延遲鎖定環(huán)跟蹤擴頻碼，捕獲與跟蹤電路通過總線與深組合控制接口向量，可實現(xiàn)慣導對跟蹤和捕獲的輔助，基本觀測量提取單元可實現(xiàn)偽距、載波相位和多普勒等基本觀測量的提取。接口電路可實現(xiàn)加解密模塊(PRM)芯片等外設(shè)控制和對外信息交互。導航電文和觀測量數(shù)據(jù)通過并行接口送到定位解算處理器，完成位置、速度和時間(Position,Velocity and Tme，PVT)解算及協(xié)議解析分發(fā)。

圖6 深組合基帶單元功能框圖Fig.6 The function diagram of ultra-tightly integrated base-band unit

(2)深組合導航的體系結(jié)構(gòu)[15]

級聯(lián)型的深組合導航算法采用兩級濾波結(jié)構(gòu)：一個濾波器用來處理基帶測量信號，得到偽距差和偽距率差等輸出，其中偽距差和偽距率差除了包含接收機本身的誤差(如熱噪聲、晶振不穩(wěn)定性偏差等)外，還包含了MIMU慣性測量誤差；另一濾波器用來導航濾波，以基帶測量信息預處理模塊得到的偽距差和偽距率差作為導航濾波器的觀測量，采用濾波的方法估計出組合導航狀態(tài)誤差(位置、速度、姿態(tài)角、慣性器件誤差等)，從而得到最優(yōu)的組合導航解(位置、速度、姿態(tài)角等)；最后根據(jù)組合導航的解、電離層估計、衛(wèi)星的位置、速度和接收機鐘差及鐘差漂移等，估算出載波和碼NCO控制量，閉合載波和碼跟蹤回路。級聯(lián)型的深組合導航結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.4 試驗驗證方案

基于SiP的 GNC芯片，采用MEMS IMU和外圍電路，構(gòu)建了微小型GNC系統(tǒng)，如圖8所示。

圖7 深組合導航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure of ultra-tightly GNSS/INS integrated navigation system

圖8 微小型GNC系統(tǒng)圖Fig.8 Diagram of micro GNC system

其中，GNC信息處理板包含基于SiP的GNC芯片，SiP GNC芯片的尺寸為30mm×30mm×4mm，實現(xiàn)了傳遞對準、嵌入式組合導航和舵機控制功能，并且預留了制導控制資源，用戶可以針對不同的應(yīng)用進行二次開發(fā)。

(1)嵌入式深組合導航系統(tǒng)動態(tài)性能測試

采用設(shè)計的微小型GNC系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)測試框圖如圖9所示。通過控制計算機生成所需的軌跡數(shù)據(jù)文件，驅(qū)動全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)/INS復合信號模擬器，使其同步輸出慣導數(shù)據(jù)(陀螺和加速度計數(shù)據(jù))和北斗衛(wèi)星射頻信號。

圖9 微小型GNC系統(tǒng)導航部分測試框圖Fig.9 The navigation system testing diagram of micro GNC system

微小型GNC系統(tǒng)接收GNSS射頻信號及IMU原始數(shù)據(jù)，進行綜合數(shù)據(jù)處理，輸出組合結(jié)果(包括載體位置、速度、加速度、姿態(tài)等信息)。測試評估計算機將微小型GNC系統(tǒng)中組合導航結(jié)果和狀態(tài)信息與復合模擬器輸出的參考軌跡數(shù)據(jù)進行比較，從而實現(xiàn)精度評估。

基于構(gòu)建的半實物仿真測試系統(tǒng)，構(gòu)建了動態(tài)測試仿真條件：50g水平圓周、100g水平圓周、50g垂直圓周、100g垂直圓周、50g正弦、100g正弦和50g直線七種典型高動態(tài)場景。所有場景的仿真時長均為1800s，前300s靜止(用于慣導的對準)，后1500s運動[15]。

表1 50g定位測速結(jié)果對比

從表1 可以看出，在50g、5g/s的高運動環(huán)境下，高動態(tài)接收機和深耦合接收機都可以正常工作，但是深耦合接收機能夠提高定位測速精度，且其定位精度優(yōu)于10m(CEP95)，測速精度優(yōu)于0.2m/s(CEP95)。其中，水平圓周50g誤差曲線如圖10所示,100g條件測試結(jié)果如表2所示。

圖10 水平圓周50g定位測速誤差曲線比較Fig.10 Position/velocity error curve of ultra-tightly GNSS/INS integrated navigation system for 50g level circle trajectory

表2 100g定位測速結(jié)果對比

基于設(shè)計的七種高動態(tài)場景，對深耦合接收機系統(tǒng)跟蹤靈敏度進行測試，測試結(jié)果如表3所示。

可以看出，高動態(tài)條件下，深耦合接收機相對純接收機跟蹤靈敏度提高了2～8dB。

表3 靈敏度測試結(jié)果統(tǒng)計

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)/INS復合模擬器，構(gòu)建BDS/INS深組合導航測試系統(tǒng)，對BDS/MIMU深組合導航系統(tǒng)性能進行測試，測試結(jié)論如下：

1)在50g、5g/s的高運動環(huán)境下，高動態(tài)接收機和深耦合接收機都可以正常工作，但是深耦合接收機能夠提高定位測速精度，且其定位精度優(yōu)于10m(CEP95)，測速精度優(yōu)于0.2m/s(CEP95)；

2)深耦合接收機能夠正常工作于100g、10g/s的超高運動環(huán)境，定位精度優(yōu)于5m(CEP95)，測速精度優(yōu)于0.2m/s(CEP95)，而純接收機在此條件下無法正常導航定位；

3)高動態(tài)條件下，深耦合接收機相對純接收機跟蹤靈敏度提高了2～8dB。

(2)傳遞對準及純慣性導航系統(tǒng)性能測試

采用陀螺精度優(yōu)于3(°)/h(1s平均)，加速度計精度優(yōu)于0.1mg(1s平均)進行測試，結(jié)果如圖11所示，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

車載試驗時，先進行傳遞對準，傳遞對準姿態(tài)角精度如表5所示。對準完之后進行純慣性導航，100s純慣性導航精度如表6所示。

在車載試驗中，除去主子慣導系統(tǒng)之間的安裝角偏差，傳遞對準精度為：

1)方位角對準精度優(yōu)于0.15°(1σ)；

2)水平姿態(tài)角精度優(yōu)于0.015°(1σ)。

在車載試驗中，傳遞對準后，100s純慣性導航定位精度為：

1)水平定位精度優(yōu)于30m；

2)高度定位精度優(yōu)于35m；

3)方位姿態(tài)角精度優(yōu)于0.1°；

4)水平姿態(tài)角精度優(yōu)于0.05°。

MIMU性能、傳遞對準和純慣性可以滿足低成本制導裝備的需求。

圖11 MIMU性能測試曲線Fig.11 Results of MIMU performance test

表4 靜態(tài)測試結(jié)果

表5 機動時傳遞對準結(jié)果統(tǒng)計表

表6 100s純慣性導航誤差統(tǒng)計

3 結(jié)論

針對無人飛行器、制導炮彈、制導火箭彈、制導炸彈和巡飛彈等對低成本、小型化、低功耗和高精度GNC系統(tǒng)的需求，采用MEMS IMU、北斗接收模塊、全捷聯(lián)紅外/可見光/激光等多模復合智能捷聯(lián)導引頭、信息處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈通信等技術(shù)及SiP技術(shù)實現(xiàn)了一體化微小型GNC系統(tǒng)集成，并對其導航性能進行了測試評估，BDS/MIMU深組合導航系統(tǒng)性能測試結(jié)論如下：

1)在50g、5g/s和100g、10g/s的高運動環(huán)境下，深組合導航系統(tǒng)能夠提高定位測速精度，且定位精度優(yōu)于10m(CEP95)，測速精度優(yōu)于0.2m/s(CEP95)。

2)高動態(tài)條件下，深組合導航系統(tǒng)相對純接收機跟蹤靈敏度提高了2～8dB。

3)在車載試驗中，傳遞對準后，100s純慣性導航定位精度為：水平定位精度優(yōu)于30m，高度定位精度優(yōu)于35m。

系統(tǒng)具有制導模塊的二次開發(fā)功能，可以滿足不同用戶需求，為各精確制導裝備提供管用、好用、用得起的低成本微小型GNC系統(tǒng)。