程瑞楚，柴 波，郭剛強(qiáng)

(西安微電子技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(GNC，guidance navigation and control system)是導(dǎo)彈/火箭的大腦和神經(jīng)中樞，是支撐導(dǎo)彈/火箭各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的核心，是航天飛行任務(wù)成功與否的關(guān)鍵[1-3]。隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)不斷向小型化、智能化、低成本等方向發(fā)展，彈上系統(tǒng)逐步向集各功能模塊于一體的綜合電子系統(tǒng)過渡[4]。綜合電子系統(tǒng)具有縮小系統(tǒng)體積、減少彈上資源的浪費(fèi)、提高系統(tǒng)可靠性、降低產(chǎn)品成本等優(yōu)勢，是目前彈上控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的導(dǎo)航制導(dǎo)控制產(chǎn)品由大量PCB單板及各種功能模塊組成，體積大、質(zhì)量重、功耗高、成本高等問題嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用范圍。隨著我國在智能彈藥、小型化精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、微小型無人機(jī)和微納衛(wèi)星等領(lǐng)域研究的逐步深入，對彈上系統(tǒng)小型化、輕量化、高集成、低成本、低功耗等方面提出了更高的要求。

堆疊封裝(POP,package on package)也稱為疊層封裝，是一種新興的、低廉的、集成邏輯和存儲(chǔ)器件的3D封裝解決方案，通過堆疊工藝實(shí)現(xiàn)小型化和多功能[5-6]。GNC模塊就是針對彈上系統(tǒng)上述需求研發(fā)的一款產(chǎn)品，以傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的GNC模塊，是支撐其小型化發(fā)展的核心之一?；赑OP工藝的GNC模塊是一個(gè)以多核處理器為核心，集成MEMS慣性傳感器、地磁傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊等多個(gè)組件，具有多種外設(shè)接口的正交立體集成結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航制導(dǎo)通信模塊[7]。

基于POP工藝的GNC模塊其集成功能多、體積小、工藝過程復(fù)雜且不可逆，如果測試不到位會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的成品率低，低成本控制目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。為了解決該問題，本文設(shè)計(jì)了一款測試系統(tǒng)，可以滿足整個(gè)工藝過程的測試需求，實(shí)現(xiàn)對制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的部件測試、綜合測試，驗(yàn)證制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的功能和性能，解決了該產(chǎn)品大量生產(chǎn)的測試需求難題，提高了產(chǎn)品的可測試性和可靠性[8]。

1 基于POP工藝的GNC模塊功能結(jié)構(gòu)特征

GNC模塊采用雙核處理器，可使飛行控制計(jì)算與導(dǎo)航解算相互獨(dú)立運(yùn)行，一個(gè)處理器負(fù)責(zé)飛行控制計(jì)算，另一個(gè)處理器負(fù)責(zé)導(dǎo)航解算。為了充分發(fā)揮雙核處理器在算法解算和信息處理方面的優(yōu)勢，GNC模塊采用DSP+FPGA的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算及多種通訊協(xié)議，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)邏輯譯碼及其它功能擴(kuò)展。另外，由于FPGA本身的可配置、修改容易和調(diào)試方便等特點(diǎn)，使系統(tǒng)具備重構(gòu)性強(qiáng)、升級(jí)容易等特點(diǎn)。GNC模塊采用單5 V供電，經(jīng)過供電單元轉(zhuǎn)化成3.3 V和1.2 V，兩路電壓都可以保證最大3 A的電流輸出能力，給整個(gè)系統(tǒng)供電，方便用戶使用。傳感器包含單軸陀螺儀、單軸加速度計(jì)、三軸地磁模塊，組成IMU(Inertial Measurement Unit,慣性測量單元)，可實(shí)現(xiàn)對彈體X、Y、Z三個(gè)方向的角速度、加速度及地磁信息的采集和處理[9]。衛(wèi)導(dǎo)部分集成了射頻前端和基帶處理部分，與IMU組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對彈體姿態(tài)和位置的測量。其原理框圖如圖1所示。

圖1 GNC功能原理框圖

GNC模組疊層設(shè)計(jì)中，充分考慮了體積、重心、散熱、供電和信號(hào)線互連等方面。按照功能將GNC模組劃分為信息處理、AD/地磁測量、衛(wèi)導(dǎo)、慣性采集、電源等組件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。從上往下依次為信息處理組件、AD/地磁組件、衛(wèi)導(dǎo)、慣導(dǎo)組件(正交結(jié)構(gòu))、電源組件和對外接口組件。

圖2 GNC模塊疊層規(guī)劃圖

GNC模塊采用高可靠POP封裝技術(shù)，該封裝兼容裸芯片和成品器件三維疊層，可實(shí)現(xiàn)傳感器和數(shù)字系統(tǒng)的一體化集成。采用的工藝技術(shù)路線為有機(jī)基板型疊層方式，將器件以盡量少的三維互連為層規(guī)劃準(zhǔn)則，按功能進(jìn)行分塊規(guī)劃，分別組裝到數(shù)個(gè)有機(jī)基板上，形成單層封裝結(jié)構(gòu)，再將基板進(jìn)行三維堆疊，實(shí)現(xiàn)立體互連，對外形成PGA引出封裝，這也使GNC模塊的測試難度大大增加[10]。

利用POP工藝實(shí)體封裝的特點(diǎn)，GNC模塊創(chuàng)新采用了無框架結(jié)構(gòu)，在沒有支架的情況下，保證了慣導(dǎo)組件敏感軸的互相正交，在保證傳感器安裝精度的同時(shí)，大大減小了體積，減輕了重量，簡化了模塊組裝的難度，減少了內(nèi)部材料的類型，提高了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。GNC封裝產(chǎn)品外形圖如圖3所示。

圖3 GNC封裝產(chǎn)品外形圖

2 GNC模塊測試需求分析

根據(jù)GNC產(chǎn)品功能和封裝成品的工藝特點(diǎn)，結(jié)合GNC模塊生產(chǎn)調(diào)試與試驗(yàn)的實(shí)際流程需要，可以將GNC產(chǎn)品的測試分為：靜態(tài)測試、單項(xiàng)功能測試和專項(xiàng)性能測試。

靜態(tài)測試：由于GNC模塊體積小，集成度高，采用PGA封裝，采用側(cè)面互連工藝，模塊間連線是在外表面，互聯(lián)線條細(xì)、密度高，在加電測試前必須進(jìn)行模塊的互聯(lián)、導(dǎo)通及絕緣測試，這些測試不能在模塊本體上實(shí)現(xiàn)，必須通過轉(zhuǎn)接關(guān)系變成萬用表、示波器等可以直接測量。靜態(tài)測試既要滿足封裝過程中的測試，也要滿足成品的測試。

單項(xiàng)功能測試：由于GNC模塊集成的功能非常多，各個(gè)功能模塊都具有自身的功能與性能指標(biāo)，這些功能性能指標(biāo)必須滿足產(chǎn)品指南規(guī)定的要求，因此，測試系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對組成GNC模塊產(chǎn)品的各項(xiàng)功能性能指標(biāo)進(jìn)行單項(xiàng)測試。單項(xiàng)測試既要滿足封裝過程中的測試，也要滿足最終成品的各種測試需求。

專項(xiàng)性能測試：由于GNC模塊集成了MEMS、衛(wèi)導(dǎo)和地磁等功能，這些功能的性能測試必須在轉(zhuǎn)臺(tái)、衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器和跑車等特殊環(huán)境條件下才能完成，因此測試系統(tǒng)應(yīng)該滿足這些特殊環(huán)境測試的安裝要求。專項(xiàng)性能測試只適應(yīng)于最終成品的測試。

3 主從協(xié)同測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述GNC模塊測試需求分析結(jié)果，對于一個(gè)高度集成封裝的小型化綜合電子模塊產(chǎn)品，構(gòu)筑了一套主從協(xié)同測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖4所示。

圖4 GNC主從協(xié)同測試系統(tǒng)圖

其中GNC模塊硬件測試主系統(tǒng)包括工控機(jī)、測試用電纜、GNC模塊供電電源、萬用表、示波器等。主要功能是實(shí)現(xiàn)對GNC模塊測試從系統(tǒng)的供電和通過通信接口進(jìn)行的命令傳輸以及測試結(jié)果信息傳遞。

為解決高集成度封裝的GNC模塊測試不便的問題，將協(xié)同測試從系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一塊多功能印制板，把GNC模塊作為被測對象，在該測試板上安裝測試插座，用于可重復(fù)插裝封裝好的GNC模塊，使得多個(gè)GNC模塊可共用同一塊測試板，測試過程中可直接插拔替換，大大節(jié)省了資源，提高了工作效率。GNC模塊的對外接口單元主要由可配置IO接口、CAN接口、SCI接口、SPI接口、AD接口等部分組成，這些對外接口的輔助測試邏輯都通過對此印制板的合理布局來實(shí)現(xiàn)。

1)為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測試，在測試板的原理設(shè)計(jì)中，將GNC模塊功能接口引出，同時(shí)將GNC模塊的全部引腳引出，并在測試板上設(shè)計(jì)獨(dú)立測試點(diǎn)，可以用于萬用表、示波器等測量儀器的直接測試。

2)為了實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)功能測試，將測試主機(jī)工控機(jī)通過MOXA卡與測試板連接，通過422通信接口將主從協(xié)同系統(tǒng)之間進(jìn)行互聯(lián)，由測試系統(tǒng)主機(jī)通過工控機(jī)向GNC協(xié)同測試系統(tǒng)發(fā)送指令，由GNC模塊接收指令并執(zhí)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對GNC模塊的各項(xiàng)功能測試。

①GNC模塊的4路IO采用自環(huán)方式測試接口的功能，隨機(jī)選擇2個(gè)IO接口進(jìn)行自環(huán)測試，任意一個(gè)輸出、另一個(gè)輸入，對比輸入和輸出的數(shù)值，結(jié)果一致則表示測試正確；

②SPI通信接口的測試，將CS、CLK、SDIN、SDOUT信號(hào)分別接入4路IO，在IO上觀測SPI接口的數(shù)據(jù)狀態(tài)，SPI接口和IO接口之間相互發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)一致則表示測試正確；

③SCI接口和CAN接口通過各自的接口轉(zhuǎn)換芯片，與對外插座相連，與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)422通信和CAN通信；

④AD接口測試配合測試板上的撥碼開關(guān)設(shè)計(jì)，其中前3路采集的是三軸地磁傳感器的輸出信息，將后5路引出，在測試板上分別采樣5 V、3.3 V、1.2 V、GND和懸空，每次撥動(dòng)一位撥碼開關(guān)，可觀察5路采樣值的變化。

3)為了實(shí)現(xiàn)專項(xiàng)功能測試，協(xié)同測試從系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一塊小型化的印制板，該板除了可以插拔不同的GNC模塊以外，還可以通過螺釘被固定在轉(zhuǎn)臺(tái)或跑車臺(tái)上，以便能夠滿足MEMS、地磁以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能等特殊環(huán)境下的測試。

4 主從協(xié)同測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

GNC模塊測試系統(tǒng)軟件分為兩類，測試系統(tǒng)主機(jī)軟件和協(xié)同測試系統(tǒng)軟件。測試系統(tǒng)軟件采用分層構(gòu)件化設(shè)計(jì)，在軟件體系結(jié)構(gòu)層次上與綜合電子軟件的設(shè)計(jì)理念一一對應(yīng)，分為測試應(yīng)用層、測試核心層、測試硬件支持層，從設(shè)計(jì)上保證了測試環(huán)境的有效性[11]。通過分層并制定每一層的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)及接口，如其中一層發(fā)生變化，則不會(huì)影響到其它層，便于在以后技術(shù)的升級(jí)換代中可以快速適應(yīng)。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中，制定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架，使得軟件能夠適應(yīng)不同的設(shè)備控制需求，并對上層提供統(tǒng)一的接口。將測試系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)采用構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)新任務(wù)軟件的開發(fā)中可以通過組裝標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件以及任務(wù)的特殊需求構(gòu)件，達(dá)到加快軟件開發(fā)速度的目的，進(jìn)而縮短軟件的研制周期[12]。

測試系統(tǒng)主機(jī)軟件和協(xié)同測試系統(tǒng)軟件共同實(shí)現(xiàn)對GNC模塊的單元測試和專項(xiàng)測試。單元測試是軟件測試的第一步，單元測試通過對每個(gè)最小的軟件模塊進(jìn)行測試，對源代碼的每一個(gè)程序單元實(shí)行測試，來檢查各個(gè)程序模塊是否正確地實(shí)現(xiàn)了規(guī)定的功能，確保其能正常工作；而專項(xiàng)功能測試根據(jù)某一復(fù)雜功能驗(yàn)證需求而專項(xiàng)開展測試。此測試系統(tǒng)的單元測試部分用于測試GNC模塊的各項(xiàng)基本功能是否正常工作，專項(xiàng)測試部分用于GNC成品狀態(tài)下，采集各傳感器的輸出數(shù)據(jù)，然后采取一些數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償方法，測試GNC模塊的性能[13]。測試系統(tǒng)主機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境為C++ Builder；協(xié)同測試系統(tǒng)軟件的運(yùn)行環(huán)境為TI公司TMS320f28377D，開發(fā)環(huán)境為CCS6.1；CAN通信使用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的USB CAN-Ⅱ智能接口卡實(shí)現(xiàn)。

4.1 單元測試

單元測試中，協(xié)同測試系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)接收測試系統(tǒng)主機(jī)軟件發(fā)出的單元測試命令，并返回測試結(jié)果消息給測試系統(tǒng)主機(jī)軟件，完成對被測設(shè)備所有硬件單元的單項(xiàng)功能測試，GNC模塊的單項(xiàng)功能測試項(xiàng)目表如表1所示。當(dāng)測試結(jié)果錯(cuò)誤時(shí)，單元測試軟件應(yīng)下發(fā)錯(cuò)誤記錄，用于故障原因的分析，測試系統(tǒng)主機(jī)軟件對測試過程中的所有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以測試日志的形式進(jìn)行記錄，測試日志顯示測試的開始時(shí)間、已運(yùn)行時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等與測試過程相關(guān)的信息，便于測試實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的查找[14]。

表1 單項(xiàng)功能測試項(xiàng)目表

根據(jù)上述單項(xiàng)功能測試項(xiàng)目，設(shè)計(jì)單元測試軟件流程，如圖5所示。

圖5 GNC測試系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 專項(xiàng)測試

專項(xiàng)測試軟件主要完成對GNC模塊的性能測試，采集GNC模塊的地磁傳感器、陀螺儀和加速度計(jì)的三軸原始數(shù)據(jù)以及溫度信息，并通過對原始數(shù)據(jù)的補(bǔ)償處理。輸出地磁三軸磁場信息、陀螺儀三軸角速度和溫度、加速度計(jì)三軸加速度和溫度，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，將最終數(shù)據(jù)在測試系統(tǒng)主機(jī)軟件的專項(xiàng)測試界面顯示[15]。專項(xiàng)測試軟件流程如圖6所示。

圖6 GNC測試系統(tǒng)專項(xiàng)測試流程圖

1)IMU專項(xiàng)測試:

IMU的零偏及初始姿態(tài)誤差是導(dǎo)航誤差快速發(fā)散的主要誤差源，因此，對IMU全部零偏的標(biāo)定和補(bǔ)償是減少初始姿態(tài)誤差和提高導(dǎo)航精度的有效方法[16]。因此，在開始IMU性能測試前需完成IMU的標(biāo)定工作。由于MEMS陀螺儀相比于加速度計(jì)對標(biāo)定的精度要求更高，因此我們采取先標(biāo)定加速度計(jì)后標(biāo)定陀螺儀的方案[17]。

將GNC模塊通過測試板固定安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，保證GNC模塊的軸向與轉(zhuǎn)臺(tái)軸向盡可能平行。首先，建立陀螺儀定溫輸出模型為：

(1)

公式(1)中，ωx、ωy、ωz為補(bǔ)償后的三軸陀螺儀輸出(即理論輸出真值)，εx、εy、εz為3個(gè)軸向陀螺儀的常值零偏，kgx、kgy、kgz為三軸陀螺儀的刻度系數(shù)；軸間安裝偏差系數(shù)分別為kgxy、kgxz、kgyx、kgyz、kgzx、kgzy；三軸陀螺儀輸出的原始數(shù)據(jù)為NGx、NGy、NGz。

加速度計(jì)定溫輸出模型建立為：

(2)

式中，ax、ay、az為補(bǔ)償后的三軸加速度計(jì)輸出(即理論輸出真值)，▽x、▽y、▽z為3個(gè)軸向加速度計(jì)的常值零偏，kax、kay、kaz為三軸加速度計(jì)的刻度系數(shù)；軸間安裝偏差系數(shù)分別為kaxy、kaxz、kayx、kayz、kazx、kazy；三軸加速度計(jì)輸出的原始數(shù)據(jù)為NAx、NAy、NAz。

①加速度計(jì)標(biāo)定方法：

②陀螺儀標(biāo)定方法:

(3)

其中:N為轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，N=3。

(4)

IMU標(biāo)定測試完成后，開始IMU性能測試，獲取IMU標(biāo)定測試中的標(biāo)定系數(shù)，然后測試系統(tǒng)主機(jī)軟件向協(xié)同測試軟件發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，開始IMU數(shù)據(jù)采集，并將采集到的三軸陀螺和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終將陀螺和加速度計(jì)的零偏、零偏穩(wěn)定性、交叉耦合等數(shù)據(jù)在測試系統(tǒng)主機(jī)軟件的專項(xiàng)測試界面顯示。

2)AD/地磁測試:

調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)位置使得地磁Z軸方向平行于北向，產(chǎn)品正常工作后啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/秒。等轉(zhuǎn)臺(tái)速率穩(wěn)定后，連續(xù)采樣3 min數(shù)據(jù)。傳感器的X軸和Y軸可以測量OXY平面上的磁場強(qiáng)度，并且隨著GNC模塊旋轉(zhuǎn)，X軸和Y軸測量到的磁場強(qiáng)度周期性變化。

如果敏感軸上的磁場強(qiáng)度為0，而傳感器的輸出不為0時(shí)，則會(huì)帶來零點(diǎn)誤差。X軸和Y軸的零位為：

(5)

(6)

修正零位之后的輸出為：

x=xout-ΔX

(7)

y=yout-ΔY

(8)

正交誤差出現(xiàn)時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的現(xiàn)象是：Y軸輸出為最大時(shí)，X軸輸出不為0，此時(shí)X軸的實(shí)際輸出為x=Ymax×sinα。對此，可以采用公式4～5進(jìn)行補(bǔ)償：

x=xout-yout×sinα

(9)

由于地磁模塊在測量過程中存在系統(tǒng)誤差，姿態(tài)解算出的滾轉(zhuǎn)角誤差較大，不能滿足彈道控制的要求。地磁模塊協(xié)同測試軟件功能主要包括對地磁模塊的數(shù)據(jù)采集，然后通過補(bǔ)償修正模型對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終將滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和地磁修正數(shù)據(jù)以422通信形式發(fā)送給測試系統(tǒng)主機(jī)軟件，并在測試系統(tǒng)主機(jī)軟件的專項(xiàng)測試界面中顯示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

為了驗(yàn)證本測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，選取5臺(tái)GNC產(chǎn)品按照以下步驟進(jìn)行測試，根據(jù)GNC模塊測試需求，依次完成靜態(tài)測試、單項(xiàng)功能測試和專項(xiàng)性能測試。

1)靜態(tài)及單項(xiàng)功能測試:

首先，在上電之前對GNC模塊進(jìn)行人工目檢、尺寸檢測、原理檢查以及阻抗測量，確保產(chǎn)品阻抗測量沒有問題并且不存在短路或接觸不良后，采用測試插座將封裝好的GNC模塊固定在測試板上，并進(jìn)行通電。如無異常，記錄供電電壓和電流，然后開始電路調(diào)試。功能測試時(shí)，應(yīng)將GNC模塊靜置在水平平面上。然后使用單元測試軟件，對CNC模塊的所有功能逐一進(jìn)行測試，判斷系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否正常。

2)IMU標(biāo)定:

將GNC模塊安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用6位置法對加速度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，IMU的X、Y、Z軸分別朝天向和地向一次，在轉(zhuǎn)臺(tái)靜止情況下進(jìn)行加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集，每個(gè)位置保持時(shí)間不小于5分鐘[18-19]。然后對陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定，調(diào)整X軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸，開始數(shù)據(jù)采集。在5 s內(nèi)控制轉(zhuǎn)臺(tái)繞X軸正轉(zhuǎn)1 080°(三圈)。待轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后，繼續(xù)采集10 s以上數(shù)據(jù)，命名接收文件為X+1 080°。然后保持轉(zhuǎn)臺(tái)方向，控制轉(zhuǎn)臺(tái)繞X軸反轉(zhuǎn)1 080°(三圈)，數(shù)據(jù)記為X-1 080°。Y、Z兩軸步驟同X軸。

3)IMU零偏:

調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)位置，使得陀螺Z軸方向沖天，通電等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，測試GNC模塊X、Y軸角速率的輸出，共測試3 min，然后求出X、Y軸陀螺儀輸出信號(hào)的平均值即為陀螺儀的零偏。將GNC模塊三軸角速率數(shù)據(jù)采集時(shí)間改為1 h。對采集數(shù)據(jù)取10 s均植，共得到n組陀螺儀輸出，根據(jù)計(jì)算公式得到陀螺儀的零偏穩(wěn)定性。分別測試GNC模塊三軸角速率10 min的零偏輸出：測試6次，每次間隔10 min以上，6次求標(biāo)準(zhǔn)差，得到陀螺儀的零偏重復(fù)性。測量Y軸加速度Y1，采樣3 min并求出平均值。改變轉(zhuǎn)臺(tái)方向，使Z軸指地，測量Y軸加速度輸出Y2，采樣3 min并求出平均值。根據(jù)計(jì)算公式得到加速度計(jì)的零偏。記錄加速度計(jì)輸出，測試時(shí)間改為1 h，對加速度計(jì)的輸出取10 s均值，共得到n組加速度計(jì)輸出，算得加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性。分別測試10 min的零偏輸出，測試6次，每次間隔10 min以上，算得加速度計(jì)的零偏重復(fù)性。

4)地磁輸出測試:

將GNC模塊安裝在無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)位置，使得地磁Z軸方向平行于北向，產(chǎn)品正常工作后啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/秒。等轉(zhuǎn)臺(tái)速率穩(wěn)定后，連續(xù)采樣3 min數(shù)據(jù)。地磁傳感器的X軸和Y軸測量OXY平面上的磁場強(qiáng)度，并且隨著GNC模塊旋轉(zhuǎn)，X軸和Y軸測量到的磁場強(qiáng)度呈周期性變化。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，依次對5臺(tái)GNC模塊完成了靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試，其功能測試結(jié)果良好，各功能部分均正常工作。

選取三軸IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行性能對比，以X軸為例分析，測試結(jié)果如表2所示。在沒有誤差的情況下，如果將三軸正交地磁傳感器在均勻磁場影響下繞原點(diǎn)進(jìn)行三維空間旋轉(zhuǎn)，地磁矢量的模值不隨傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化[20]。理想正交三軸地磁傳感器的輸出信號(hào)在空間的軌跡是一個(gè)球，其半徑為地磁矢量的模[21]。如果繞三軸磁傳感器的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，另兩個(gè)軸則形成一個(gè)平面上的圓。以GNC模塊地磁X軸的輸出為橫坐標(biāo)，以Y軸的輸出為縱坐標(biāo)作圖，在坐標(biāo)軸上映射出一個(gè)圓心在原點(diǎn)的近似圓[22]。地磁傳感器X、Y軸輸出的電壓信號(hào)會(huì)形成正弦信號(hào)，雙軸的相位差近似為90°，5臺(tái)GNC模塊地磁輸出X、Y′軸對應(yīng)關(guān)系均如圖7所示。

表2 IMU測試X軸數(shù)據(jù)

圖7 地磁輸出及X、Y軸對應(yīng)關(guān)系

GNC模塊具有的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)如表3所示。5臺(tái)GNC產(chǎn)品靜態(tài)測試結(jié)果正常，模塊尺寸和初次上電電流、電壓均符合指標(biāo)要求，對測試軟件設(shè)置對應(yīng)參數(shù)，測試了5臺(tái)GNC模塊的功能和性能，測試結(jié)果均滿足GNC模塊技術(shù)指標(biāo)要求。使用秒表計(jì)時(shí)測試時(shí)間并統(tǒng)計(jì)結(jié)果，除專項(xiàng)測試中需反復(fù)多次采集數(shù)據(jù)外，5臺(tái)GNC產(chǎn)品功能測試所需時(shí)間均為8～10 s，與同類測試系統(tǒng)相比，將人工測量的難度和強(qiáng)度降低到50%以下，大大提高了測試效率。

表3 GNC模塊技術(shù)指標(biāo)

測試系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)簡單，主要包含測試項(xiàng)目菜單欄和產(chǎn)品數(shù)據(jù)欄，測試項(xiàng)目通過勾選來執(zhí)行，也可進(jìn)行多次循環(huán)測試，具備獨(dú)立性和統(tǒng)一性。完成對操作界面的參數(shù)設(shè)置后，整個(gè)測試過程在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，測試結(jié)束后，測試結(jié)果和數(shù)據(jù)保存到對應(yīng)測試項(xiàng)目的文件夾內(nèi)，易于區(qū)分和查驗(yàn)[23]。

6 結(jié)束語

本文研究了一種針對采用高可靠性POP工藝的GNC模塊的測試系統(tǒng)，通過測試驗(yàn)證表明，本測試系統(tǒng)穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確性高，整個(gè)系統(tǒng)操作靈活、簡單，便于使用，能夠大大提高生產(chǎn)效率；硬件和軟件均采用通用化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)級(jí)調(diào)試；功能齊全，可滿足產(chǎn)品研制各個(gè)階段的需求。