微PNT技術現狀研究

訾 蘭（中國電子科技集團公司第二十研究所,西安 710068）

微PNT技術現狀研究

訾 蘭
（中國電子科技集團公司第二十研究所,西安 710068）

摘 要：微機電技術的發展帶動了慣性技術和時鐘技術的迅速進步，導致了微PNT（Micro-PNT）技術的出現，該技術成為在衛星導航不可用時為用戶（尤其是微小作戰平臺）提供定位、導航與授時（PNT）服務的重要手段，本文重點研究美國微PNT技術架構及部分子項目進展情況。

關鍵詞：微PNT；芯片原子鐘；微陀螺

1　背景和意義

衛星導航固有的脆弱性限制了其在強敵對抗條件下的應用，以慣性導航技術為代表的自主導航技術成為衛星導航服務受限條件下最重要的導航手段。隨著越來越多的小/微型作戰平臺加入作戰序列，發展用于小/微型作戰平臺的微型慣性導航系統已成為美軍當前要努力攻克的重要課題。美軍在微慣性導航技術領域的研發工作典型代表是由DARPA開展的微定位導航授時（Micro-PNT)項目，不僅可以應用在小/微型作戰平臺上，還能有效提高導彈和精確制導武器的作戰效能。

2　技術構架

該項目利用芯片級IMU技術取代傳統導航、定位與授時手段，縮小系統尺寸、減輕重量和降低功耗，以用于多種微型武器平臺。該項目有時鐘、慣性傳感器、微尺度上集成以及試驗與鑒定四部分關鍵領域研究，包含近10項具體研究計劃，涉及到新型制造、深度集成以及自校驗等技術，Micro-PNT還將開發“即插即測”的體系構架，如圖1所示。

Micro-PNT項目兩大基礎工作是時鐘和慣性傳感器領域的研發，DARPA希望利用微電子和微機電系統技術，開發微型、高精度的時鐘和慣性傳感器單元。同時，DARPA還將微型時鐘和慣性傳感器單元集成到單個芯片上，以此開發出芯片及組合原子導航儀，實現微型慣性導航系統，并為相關研究成果建立一個供測試和評估的平臺。

通過Micro-PNT，美軍希望提升慣性傳感器的動態應用范圍，降低時鐘和慣性傳感器的長期漂移，開發可以提供PNT信息的超小芯片。新型微型慣性導航設備的綜合性能將顯著提升，進而滿足美國防部對下一代慣性導航系統的需求。

3　部分子項目進展

3.1 時鐘

3.1.1 芯片級原子鐘（CSAC）

CSAC子項目將開發體型超小、低功耗的原子時頻參考單元，能夠極大地改善各種軍用系統和平臺的機動性和魯棒性，滿足UHF通信、導航的復雜需求。和傳統原子鐘相比，CSAC體積將縮小100倍（從微波爐大小到一塊方糖大小），而耗能也將降低10倍。

CSAC樣機于2012年3月在美國際空間站上進行了太空環境測試，并于2013年9月啟動了該項目第二階段工作，目前CSAC體積僅有15cm3。

3.1.2 集成化微型主原子鐘技術（IMPACT)

IMPACT子項目旨在突破主原子鐘小型化技術，雖然IMPACT要求的體積、功耗較CSAC略大，但精度、穩定性比CSAC高出兩個數量級。

IMPACT子項目共分三個階段，第二階段目標是使時鐘的功率低于250mW，時間誤差小于每月160ns。

3.2 慣性傳感器

3.2.1 微尺度速率積分陀螺（MRIG)

MRIG利用微機電系統（MEMS）技術開發一種能耗低、體積小、重量輕的微型諧振陀螺儀，以取代用于導航的傳統陀螺儀。

MRIG目前采用玻璃合金等非傳統材料進行細微加工，已經完成了包括環形、杯形等小的3D結構焊接，同時采用了替代傳統玻璃吹制方法制造慣性傳感器的新工藝，可以產生接近10Hz的頻率，滿足導航精度的要求。

3.2.2 導航級慣性微陀螺儀（NGIMG)

NGIMG子項目計劃旨在開發一種微小型、低功耗的慣性陀螺儀，在GPS服務受限條件下為微/小型作戰平臺提供導航服務，包括無人機、無人潛航器、小型機器人等。

目前NGIMG子項目已經進入第四階段，有可能實現角隨機游走 0.001°/h、漂移率 0.01°/h、體積1cm3、功耗5mW的目標。

3.3 微尺度集成

3.3.1 芯片級組合原子導航儀（C-SCAN)

一種將固態和原子慣性傳感器集成在單個微系統內的小型慣性測量組件（IMU)通過DARPA開展的C-SCAN項目進行研制，功率不超過1W、尺寸不超過20cm3，具有功耗低、尺寸小、高精度運動探測和快速啟動等特點。開發完成后的慣性測量單元將集成陀螺儀和加速度計，預計角隨機游走（ARW)為5x10-4°/√h，速度隨機游走（VRW)為5x10-4m/s/√h，角誤差為10-4弧度。

C-SCAN項目將分3階段完成，第一階段開展原子慣性參考單元小型化工作；第二階段開展體系結構和算法的集成工作；第三階段將對C-SCAN微系統進行集成和驗證。

4　結語

微型慣性導航裝備漂移率低，具有較高的精度，可以在衛星信號拒止條件下提供精確定位能力，滿足地下、水下、室內等特殊環境下的作戰需求；且功耗低、體積小、重量輕，尤其適用于微/小型作戰平臺上，這將有可能衍生出多種新型作戰模式。微PNT技術在民用交通、手機通信、科學考察等領域，也潛力非常巨大。

參考文獻：

[1]劉春保.GPS受限條件下的PNT服務[J].衛星應用,2013(04).

[2]魏艷艷.美國定位導航授時綜合系統研究[D].中國電子科技集團公司情報研究報告,2010(12).