微型定位導航授時系統集成設計

王國棟，邢朝洋，楊 亮，王振凱，孫麗艷

(北京航天控制儀器研究所，北京 100094)

0 引言

時空信息是人們一切活動的基礎，也是信息有效傳遞和交互的根本。宇宙是時間和空間的統一，宇宙是在不斷運動和變化的。生活在宇宙中的人們開展一切活動，需要時時刻刻知道自己所在的位置。定位導航授時(Positioning， Navigation and Timing，PNT)技術是指用來獲取對象時空信息的技術，是軍事行動和社會經濟活動共同的基礎。PNT系統有多種，包括全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)及其(天基、地基)增強系統、區域導航系統、長波授時系統、短波授時系統、網絡授時系統、微波著陸系統、慣性導航系統、天文導航系統、重力/地磁/圖像匹配導航系統以及多源組合導航系統等[1-3]。Micro-PNT(Micro Positioning Navigation and Timing)作為一種微型化的PNT系統，成為PNT技術發展的一個重要方向。

Micro-PNT是以微電子技術和微機電系統(MicroElectroMechanical System，MEMS)技術為基礎，集成MEMS陀螺、MEMS加速度計和芯片級原子鐘等器件，滿足多種平臺導航、定位、授時等對小型化、低功耗、高可靠等方面的需求。Micro-PNT目的在于降低各種平臺對GNSS的依賴，為它們提供GNSS短時拒止條件下可靠的導航與授時能力。雖然Micro-PNT技術得到國內眾多研究機構的關注和投入，但是仍然處于摸索和發展階段，并且沒有一款原型驗證系統樣機?；谀壳暗钠骷图晒に嚰夹g，提出了一種Micro-PNT樣機設計方案，并開展了樣機研制，為Micro-PNT的應用和發展奠定了基礎。

1 國內外研究現狀

美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)從2002年起陸續分別資助芯片級原子鐘(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)、集成化微型主原子鐘技術(Integrated Micro Primary Atomic Clock Technology，IMPACT)、導航級集成微陀螺(Navigation Grade Integrated Micro Gyroscope，NGIMG)、信息控制的微型自主旋轉平臺(Information Tethered Micro Automated Rotary Stages，ITMARS)、微型慣性導航技術(Micro Inertial Navigation Technology，MINT)共5項研究。2010年，正式啟動微型定位導航授時技術(Micro-PNT)計劃，在前期研究部署的基礎上新增了5個項目，如圖1所示。

圖1 美國的Micro-PNT計劃Fig.1 American Micro-PNT research program

微尺度速率積分陀螺(Micro Scale Rate Integ-rating Gyroscope，MRIG)、活動層的初級和次級校準(Primary and Secondary Calibration on Active Layer，PASCAL)、單芯片時間和慣性測量單元(Ti-ming and Inertial Measurement Unit，TIMU)、芯片級組合原子導航儀(Chip Scale Combinatorial Atomic Navigator，C-SCAN)以及慣性導航和授時設備使用的獲取、記錄和分析平臺(Platform for Acquisition, Logging, and Analysis of Devices for Inertial Navi-gation & Timing，PALADIN&T)。到目前為止，DAR-PA已投入近5億美元實施Micro-PNT計劃[4-5]。

MEMS陀螺和MEMS加速度計作為Micro-PNT的核心部件，目標是導航級(陀螺零偏穩定性0.01(°)/h、加表的零偏穩定性100μg)、芯片化。受限于技術發展水平，一直未能突破精度瓶頸，目前最具發展潛力的高精度芯片化陀螺是MEMS諧振環陀螺，精度已經實現優于0.1(°)/h[6]的水平。MEMS加速度計成熟度相對較高，目前最具發展潛力的高精度芯片化加速度計是MEMS諧振式加速度計，精度達到優于50μg的水平[7]。高精度時鐘的典型代表是美國迅騰公司的SA.45s產品[8-9]，工作原子是Cs、體積小于17cm3、秒穩優于3×10-10、穩態功耗小于120mW，是目前唯一款產品化的芯片級相干布局數囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)原子鐘。2018年7月，美國麻省理工學院的一則報道指出，該院研究團隊開發出第一個芯片級分子鐘，該型時鐘在體積、成本方面相比CPT原子鐘更具優勢，且精度與微型原子鐘相當[10]。系統的微尺度集成是以器件的芯片化為基礎的，受限于原子鐘的體積和MEMS儀表的精度水平，DARPA構想的微尺度集成計劃未能獲得實質性進展。

中國在2013年啟動了Micro-PNT的技術論證，“十三五”期間，在有關部門的大力支持下，部分先導類項目如器件技術、集成技術得到發展。但是，受器件技術[11-13]和集成技術的限制，Micro-PNT一直處于發展之中。國內的MEMS陀螺儀的精度達到5(°)/h水平，MEMS加速度計的精度為100μg的水平。高精度時鐘方面，主要的研究單位包括北京大學、中科院物理與數學研究所、成都天奧等，精度水平與國外相當，但是在體積、重量、功耗方面，整體上與國外存在一定差距。在系統集成與應用技術研究方面，國內的清華大學、北京自動化控制設備研究所、國防科技大學、華東光電集成器件研究所等單位，開展了單項技術研究，結合衛星導航接收機，發揮互補優勢，開展前期驗證工作。北京航天控制儀器研究所基于慣性技術研究的優勢，結合原子鐘的工作特點，率先開展了Micro-PNT系統集成樣機的研制工作，并完成了首臺樣機的集成開發。

2 Micro-PNT集成設計

Micro-PNT是建立在芯片級、高精度慣性儀表和時鐘基礎之上的，是慣性導航技術、時鐘技術和微系統集成技術相結合的產物，是信息化、網絡化、協同一體化發展的必然趨勢。CPT原子鐘是目前尺寸最小的原子鐘，但是由于其光學結構腔體體積較大，因此CPT原子鐘未能實現芯片化。對于系統集成而言，時鐘芯片化成為系統集成的瓶頸。由于受儀表和時鐘技術的限制，Micro-PNT的系統集成需要經歷2個階段。第一階段：基于封裝后的MEMS慣性儀表、高精度時鐘和傳統的PCB集成技術，進行M-PNT的一體化集成；第二階段：基于裸芯級MEMS慣性儀表和高精度時鐘以及三維硅通孔 (Through-Silicon Vias，TSV)集成工藝，進行M-PNT的一體化集成。下面重點介紹了第一種集成方案以及研制的樣機。

2.1 系統硬件集成設計

Micro-PNT系統是以芯片級的MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、CPT原子鐘為基礎的。系統的工作原理如圖2所示，Micro-PNT是GNSS的有益補充，在GNSS正常情況下，系統通過慣性/GNSS的組合導航估計慣性導航的誤差，并實時修正該誤差；同時利用GNSS提供的協調世界時(Coordinated Universal Time，UTC)信息修正CPT原子鐘的時標信息。在GNSS拒止條件下，系統工作依賴于純慣性導航和CPT原子鐘，提供短時高精度的導航信息和時鐘信息。

圖2 Micro-PNT系統的工作原理Fig.2 Working principle of Micro-PNT

根據儀表的特點，系統采用剛撓板一體設計，集成到一塊剛撓結構的電路板上，實現一體化制造。在制造完成之后，通過撓性彎曲安裝于正交結構面上，實現MEMS慣性儀表的三軸正交。系統的構成如圖3所示，包含底面、側面1、側面2、頂面共計4個面。4個安裝面之間通過撓性帶連接實現信號的交互，撓性帶的彎曲半徑≥3mm。剛撓結合板組件的安裝示意圖如圖4所示。

圖3 系統的構成Fig.3 Composition of the system

圖4 剛撓結合板組件的安裝示意圖Fig.4 Layout scheme of Micro-PNT rigid-flexible integration

其中，微處理器部分由DSP+FPGA及外圍電路實現。微處理器接收來自MEMS慣性儀表的信息和接收機的信息，完成捷聯解算、信息融合和組合導航解算，輸出高精度的位置、速度、姿態和時鐘信息。同時，GNSS輸出的UTC、秒脈沖(Pulse Per Second, PPS)、位置等信息，可以實現CPT原子鐘、慣性導航的初始化。

系統包含2個時鐘源，分別是CPT原子鐘的10MHz頻率輸出和有源晶振的18.432MHz頻率輸出。其中10MHz頻率是系統主時鐘，并實現授時功能；有源晶振的輸出通過分頻供串口通信使用。時鐘電路如圖5所示。

圖5 時鐘電路框圖Fig.5 Block diagram of time clock circuit

系統上電后，CPT原子鐘通過衛星接收機的PPS輸出信號進行頻率馴服，并通過串口將授時信息和狀態信息發送至數字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)中。

2.2 系統軟件設計

Micro-PNT系統作為飛行器、車載終端等載體的導航和授時單元，其主要功能是完成衛星導航信號拒止條件下的導航和授時功能。在衛星導航信號正常時，可以修正慣性導航和CPT原子鐘的累積誤差[14]。因此，系統工作在兩種狀態下：一是組合導航和授時狀態；一是慣性導航和守時狀態。

系統的軟件工作流程如圖6所示。首先使系統上電復位，向各個模塊的控制寄存器寫入控制命令字，對硬件的各個模塊進行初始化設置，包括慣性導航解算的初始導航信息賦值和CPT原子鐘的時間同步。初始化之后，DSP發送開始運行信號，啟動DSP計時器和定時中斷，DSP的定時中斷模塊在計數器進行5ms計數后就會產生一個內部中斷信號，使程序進入導航解算部分，判斷GNSS導航信息是否可用。如果可用，利用衛星導航解算的定位信息和時間信息進行組合導航解算，以修正慣性導航的累積誤差；同時利用衛星導航的PPS和UTC，對時鐘信息進行校正，以消除時鐘的誤差。如果不可用，只進行慣導解算和計時。最后，系統輸出高精度的導航和時間信息。

圖6 系統的軟件工作流程Fig.6 Work flow of system

2.3 Micro-PNT集成樣機

為了驗證系統集成的方案，通過選擇合適的MEMS陀螺、MEMS加速度計、CPT原子鐘，基于剛撓一體化電路設計以及相應的結構設計，完成了系統樣機的研制。Micro-PNT集成的樣機如圖7所示，系統的體積為65mm×65mm×30mm。

圖7 Micro-PNT樣機Fig.7 Prototype of Micro-PNT

通過集成的樣機可以看出，系統的體積、重量比較大，主要原因有以下幾個方面：1)MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、處理器等器件，均采用已封裝器件，封裝相比內部芯片，面積大大增加；2)CPT原子鐘體積占比較大，是系統微型化的重要瓶頸；3)系統集成采用傳統的PCB板平面集成工藝和剛撓一體化集成工藝，不能有效地利用空間資源。因此，隨著器件技術的發展和成熟，為了實現Micro-PNT系統的進一步微型化，需要采用三維微系統集成工藝技術。

3 三維TSV集成設計

隨著高精度時鐘技術的發展和三維集成封裝工藝技術的成熟，Micro-PNT系統將進一步實現微型化、低功耗和低成本?；赥SV、IPD、FC等工藝[15-16]，可以實現Micro-PNT的微系統集成。MEMS慣性系統的三軸正交集成決定了系統需要3個安裝面，每個安裝面可以分別進行多芯片立體集成形成一個模塊，之后3個模塊進行三維組裝，實現系統的三維立體集成。圖8給出了一個安裝面TSV集成的示意圖。

圖8 多芯片TSV立體集成Fig.8 3D TSV integration of multi-chips

Micro-PNT的三維集成分為2個層次進行，第一層次是多芯片的TSV集成。每個安裝面按照圖8所示的方式進行TSV集成，每個芯片上設計有多個用于垂直連接的金屬突出或者凹槽，從而實現了多個芯片直接垂直連接，形成相對獨立的模塊；第二個層次是模塊級立體集成技術。模塊級立體集成是通過設計微型立方體等機械結構，將通過采用上述集成方式完成集成的模塊進行再一次集成，微型機械結構的每一個面都可以集成一個模塊，實現系統的一體化集成，集成方式如圖9所示。

圖9 模塊級的立體集成Fig.9 3D integration of modulations

4 結論

Micro-PNT系統技術是針對GNSS拒止條件下微小型無人機、制導彈藥、單兵、車輛等平臺的信息化、網絡化時空信息感知應用需求，采用微系統集成工藝集成的一種導航級、微小型時空信息感知系統。通過分析MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、CPT原子鐘的國內外研究現狀，可以得出以下結論：

1)國內的MEMS陀螺儀和加速度計相比國外精度水平相差至少1個數量級，相比Micro-PNT的導航級應用還有較大差距；

2)高精度的CPT原子鐘能夠滿足多種平臺的時頻應用需求，但是體積仍然是制約Micro-PNT系統微型化的因素；

3)提出了一種基于現有的MEMS陀螺儀、加速度計、CPT原子鐘的集成方案，并率先在國內完成了樣機研制；

4)基于芯片級器件，采用微系統集成工藝，提出了一種Micro-PNT系統集成方案，能夠實現系統的高密度、微尺度集成。