基于SiP的低成本微小型GNC系統技術

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

隨著微系統技術及新型微系統器件的發展，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)產品正越來越多地應用于小型無人飛行器、微納衛星、小型化制導彈藥等領域。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，依靠其強大的工業基礎，不斷投入大量的人力和物力研究與GNC微系統相關的各種關鍵性技術，積極在GNC組件小型化、高集成度、低功耗、高性能、智能化技術等方面尋求突破[5-8]。目前，國外在GNC微系統研究領域的技術發展趨勢突出表現在以下幾個方面[9-12]：

1)微系統集成技術和制造工藝技術發展迅速

當前與GNC系統小型化有關的微系統技術包括專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、片上系統(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)等微電子技術和微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)。其中，ASIC產品較為成熟，美國國防部微電子技術發展戰略已將ASIC技術列為重點發展內容。SoC技術由于采用IP核復用和軟硬件協同設計，具有成熟的系統結構，能夠綜合優化軟硬件，提高系統性能和可靠性，縮短研制周期，降低研制成本。MMIC具有小型緊湊、穩定性好、抗干擾能力強、批量生產成本低和產品性能一致性好等性能優勢。此外，制造工藝和封裝工藝也是微系統技術的關鍵。國外正大力研究立體集成和多異構器件集成等先進集成技術，高水平微加工工藝有助于不斷提高微系統的功能密度。

2)制導技術的創新及多模制導方式的應用

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

3)通用化、系列化和模塊化設計

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

4)智能化趨勢明顯

GNC系統的智能化是實現武器裝備一體化聯合作戰的關鍵，歐美等地區在發展下一代航空航天武器裝備時，高度重視GNC系統的智能化發展。GNC系統的智能化以動態感知、實時分析、自主決策和精準執行為特征。目前，歐美等地區在巡航導彈、巡飛彈藥等平臺上已經部分實現了飛行軌跡和作戰任務的在線重構功能，但大規模的、不同平臺的網絡化重構還有待GNC系統設計和智能算法的突破。此外，為實現人工智能化目標，隨著神經網絡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領域已經開始得到應用[12-14]。

國內在研究低成本GNC微系統技術方面的起步較晚，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成單板系統，然后由若干個功能獨立的單板系統進一步組成GNC系統，信息融合度差，這就造成GNC系統成本較高、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。我國在低成本微小型GNC系統產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成微慣性測量單元(Micro Inertial Measurement Unit，MIMU)，采用系統級封裝(System in Pac-kage，SiP)技術對衛星基帶信息處理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，設計出基于SiP的GNC芯片。基于GNC芯片構建低成本、一體化、小型化的微小型GNC系統，并對其性能進行了部分驗證。

1 總體技術方案

微小型GNC系統采用硅微陀螺與硅微加速度計構成MIMU，采用SiP技術對衛星基帶信息處理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、四核高性能數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)裸芯、閃存(FLASH)裸芯和同步動態隨機存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)裸芯等進行高度集成，設計了GNC芯片，達到小型化、低功耗的設計要求。四核信息處理器分別用來處理全捷聯非制冷紅外成像的目標識別、全捷聯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系統的精度和快速性，采用快速傳遞對準技術進行初始化，同時采用嵌入式深組合導航技術提高微小型GNC系統的動態性能和抗干擾能力。

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，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芯片構建了低成本、一體化、小型化的微小型GNC系統，如圖2所示。

圖2 微小型GNC系統功能實現框圖Fig.2 The function diagram of micro GNC system

采用專用邏輯設計相應的標準IP核，構建微小型GNC系統各種對外標準接口(如1553B、串口、CAN總線、SPI、網口、數據鏈等)，可根據用戶的需求進行靈活配置，以適應不同IMU、導引頭和舵機等。構建統一的開放式、嵌入式軟件平臺架構，根據不同的制導方式，按標準操作系統組裝不同的應用軟件模塊。

2 部分關鍵技術分析及試驗驗證

2.1 基于SiP一體化微小型GNC芯片技術

為滿足小型化和低成本要求，采用塑封技術，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。其設計目標是通過SiP集成技術實現微小型GNC系統小型化和模塊化，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

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

為達到產品高性能、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)轉換為倒裝(Flip Chip，FC)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的邊緣排布改為芯片表面滿陣列排布，電互聯技術也由傳統的引線鍵合改為倒裝焊接，采用RDL技術把WB的芯片進行互聯，使芯片面積和間距大大減小，質量也更小。

2.2 開放式的軟硬件架構技術

采用專用邏輯設計相應的標準IP核，構建微小型GNC系統各種對外標準接口(如串口、CAN總線、SPI、1553B、網口、數據鏈等)，可根據用戶的需求進行靈活配置,以適應不同IMU、導引頭和舵機等。

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

構建統一的開放式、嵌入式軟件平臺架構，根據不同制導方式，按標準操作系統組裝不同的應用軟件模塊，如圖5所示。

圖4 完整的微系統設計流程Fig.4 Design flow cart of micro GNC system

圖5 微小型GNC系統軟件架構圖Fig.5 The software architecture diagram of micro GNC system

軟件架構可以解決傳遞對準、衛星導航、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。

在接口設計上，提供常用接口的設計；在任務調度上，采用實時操作系統，提供工況信息狀態查詢任務；在應用層上，實現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

(1)深組合基帶信號信息處理單元

在彈載微慣性/北斗深組合導航設備中，能夠對北斗衛星信號實現快速捕獲、跟蹤及解調譯碼，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。基帶處理單元主要包括偽碼捕獲電路、多相關通道、多通道信號跟蹤與解調電路、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采樣信號經數字正交下變頻后，利用多路時域并行相關結合頻域快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)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電路最多支持256路跟蹤通道，多路數字中頻輸入可實現不同通道對不同天線的數字波束的跟蹤，跟蹤電路應用鎖頻環(Frequency Lock Loop，FLL)/鎖相環(Phase Lock Loop，PLL)相結合跟蹤算法實現對載波的跟蹤和導航電文的解調。采用載波輔助的子載波跟蹤環(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，可實現慣導對跟蹤和捕獲的輔助，基本觀測量提取單元可實現偽距、載波相位和多普勒等基本觀測量的提取。接口電路可實現加解密模塊(PRM)芯片等外設控制和對外信息交互。導航電文和觀測量數據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)解算及協議解析分發。

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構[15]

級聯型的深組合導航算法采用兩級濾波結構：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誤差(位置、速度、姿態角、慣性器件誤差等)，從而得到最優的組合導航解(位置、速度、姿態角等)；最后根據組合導航的解、電離層估計、衛星的位置、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。級聯型的深組合導航結構如圖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，構建了微小型GNC系統，如圖8所示。

圖7 深組合導航系統體系結構圖Fig.7 The structure of ultra-tightly GNSS/INS integrated navigation system

圖8 微小型GNC系統圖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用進行二次開發。

(1)嵌入式深組合導航系統動態性能測試

采用設計的微小型GNC系統，構建系統測試框圖如圖9所示。通過控制計算機生成所需的軌跡數據文件，驅動全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)/INS復合信號模擬器，使其同步輸出慣導數據(陀螺和加速度計數據)和北斗衛星射頻信號。

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

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

基于構建的半實物仿真測試系統，構建了動態測試仿真條件：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定位測速結果對比

從表1 可以看出，在50g、5g/s的高運動環境下，高動態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，且其定位精度優于10m(CEP95)，測速精度優于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定位測速結果對比

基于設計的七種高動態場景，對深耦合接收機系統跟蹤靈敏度進行測試，測試結果如表3所示。

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

表3 靈敏度測試結果統計

基于北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)/INS復合模擬器，構建BDS/INS深組合導航測試系統，對BDS/MIMU深組合導航系統性能進行測試，測試結論如下：

1)在50g、5g/s的高運動環境下，高動態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，且其定位精度優于10m(CEP95)，測速精度優于0.2m/s(CEP95)；

2)深耦合接收機能夠正常工作于100g、10g/s的超高運動環境，定位精度優于5m(CEP95)，測速精度優于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性能測試

采用陀螺精度優于3(°)/h(1s平均)，加速度計精度優于0.1mg(1s平均)進行測試，結果如圖11所示，統計結果如表4所示。

車載試驗時，先進行傳遞對準，傳遞對準姿態角精度如表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，除去主子慣導系統之間的安裝角偏差，傳遞對準精度為：

1)方位角對準精度優于0.15°(1σ)；

2)水平姿態角精度優于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)水平定位精度優于30m；

2)高度定位精度優于35m；

3)方位姿態角精度優于0.1°；

4)水平姿態角精度優于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 靜態測試結果

表5 機動時傳遞對準結果統計表

表6 100s純慣性導航誤差統計

3 結論

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系統的需求，采用MEMS IMU、北斗接收模塊、全捷聯紅外/可見光/激光等多模復合智能捷聯導引頭、信息處理系統和數據鏈通信等技術及SiP技術實現了一體化微小型GNC系統集成，并對其導航性能進行了測試評估，BDS/MIMU深組合導航系統性能測試結論如下：

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

2)高動態條件下，深組合導航系統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：水平定位精度優于30m，高度定位精度優于35m。

系統具有制導模塊的二次開發功能，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。