捷聯(lián)慣性導(dǎo)航計算機系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展綜述

王猛 吳一 張宇 王萌

摘 要：為了滿足捷聯(lián)導(dǎo)航計算機高精度、低成本、低功耗和小型化的要求，本文針對捷聯(lián)導(dǎo)航計算機進(jìn)行研究。首先介紹慣性導(dǎo)航的基本概念，引出捷聯(lián)慣性導(dǎo)航計算機這一概念。然后簡單分析了導(dǎo)航計算機的基本工作任務(wù)。再從硬件架構(gòu)上分類列舉了五類不同的硬件實現(xiàn)方式，并分析它們的優(yōu)勢和不足。最后對未來捷聯(lián)導(dǎo)航計算機的發(fā)展進(jìn)行了進(jìn)一步展望。

關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣性導(dǎo)航；導(dǎo)航計算機；DSP；FPGA

0 引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）[1]，是利用陀螺儀和加速度計[2]，測量載體的加速度和角速度，并實時解算其速度、位置及姿態(tài)的系統(tǒng)[3]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在運行過程中既不會接收外部信號，更不會向外輻射電磁波。高隱蔽性、全天候、快速響應(yīng)[4]的特性使得慣導(dǎo)系統(tǒng)在飛機、艦船、火箭和戰(zhàn)略武器中起到了核心的作用。同時慣性導(dǎo)航也在逐步走向民用，在海底勘探、地下開發(fā)、隧道施工、機器人技術(shù)等新的國民經(jīng)濟應(yīng)用場景下，有著大量的工業(yè)落地案例，發(fā)揮了巨大作用[5]。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)原理不同包含平臺和捷聯(lián)兩類。前者將慣性敏感器件安裝在機械平臺上，建立慣性坐標(biāo)系；而后者則將其直接安裝于載體本身，建立導(dǎo)航坐標(biāo)系。前者的結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，體積龐大，低靈活性大大限制了應(yīng)用場景，后者利用數(shù)學(xué)計算平臺取代了傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)物理平臺，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。體積小、成本低、便于安裝、靈活更新的諸多優(yōu)點使得捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)脫穎而出，在21世紀(jì)后廣泛取代了平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)。

第二次世界大戰(zhàn)時期，德國人VonBraun率先設(shè)計出了V-2型火箭，它的成功發(fā)射揭開了“慣性導(dǎo)航技術(shù)”這一新興的領(lǐng)域。1970年4月，美國宇航局的“阿波羅13號”載人飛船在任務(wù)過程中發(fā)生嚴(yán)重爆炸后，憑借備用的捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)，得以安全返回地面，至此慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展邁上了新的臺階并愈發(fā)成熟[6]。國內(nèi)的慣性技術(shù)依賴蘇聯(lián)進(jìn)行艱難起步，篳路藍(lán)縷。在進(jìn)入2000年后，以我國的“神舟”飛船為首的航天事業(yè)廣泛應(yīng)用了捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)，在戰(zhàn)略武器和運載火箭等國防領(lǐng)域成為了中堅力量。本文將重點聚焦于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心計算機架構(gòu)及其硬件平臺，通過分析捷聯(lián)慣導(dǎo)計算機的不同架構(gòu)、系統(tǒng)組成，對其硬件架構(gòu)的發(fā)展迭代情況進(jìn)行總結(jié)歸納，并結(jié)合時下的新技術(shù)對其未來發(fā)展方向提出預(yù)測。

1 導(dǎo)航計算機的任務(wù)分析

不管導(dǎo)航計算機安裝在何種類型的物體上，它的基本工作內(nèi)容都可以總結(jié)提煉出3個基本方面：采集、解算、通信。

1.1 數(shù)據(jù)采集

通過特定串口采集陀螺儀和加速度計的輸出數(shù)據(jù)[7]。由于輸出的信號類型會含有模擬信號，所以要設(shè)計信號的A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換成為可以被處理的數(shù)字信號，這個過程中往往還伴有調(diào)理濾波等。部分場景還要考慮到溫度對慣性敏感元件的影響，進(jìn)行溫度信號的采樣處理。

1.2 數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)解算的實質(zhì)就是利用上個時刻的導(dǎo)航信息，計算出這個時刻的導(dǎo)航信息，包括姿態(tài)、速度、位置[8]。

1.3 和PC通信

前兩步產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要傳輸給PC機，進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的存儲。同時需要考慮到程序錯誤、內(nèi)存溢出等常見故障的報警和檢測功能[9]。

2 導(dǎo)航計算機發(fā)展現(xiàn)狀

導(dǎo)航計算機誕生之初，直接采用的是體積和重量都十分龐大，且運行功耗很高的PC機，但由于其過于得不夠靈活已經(jīng)被淘汰[10]。之后人們開始考慮研制專用的平臺來完成這一特定的任務(wù)。1980年前后，研究人員開始使用PC/104導(dǎo)航計算機，它通過單獨開發(fā)主板及插卡的架構(gòu)，大幅度削減了體積和功耗。同時為了提高適用性采用了更為通用的電源供電。其處理器通用配置是Intel公司的 8086，運行在Linux和DOS操作系統(tǒng)下。但是PC/104要擴展多串行口和外接AD采樣卡，進(jìn)而降低了其靈活性，使其幾乎無法應(yīng)用在較小型運載體上，因此降低功耗和縮減體積的目標(biāo)還是迫在眉睫[11]。

隨著半導(dǎo)體和電子產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展，通用CPU、微控制器MCU和DSP處理器的優(yōu)勢逐步展露[12]。伴隨嵌入式編程的興起，科研機構(gòu)開始研究使用各種嵌入式處理器作為核心的導(dǎo)航計算機。本文將聚焦國內(nèi)科研單位和高校對導(dǎo)航計算機的研究，通過梳理大量的文獻(xiàn)，針對常見的導(dǎo)航計算機的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類總結(jié)，并指出不同體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和不足。

2.1 以DSP、ARM或單片機作為單獨的核心處理器

電子科技大學(xué)的紀(jì)杭辛選用了32 位TI公司的DSP芯片TMS320F2812作核心[13]，負(fù)責(zé)主要的導(dǎo)航解算任務(wù)。同時為了克服隨時間積累的誤差，外掛了GPS接收機構(gòu)成組合導(dǎo)航，進(jìn)一步成功實現(xiàn)了GPS/INS位置和速度組合解算。

以浮點DSP為核心的優(yōu)勢是精度高，對采集到的數(shù)據(jù)，解算處理速率快，但其缺點是需要擴展接口來克服外設(shè)接口比較少的弊端，但是外接擴展反而會增大導(dǎo)航計算機的體積與功耗[14]?？v然ARM擁有更完善的軟件生態(tài)系統(tǒng)，在接口控制和數(shù)據(jù)傳輸方面勝過DSP，但是解算速度慢于高性能的DSP。因此單核心的導(dǎo)航計算機大多選擇DSP。

2.2 DSP 或ARM與單片機的雙機組合系統(tǒng)

哈爾濱工程大學(xué)的金紅新使用單片機ATmega128L和DSP TMS320VC5402進(jìn)行組合設(shè)計了導(dǎo)航計算機[15]。擁有豐富的外設(shè)接口的單片機作為主機，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，預(yù)處理任務(wù)和系統(tǒng)控制任務(wù)，DSP則擔(dān)任從機的角色，專注于導(dǎo)航解算等任務(wù)，繞開了自身較為薄弱的數(shù)據(jù)交換和外設(shè)控制。這種“主機+從機”的主從式、緊藕合的導(dǎo)航計算機的優(yōu)勢明顯成為主流選擇。

雙機組合的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)面臨的一大困難，便是雙芯之間的數(shù)據(jù)交換和共享。對數(shù)據(jù)的實時性要求很高，采集的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和DSP每次接收到的數(shù)據(jù)都要確保是最新的。在整個軟件的設(shè)計流程中，如何避免單片機和DSP在同一時間，對同一數(shù)據(jù)存儲區(qū)進(jìn)行同時操作而產(chǎn)生讀寫沖突成了必須要重視的問題。因此雙機主從結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航計算機的通信編程常常十分復(fù)雜，從而降低整個系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，提升了開發(fā)設(shè)計難度。

2.3 DSP和ARM組合

為了攻克雙處理器主從結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)交換上的難題，DSP+ARM的思路也應(yīng)運而生。高性能、低功耗的ARM控制接口豐富，數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制的能力強悍，十分適合和DSP組合設(shè)計捷聯(lián)導(dǎo)航計算機，便于控制體積和功耗，保證性能等同時不失適用性[16]。但弊端在于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)基本固定后，擴展性受到大大的限制。特別是后續(xù)如果計劃針對系統(tǒng)的功能進(jìn)行附加和軟硬件升級，則十分不方便。因此，這種結(jié)構(gòu)的慣導(dǎo)計算機并沒有大規(guī)模應(yīng)用到實際工程和設(shè)計任務(wù)當(dāng)中。

2.4 DSP和FPGA的組合

進(jìn)入21世紀(jì)人們希望將導(dǎo)航計算機部署應(yīng)用在更多的場景中。這種需求對導(dǎo)航計算機進(jìn)一步提出了體積更小、成本更低、維護(hù)更方便等新發(fā)展方向和要求[17]。特別是半導(dǎo)體芯片革命性的迭代發(fā)展使得迷你捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)成為了可能。FPGA擁有豐富的邏輯資源、強大的邏輯控制和時序控制能力，讓人們看到了應(yīng)用的可能。特別是它還有足夠的擴展IO接口，并且在數(shù)字信號處理方面的不俗能力，使得利用FPGA設(shè)計捷聯(lián)導(dǎo)航計算機成為現(xiàn)實。

哈爾濱工程大學(xué)的楊梟以“DSP+FPGA”作為雙核心的硬件架構(gòu)，設(shè)計了基于光纖陀螺的捷聯(lián)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[18]。由FPGA完成數(shù)據(jù)采集后，用多余的資源代替DSP進(jìn)行濾波工作，DSP只承擔(dān)接收數(shù)據(jù)后的解算。由于光纖陀螺零漂、標(biāo)度因子的性能指標(biāo)對溫度變化十分敏感，必須引入溫度采集模塊來進(jìn)行溫度補償。整個系統(tǒng)工作過程中，可以通過引入中斷響應(yīng)來給FPGA濾波時間，完成任務(wù)后向DSP提出中斷請求，再由DSP來讀取數(shù)據(jù)[19]。特別的是，光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊含有模擬電路，而慣導(dǎo)核心解算模塊為數(shù)字電路，應(yīng)使用光電耦合器，隔離數(shù)據(jù)采集模塊和導(dǎo)航計算機模塊，從而提高電路可靠性和性能指標(biāo)。

DSP滿足導(dǎo)航計算機對解算算法的高精度要求，且FPGA眾多的接口便于實現(xiàn)功能自定義，即使有外接擴展其他設(shè)備的需求也能十分靈活地應(yīng)對。DSP+FPGA這一對組合在保證了高性能、高可靠性的核心要求前提下，也符合了小體積、低功耗的新發(fā)展要求。最重要的是，整個系統(tǒng)后期的升級維護(hù)方便，確定的硬件不需要升級和改變，只需要對相應(yīng)的軟件算法進(jìn)行升級迭代就可以設(shè)計定制化極強的導(dǎo)航計算機。因此這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航計算機迅速成為了當(dāng)下最主流的選擇。

2.5 SOC和SOPC結(jié)構(gòu)

SOC（System On Chip，片上系統(tǒng)）是由中央處理器控制存儲器件和其他功能模塊并將他們統(tǒng)一集成在一枚芯片上的片上系統(tǒng)。將傳統(tǒng)的DSP或ARM硬核處理器系統(tǒng)和FPGA再進(jìn)行進(jìn)一步集成，就是SOC FPGA。當(dāng)前十分成熟產(chǎn)品有Intel公司的 Cyclone V SOC FPGA。如圖所示，它在ARM和FPGA之間進(jìn)行大帶寬高速連接，同時擁有兩者的優(yōu)勢：既可以靈活地運行圖形化Linux，又可靈活定制豐富的IO。SOC FPGA在導(dǎo)航解算方面有很大的應(yīng)用空間和前景，可以最大化利用FPGA的可編程優(yōu)勢，完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集和處理，進(jìn)而輔助協(xié)同ARM進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算。

進(jìn)一步來說，SOPC（System On a Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）是一種特殊的SOC FPGA，最大不同在于FPGA利用集成好的資源實現(xiàn)軟核CPU而非使用硬核CPU[20]。硬核處理器在不使用時仍要占用FPGA資源，而人為搭建的軟核處理器（NIOS II）在不使用時全部的硬件資源可給FPGA當(dāng)作資源來使用[21]。SOPC設(shè)計方式是依據(jù)目標(biāo)需求進(jìn)行增加和刪減，極為靈活。它的軟件和硬件都可在系統(tǒng)級上進(jìn)行定制化編程，是目前導(dǎo)航計算機研究的一大熱點[22]。

3 結(jié)束語

通過梳理分析不同的慣導(dǎo)計算機系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，捷聯(lián)導(dǎo)航計算機的架構(gòu)和硬件方案在過去的20年間始終在變化、更新，其重要的現(xiàn)實原因就是半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步所誕生的更為優(yōu)秀的核心處理器在不斷變化。這里對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航計算機未來的發(fā)展方向做出進(jìn)一步的展望和預(yù)測：

1）進(jìn)一步實現(xiàn)更低成本、更小體積和更低功耗仍然是迫切的發(fā)展愿景；

2）充分利用半導(dǎo)體電子設(shè)計行業(yè)的自動化設(shè)計技術(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行硬件系統(tǒng)可編程的開發(fā)，設(shè)計出以SOC FPGA和SOPC架構(gòu)為代表的擴展性更強、自定義程度更高的定制化導(dǎo)航計算機系統(tǒng)；

3）針對嵌入式操作系統(tǒng)更廣泛的挖掘和迭代，通過軟件設(shè)計提升系統(tǒng)核心算法的可靠性。

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