微PNT技術(shù)現(xiàn)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(shù)現(xiàn)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(shù)的發(fā)展帶動了慣性技術(shù)和時鐘技術(shù)的迅速進步，導(dǎo)致了微PNT（Micro-PNT）技術(shù)的出現(xiàn)，該技術(shù)成為在衛(wèi)星導(dǎo)航不可用時為用戶（尤其是微小作戰(zhàn)平臺）提供定位、導(dǎo)航與授時（PNT）服務(wù)的重要手段，本文重點研究美國微PNT技術(shù)架構(gòu)及部分子項目進展情況。

關(guān)鍵詞：微PNT；芯片原子鐘；微陀螺

1　背景和意義

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

2　技術(shù)構(gòu)架

該項目利用芯片級IMU技術(shù)取代傳統(tǒng)導(dǎo)航、定位與授時手段，縮小系統(tǒng)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(guān)鍵領(lǐng)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(shù)，Micro-PNT還將開發(fā)“即插即測”的體系構(gòu)架，如圖1所示。

Micro-PNT項目兩大基礎(chǔ)工作是時鐘和慣性傳感器領(lǐng)域的研發(fā)，DARPA希望利用微電子和微機電系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)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(fā)出芯片及組合原子導(dǎo)航儀，實現(xiàn)微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并為相關(guān)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(tài)應(yīng)用范圍，降低時鐘和慣性傳感器的長期漂移，開發(fā)可以提供PNT信息的超小芯片。新型微型慣性導(dǎo)航設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)和平臺的機動性和魯棒性，滿足UHF通信、導(dǎo)航的復(fù)雜需求。和傳統(tǒng)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(huán)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(shù)（IMPACT)

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

IMPACT子項目共分三個階段，第二階段目標(biāo)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(tǒng)（MEMS）技術(shù)開發(fā)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(dǎo)航的傳統(tǒng)陀螺儀。

MRIG目前采用玻璃合金等非傳統(tǒng)材料進行細微加工，已經(jīng)完成了包括環(huán)形、杯形等小的3D結(jié)構(gòu)焊接，同時采用了替代傳統(tǒng)玻璃吹制方法制造慣性傳感器的新工藝，可以產(chǎn)生接近10Hz的頻率，滿足導(dǎo)航精度的要求。

3.2.2 導(dǎo)航級慣性微陀螺儀（NGIMG)

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

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

3.3 微尺度集成

3.3.1 芯片級組合原子導(dǎo)航儀（C-SCAN)

一種將固態(tài)和原子慣性傳感器集成在單個微系統(tǒng)內(nèi)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(fā)完成后的慣性測量單元將集成陀螺儀和加速度計，預(yù)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(jié)構(gòu)和算法的集成工作；第三階段將對C-SCAN微系統(tǒng)進行集成和驗證。

4　結(jié)語

微型慣性導(dǎo)航裝備漂移率低，具有較高的精度，可以在衛(wèi)星信號拒止條件下提供精確定位能力，滿足地下、水下、室內(nèi)等特殊環(huán)境下的作戰(zhàn)需求；且功耗低、體積小、重量輕，尤其適用于微/小型作戰(zhàn)平臺上，這將有可能衍生出多種新型作戰(zhàn)模式。微PNT技術(shù)在民用交通、手機通信、科學(xué)考察等領(lǐng)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(wù)[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2013(04).

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