捷聯(lián)慣性導航計算機系統架構發(fā)展綜述

0   引言

慣性導航系統(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(shí)時(shí)解算其速度、位置及姿態(tài)的系統^[3]。慣性導航系統在運行過(guò)程中既不會(huì )接收外部信號，更不會(huì )向外輻射電磁波。高隱蔽性、全天候、快速響應^[4]的特性使得慣導系統在飛機、艦船、火箭和戰略武器中起到了核心的作用。同時(shí)慣性導航也在逐步走向民用，在海底勘探、地下開(kāi)發(fā)、隧道施工、機器人技術(shù)等新的國民經(jīng)濟應用場(chǎng)景下，有著(zhù)大量的工業(yè)落地案例，發(fā)揮了巨大作用^[5]。

慣性導航系統根據原理不同包含平臺和捷聯(lián)兩類(lèi)。前者將慣性敏感器件安裝在機械平臺上，建立慣性坐標系；而后者則將其直接安裝于載體本身，建立導航坐標系。前者的結構一般較復雜，體積龐大，低靈活性大大限制了應用場(chǎng)景，后者利用數學(xué)計算平臺取代了傳統的機械結構物理平臺，大大簡(jiǎn)化了系統結構。體積小、成本低、便于安裝、靈活更新的諸多優(yōu)點(diǎn)使得捷聯(lián)慣導系統脫穎而出，在21 世紀后廣泛取代了平臺慣導系統。

第二次世界大戰時(shí)期，德國人VonBraun 率先設計出了V-2 型火箭，它的成功發(fā)射揭開(kāi)了“慣性導航技術(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(guò)程中發(fā)生嚴重爆炸后，憑借備用的捷聯(lián)導航系統，得以安全返回地面，至此慣性導航技術(shù)的發(fā)展邁上了新的臺階并愈發(fā)成熟[6]。國內的慣性技術(shù)依賴(lài)蘇聯(lián)進(jìn)行艱難起步，篳路藍縷。在進(jìn)入2000年后，以我國的“神舟”飛船為首的航天事業(yè)廣泛應用了捷聯(lián)慣導技術(shù)，在戰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(diǎn)聚焦于捷聯(lián)慣導系統的核心計算機架構及其硬件平臺，通過(guò)分析捷聯(lián)慣導計算機的不同架構、系統組成，對其硬件架構的發(fā)展迭代情況進(jìn)行總結歸納，并結合時(shí)下的新技術(shù)對其未來(lái)發(fā)展方向提出預測。

1   導航計算機的任務(wù)分析

不管導航計算機安裝在何種類(lèi)型的物體上，它的基本工作內容都可以總結提煉出3 個(gè)基本方面：采集、解算、通信。

1.1 數據采集

通過(guò)特定串口采集陀螺儀和加速度計的輸出數據^[7]。由于輸出的信號類(lèi)型會(huì )含有模擬信號，所以要設計信號的A/D 轉換，把模擬信號轉換成為可以被處理的數字信號，這個(gè)過(guò)程中往往還伴有調理濾波等。部分場(chǎng)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 數據解算

數據解算的實(shí)質(zhì)就是利用上個(gè)時(shí)刻的導航信息，計算出這個(gè)時(shí)刻的導航信息，包括姿態(tài)、速度、位置^[8]。

1.3 和PC通信

前兩步產(chǎn)生的數據要傳輸給PC 機，進(jìn)行輸入數據和導航數據的存儲。同時(shí)需要考慮到程序錯誤、內存溢出等常見(jiàn)故障的報警和檢測功能^[9]。

2   導航計算機發(fā)展現狀

導航計算機誕生之初，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(guò)于得不夠靈活已經(jīng)被淘汰^[10]。之后人們開(kāi)始考慮研制專(zhuān)用的平臺來(lái)完成這一特定的任務(wù)。1980 年前后，研究人員開(kāi)始使用PC/104 導航計算機，它通過(guò)單獨開(kāi)發(fā)主板及插卡的架構，大幅度削減了體積和功耗。同時(shí)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(wú)法應用在較小型運載體上，因此降低功耗和縮減體積的目標還是迫在眉睫^[11]。

隨著(zhù)半導體和電子產(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，科研機構開(kāi)始研究使用各種嵌入式處理器作為核心的導航計算機。本文將聚焦國內科研單位和高校對導航計算機的研究，通過(guò)梳理大量的文獻，針對常見(jiàn)的導航計算機的體系結構進(jìn)行了分類(lèi)總結，并指出不同體系結構的優(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)的紀杭辛選用了32 位TI 公司的DSP芯片TMS320F2812 作核心^[13]，負責主要的導航解算任務(wù)。同時(shí)為了克服隨時(shí)間積累的誤差，外掛了GPS 接收機構成組合導航，進(jìn)一步成功實(shí)現了GPS/INS 位置和速度組合解算。

以浮點(diǎn)DSP 為核心的優(yōu)勢是精度高，對采集到的數據，解算處理速率快，但其缺點(diǎn)是需要擴展接口來(lái)克服外設接口比較少的弊端，但是外接擴展反而會(huì )增大導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，在接口控制和數據傳輸方面勝過(guò)DSP，但是解算速度慢于高性能的DSP。因此單核心的導航計算機大多選擇DSP。

2.2 DSP 或ARM與單片機的雙機組合系統

哈爾濱工程大學(xué)的金紅新使用單片機ATmega128L和DSP TMS320VC5402 進(jìn)行組合設計了導航計算機^[15]。擁有豐富的外設接口的單片機作為主機，負責數據采集任務(wù)，預處理任務(wù)和系統控制任務(wù)，DSP 則擔任從機的角色，專(zhuān)注于導航解算等任務(wù)，繞開(kāi)了自身較為薄弱的數據交換和外設控制。這種“主機+ 從機”的主從式、緊藕合的導航計算機的優(yōu)勢明顯成為主流選擇。

雙機組合的主從結構系統面臨的一大困難，便是雙芯之間的數據交換和共享。對數據的實(shí)時(shí)性要求很高，采集的導航數據和DSP 每次接收到的數據都要確保是最新的。在整個(gè)軟件的設計流程中，如何避免單片機和DSP 在同一時(shí)間，對同一數據存儲區進(jìn)行同時(shí)操作而產(chǎn)生讀寫(xiě)沖突成了必須要重視的問(wèn)題。因此雙機主從結構的導航計算機的通信編程常常十分復雜，從而降低整個(gè)系統可靠性、穩定性，提升了開(kāi)發(fā)設計難度。

2.3 DSP和ARM組合

為了攻克雙處理器主從結構在數據交換上的難題，DSP+ARM 的思路也應運而生。高性能、低功耗的ARM控制接口豐富，數據采集和系統控制的能力強悍，十分適合和DSP 組合設計捷聯(lián)導航計算機，便于控制體積和功耗，保證性能等同時(shí)不失適用性^[16]。但弊端在于系統硬件結構基本固定后，擴展性受到大大的限制。特別是后續如果計劃針對系統的功能進(jìn)行附加和軟硬件升級，則十分不方便。因此，這種結構的慣導計算機并沒(méi)有大規模應用到實(shí)際工程和設計任務(wù)當中。

2.4 DSP和FPGA的組合

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

哈爾濱工程大學(xué)的楊梟以“DSP+FPGA”作為雙核心的硬件架構，設計了基于光纖陀螺的捷聯(lián)導航數據處理系統^[18]。由FPGA 完成數據采集后，用多余的資源代替DSP 進(jìn)行濾波工作，DSP 只承擔接收數據后的解算。由于光纖陀螺零漂、標度因子的性能指標對溫度變化十分敏感，必須引入溫度采集模塊來(lái)進(jìn)行溫度補償。整個(gè)系統工作過(guò)程中，可以通過(guò)引入中斷響應來(lái)給FPGA濾波時(shí)間，完成任務(wù)后向DSP 提出中斷請求，再由DSP 來(lái)讀取數據^[19]。特別的是，光纖捷聯(lián)慣導系統數據采集模塊含有模擬電路，而慣導核心解算模塊為數字電路，應使用光電耦合器，隔離數據采集模塊和導航計算機模塊，從而提高電路可靠性和性能指標。

DSP 滿(mǎn)足導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(shí)現功能自定義，即使有外接擴展其他設備的需求也能十分靈活地應對。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(gè)系統后期的升級維護方便，確定的硬件不需要升級和改變，只需要對相應的軟件算法進(jìn)行升級迭代就可以設計定制化極強的導航計算機。因此這種結構的導航計算機迅速成為了當下最主流的選擇。

2.5 SOC和SOPC結構

SOC（System On Chip，片上系統）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一集成在一枚芯片上的片上系統。將傳統的DSP 或ARM 硬核處理器系統和FPGA 再進(jìn)行進(jìn)一步集成，就是SOC FPGA。當前十分成熟產(chǎn)品有Intel 公司的 Cyclone V SOCFPGA。如圖所示，它在A(yíng)RM 和FPGA 之間進(jìn)行大帶寬高速連接，同時(shí)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 在導航解算方面有很大的應用空間和前景，可以最大化利用FPGA 的可編程優(yōu)勢，完成導航數據采集和處理，進(jìn)而輔助協(xié)同ARM 進(jìn)行導航數據的解算。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，SOPC（System On a Programmable Chip，可編程片上系統）是一種特殊的SOC FPGA，最大不同在于FPGA 利用集成好的資源實(shí)現軟核CPU 而非使用硬核CPU^[20]。硬核處理器在不使用時(shí)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(shí)全部的硬件資源可給FPGA 當作資源來(lái)使用^[21]。SOPC 設計方式是依據目標需求進(jìn)行增加和刪減，極為靈活。它的軟件和硬件都可在系統級上進(jìn)行定制化編程，是目前導航計算機研究的一大熱點(diǎn)[22]。

3   結束語(yǔ)

通過(guò)梳理分析不同的慣導計算機系統架構可以看出，捷聯(lián)導航計算機的架構和硬件方案在過(guò)去的20 年間始終在變化、更新，其重要的現實(shí)原因就是半導體技術(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)慣性導航計算機未來(lái)的發(fā)展方向做出進(jìn)一步的展望和預測：

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

2）充分利用半導體電子設計行業(yè)的自動(dòng)化設計技術(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行硬件系統可編程的開(kāi)發(fā)，設計出以SOCFPGA 和SOPC 架構為代表的擴展性更強、自定義程度更高的定制化導航計算機系統；

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

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）