基于DSP在捷聯(lián)慣性制導技術(shù)中的應用

1 引言

捷聯(lián)慣性制導是隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的慣性制導技術(shù)，由于它是用一個(gè)數學(xué)平臺來(lái)代替平臺式慣性制導系統中的陀螺穩定平臺，因而具有成本低、結構簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但正是由于沒(méi)有穩定平臺，其慣性器件的測量值就不能直接用于導航計算，而必須先經(jīng)過(guò)復雜的數學(xué)變換把其變?yōu)榉蠈Ш接嬎阋蟮闹?，這樣捷聯(lián)慣性制導在計算上十分復雜，同時(shí)對計算裝置的性能也提出了很高的要求。

2捷聯(lián)慣性制導的工作原理

由于去掉了穩定平臺，捷聯(lián)慣性制導將慣性器件直接固聯(lián)于彈體上。這樣，其慣性器件所測得的值便是沿彈體坐標系軸向的測量值。由于彈體坐標系是運動(dòng)坐標系，而導航計算是以參考坐標系（導航坐標系）為參照來(lái)確定彈的位置、速度、姿態(tài)等運動(dòng)參數的。因此，彈體坐標系下的測量值不能直接用于導航計算，而必須先對它們進(jìn)行變換，以將其變換到導航坐標系，然后再進(jìn)行導航計算。具體的變換會(huì )因所選的參考坐標系的不同而有所不同，其基本過(guò)程如下：

（1）計算機根據陀螺的輸出計算出姿態(tài)角；
（2）根據姿態(tài)角參數，確定用來(lái)進(jìn)行坐標變換的方向余弦矩陣；
（3）把彈體坐標系下的加速度用方向余弦矩陣變換到導航坐標系下；
（4）根據相應的力學(xué)編排方程算出彈體的即時(shí)速度、位置等制導參數。

圖1所示是一個(gè)捷聯(lián)慣性制導的工作原理示意圖。該系統的坐標系變換過(guò)程需要進(jìn)行大量的矩陣運算，而變換后的導航計算主要是積分運算。因此，從計算方面來(lái)看，捷聯(lián)慣性制導在計算上是很復雜的，沒(méi)有相當的硬件支持是無(wú)法實(shí)現的。但從其它方面來(lái)看，省掉穩定平臺又使得捷聯(lián)慣性制導系統具有結構簡(jiǎn)單，可靠性高，容易制造，體積小，重量輕，成本低等特點(diǎn)。所以，捷聯(lián)慣性制導利用數學(xué)技術(shù)實(shí)現了系統結構的簡(jiǎn)化，并由此帶來(lái)了工程技術(shù)上的優(yōu)越性。因此，小型戰術(shù)制導武器系統很適合采用這種技術(shù)。

3 捷聯(lián)慣性制導系統的設計

3．1 DSP技術(shù)介紹

DSP（數字信號處理器）是一種特殊結構的微處理器，該類(lèi)器件原本主要是用來(lái)對數字信號進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）、卡爾曼濾波等運算量極大且要求實(shí)時(shí)計算的系統進(jìn)行處理的。為達到快速進(jìn)行數字信號處理的目的，DSP芯片應有一些特殊硬件結構，具體表現如下：

（1）哈佛結構：哈佛結構是并行體系結構，主要特點(diǎn)是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個(gè)互相獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址，獨立訪(fǎng)問(wèn)。與兩個(gè)存儲器相對應的是系統中的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，這兩條總線(xiàn)可使數據吞吐量提高一倍。
（2）流水線(xiàn)操作：該操作與哈佛結構相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線(xiàn)操作方式以減少指令執行時(shí)間，增強處理器的處理能力；
（3）專(zhuān)用的硬件乘法器：乘法可以在一個(gè)指令周期內完成；
（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專(zhuān)門(mén)用于數字信號處理的特殊指令；
（5）快速的指令周期：由于采用哈佛結構、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計，因此，DSP芯片的指令周期可降到20ns以下，而快速的指令周期則可使DSP芯片能夠實(shí)現很多實(shí)時(shí)計算的應用。

可以看出，DSP的高速實(shí)時(shí)計算能力很強。因此，捷聯(lián)慣性制導需要進(jìn)行的大量實(shí)時(shí)計算非常適合用DSP芯片來(lái)實(shí)現。

3．2 制導系統電路設計

捷聯(lián)慣性制導理論將整個(gè)系統電路按功能分成三大模塊，即計算機模塊、數據采集模塊、通訊與控制接口模塊。其中計算機模塊負責全系統所有的計算和控制工作；數據采集模塊負責從慣性器件采集數據；通訊與控制接口模塊負責計算機模塊與系統外其它設備的通訊工作和對彈體飛行控制機構的控制工作。三大模塊之間通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行互連。其系統功能結構示意圖如圖2所示。從圖中可以看出，計算機模塊是全系統的核心，是唯一有計算能力的部分，系統中所有軟件功能均在此實(shí)現。所以，本模塊設計的好壞對整個(gè)系統的性能影響很大，是系統全部電路設計的關(guān)鍵。下面重點(diǎn)介紹這部分電路的設計。

對于一個(gè)計算機電路來(lái)說(shuō)，決定其性能的最重要部分當然是處理器。所以，本模塊采用什么樣的處理器也就成了這部分電路設計的重點(diǎn)。綜合捷聯(lián)慣性制導的特點(diǎn)和系統的設計要求，筆者選用TI公司的TMS320C32PCMA50（簡(jiǎn)稱(chēng)C32）作處理器。C32是一種32位高性能浮點(diǎn)數字信號處理器（DSP），與一般的DSP芯片相比，C32允許數據存放在程序存儲器中并被算術(shù)運算指令直接引用，從而增強了芯片的靈活性；另外，C32也可以將指令存儲在高速緩沖器Cache中。這樣，當執行此指令時(shí)，就不需要再從存儲器中讀取指令，從而節約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。C32的運算速度高達60MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運算）和25MIPS（每秒百萬(wàn)次指令）。所以，不論從速度上，還是精度上，C32都完全可以滿(mǎn)足捷聯(lián)慣性制導系統的設計要求。