王国栋,邢朝洋,杨 亮,王振凯,孙丽艳
(北京航天控制仪器研究所,北京 100094)
时空信息是人们一切活动的基础,也是信息有效传递和交互的根本。宇宙是时间和空间的统一,宇宙是在不断运动和变化的。生活在宇宙中的人们开展一切活动,需要时时刻刻知道自己所在的位置。定位导航授时(Positioning, Navigation and Timing,PNT)技术是指用来获取对象时空信息的技术,是军事行动和社会经济活动共同的基础。PNT系统有多种,包括全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)及其(天基、地基)增强系统、区域导航系统、长波授时系统、短波授时系统、网络授时系统、微波着陆系统、惯性导航系统、天文导航系统、重力/地磁/图像匹配导航系统以及多源组合导航系统等[1-3]。Micro-PNT(Micro Positioning Navigation and Timing)作为一种微型化的PNT系统,成为PNT技术发展的一个重要方向。
Micro-PNT是以微电子技术和微机电系统(MicroElectroMechanical System,MEMS)技术为基础,集成MEMS陀螺、MEMS加速度计和芯片级原子钟等器件,满足多种平台导航、定位、授时等对小型化、低功耗、高可靠等方面的需求。Micro-PNT目的在于降低各种平台对GNSS的依赖,为它们提供GNSS短时拒止条件下可靠的导航与授时能力。虽然Micro-PNT技术得到国内众多研究机构的关注和投入,但是仍然处于摸索和发展阶段,并且没有一款原型验证系统样机。基于目前的器件和集成工艺技术,提出了一种Micro-PNT样机设计方案,并开展了样机研制,为Micro-PNT的应用和发展奠定了基础。
美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)从2002年起陆续分别资助芯片级原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)、集成化微型主原子钟技术(Integrated Micro Primary Atomic Clock Technology,IMPACT)、导航级集成微陀螺(Navigation Grade Integrated Micro Gyroscope,NGIMG)、信息控制的微型自主旋转平台(Information Tethered Micro Automated Rotary Stages,ITMARS)、微型惯性导航技术(Micro Inertial Navigation Technology,MINT)共5项研究。2010年,正式启动微型定位导航授时技术(Micro-PNT)计划,在前期研究部署的基础上新增了5个项目,如图1所示。
图1 美国的Micro-PNT计划Fig.1 American Micro-PNT research program
微尺度速率积分陀螺(Micro Scale Rate Integ-rating Gyroscope,MRIG)、活动层的初级和次级校准(Primary and Secondary Calibration on Active Layer,PASCAL)、单芯片时间和惯性测量单元(Ti-ming and Inertial Measurement Unit,TIMU)、芯片级组合原子导航仪(Chip Scale Combinatorial Atomic Navigator,C-SCAN)以及惯性导航和授时设备使用的获取、记录和分析平台(Platform for Acquisition, Logging, and Analysis of Devices for Inertial Navi-gation & Timing,PALADIN&T)。到目前为止,DAR-PA已投入近5亿美元实施Micro-PNT计划[4-5]。
MEMS陀螺和MEMS加速度计作为Micro-PNT的核心部件,目标是导航级(陀螺零偏稳定性0.01(°)/h、加表的零偏稳定性100μg)、芯片化。受限于技术发展水平,一直未能突破精度瓶颈,目前最具发展潜力的高精度芯片化陀螺是MEMS谐振环陀螺,精度已经实现优于0.1(°)/h[6]的水平。MEMS加速度计成熟度相对较高,目前最具发展潜力的高精度芯片化加速度计是MEMS谐振式加速度计,精度达到优于50μg的水平[7]。高精度时钟的典型代表是美国迅腾公司的SA.45s产品[8-9],工作原子是Cs、体积小于17cm3、秒稳优于3×10-10、稳态功耗小于120mW,是目前唯一款产品化的芯片级相干布局数囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子钟。2018年7月,美国麻省理工学院的一则报道指出,该院研究团队开发出第一个芯片级分子钟,该型时钟在体积、成本方面相比CPT原子钟更具优势,且精度与微型原子钟相当[10]。系统的微尺度集成是以器件的芯片化为基础的,受限于原子钟的体积和MEMS仪表的精度水平,DARPA构想的微尺度集成计划未能获得实质性进展。
中国在2013年启动了Micro-PNT的技术论证,“十三五”期间,在有关部门的大力支持下,部分先导类项目如器件技术、集成技术得到发展。但是,受器件技术[11-13]和集成技术的限制,Micro-PNT一直处于发展之中。国内的MEMS陀螺仪的精度达到5(°)/h水平,MEMS加速度计的精度为100μg的水平。高精度时钟方面,主要的研究单位包括北京大学、中科院物理与数学研究所、成都天奥等,精度水平与国外相当,但是在体积、重量、功耗方面,整体上与国外存在一定差距。在系统集成与应用技术研究方面,国内的清华大学、北京自动化控制设备研究所、国防科技大学、华东光电集成器件研究所等单位,开展了单项技术研究,结合卫星导航接收机,发挥互补优势,开展前期验证工作。北京航天控制仪器研究所基于惯性技术研究的优势,结合原子钟的工作特点,率先开展了Micro-PNT系统集成样机的研制工作,并完成了首台样机的集成开发。
Micro-PNT是建立在芯片级、高精度惯性仪表和时钟基础之上的,是惯性导航技术、时钟技术和微系统集成技术相结合的产物,是信息化、网络化、协同一体化发展的必然趋势。CPT原子钟是目前尺寸最小的原子钟,但是由于其光学结构腔体体积较大,因此CPT原子钟未能实现芯片化。对于系统集成而言,时钟芯片化成为系统集成的瓶颈。由于受仪表和时钟技术的限制,Micro-PNT的系统集成需要经历2个阶段。第一阶段:基于封装后的MEMS惯性仪表、高精度时钟和传统的PCB集成技术,进行M-PNT的一体化集成;第二阶段:基于裸芯级MEMS惯性仪表和高精度时钟以及三维硅通孔 (Through-Silicon Vias,TSV)集成工艺,进行M-PNT的一体化集成。下面重点介绍了第一种集成方案以及研制的样机。
Micro-PNT系统是以芯片级的MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、CPT原子钟为基础的。系统的工作原理如图2所示,Micro-PNT是GNSS的有益补充,在GNSS正常情况下,系统通过惯性/GNSS的组合导航估计惯性导航的误差,并实时修正该误差;同时利用GNSS提供的协调世界时(Coordinated Universal Time,UTC)信息修正CPT原子钟的时标信息。在GNSS拒止条件下,系统工作依赖于纯惯性导航和CPT原子钟,提供短时高精度的导航信息和时钟信息。
图2 Micro-PNT系统的工作原理Fig.2 Working principle of Micro-PNT
根据仪表的特点,系统采用刚挠板一体设计,集成到一块刚挠结构的电路板上,实现一体化制造。在制造完成之后,通过挠性弯曲安装于正交结构面上,实现MEMS惯性仪表的三轴正交。系统的构成如图3所示,包含底面、侧面1、侧面2、顶面共计4个面。4个安装面之间通过挠性带连接实现信号的交互,挠性带的弯曲半径≥3mm。刚挠结合板组件的安装示意图如图4所示。
图3 系统的构成Fig.3 Composition of the system
图4 刚挠结合板组件的安装示意图Fig.4 Layout scheme of Micro-PNT rigid-flexible integration
其中,微处理器部分由DSP+FPGA及外围电路实现。微处理器接收来自MEMS惯性仪表的信息和接收机的信息,完成捷联解算、信息融合和组合导航解算,输出高精度的位置、速度、姿态和时钟信息。同时,GNSS输出的UTC、秒脉冲(Pulse Per Second, PPS)、位置等信息,可以实现CPT原子钟、惯性导航的初始化。
系统包含2个时钟源,分别是CPT原子钟的10MHz频率输出和有源晶振的18.432MHz频率输出。其中10MHz频率是系统主时钟,并实现授时功能;有源晶振的输出通过分频供串口通信使用。时钟电路如图5所示。
图5 时钟电路框图Fig.5 Block diagram of time clock circuit
系统上电后,CPT原子钟通过卫星接收机的PPS输出信号进行频率驯服,并通过串口将授时信息和状态信息发送至数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)中。
Micro-PNT系统作为飞行器、车载终端等载体的导航和授时单元,其主要功能是完成卫星导航信号拒止条件下的导航和授时功能。在卫星导航信号正常时,可以修正惯性导航和CPT原子钟的累积误差[14]。因此,系统工作在两种状态下:一是组合导航和授时状态;一是惯性导航和守时状态。
系统的软件工作流程如图6所示。首先使系统上电复位,向各个模块的控制寄存器写入控制命令字,对硬件的各个模块进行初始化设置,包括惯性导航解算的初始导航信息赋值和CPT原子钟的时间同步。初始化之后,DSP发送开始运行信号,启动DSP计时器和定时中断,DSP的定时中断模块在计数器进行5ms计数后就会产生一个内部中断信号,使程序进入导航解算部分,判断GNSS导航信息是否可用。如果可用,利用卫星导航解算的定位信息和时间信息进行组合导航解算,以修正惯性导航的累积误差;同时利用卫星导航的PPS和UTC,对时钟信息进行校正,以消除时钟的误差。如果不可用,只进行惯导解算和计时。最后,系统输出高精度的导航和时间信息。
图6 系统的软件工作流程Fig.6 Work flow of system
为了验证系统集成的方案,通过选择合适的MEMS陀螺、MEMS加速度计、CPT原子钟,基于刚挠一体化电路设计以及相应的结构设计,完成了系统样机的研制。Micro-PNT集成的样机如图7所示,系统的体积为65mm×65mm×30mm。
图7 Micro-PNT样机Fig.7 Prototype of Micro-PNT
通过集成的样机可以看出,系统的体积、重量比较大,主要原因有以下几个方面:1)MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、处理器等器件,均采用已封装器件,封装相比内部芯片,面积大大增加;2)CPT原子钟体积占比较大,是系统微型化的重要瓶颈;3)系统集成采用传统的PCB板平面集成工艺和刚挠一体化集成工艺,不能有效地利用空间资源。因此,随着器件技术的发展和成熟,为了实现Micro-PNT系统的进一步微型化,需要采用三维微系统集成工艺技术。
随着高精度时钟技术的发展和三维集成封装工艺技术的成熟,Micro-PNT系统将进一步实现微型化、低功耗和低成本。基于TSV、IPD、FC等工艺[15-16],可以实现Micro-PNT的微系统集成。MEMS惯性系统的三轴正交集成决定了系统需要3个安装面,每个安装面可以分别进行多芯片立体集成形成一个模块,之后3个模块进行三维组装,实现系统的三维立体集成。图8给出了一个安装面TSV集成的示意图。
图8 多芯片TSV立体集成Fig.8 3D TSV integration of multi-chips
Micro-PNT的三维集成分为2个层次进行,第一层次是多芯片的TSV集成。每个安装面按照图8所示的方式进行TSV集成,每个芯片上设计有多个用于垂直连接的金属突出或者凹槽,从而实现了多个芯片直接垂直连接,形成相对独立的模块;第二个层次是模块级立体集成技术。模块级立体集成是通过设计微型立方体等机械结构,将通过采用上述集成方式完成集成的模块进行再一次集成,微型机械结构的每一个面都可以集成一个模块,实现系统的一体化集成,集成方式如图9所示。
图9 模块级的立体集成Fig.9 3D integration of modulations
Micro-PNT系统技术是针对GNSS拒止条件下微小型无人机、制导弹药、单兵、车辆等平台的信息化、网络化时空信息感知应用需求,采用微系统集成工艺集成的一种导航级、微小型时空信息感知系统。通过分析MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、CPT原子钟的国内外研究现状,可以得出以下结论:
1)国内的MEMS陀螺仪和加速度计相比国外精度水平相差至少1个数量级,相比Micro-PNT的导航级应用还有较大差距;
2)高精度的CPT原子钟能够满足多种平台的时频应用需求,但是体积仍然是制约Micro-PNT系统微型化的因素;
3)提出了一种基于现有的MEMS陀螺仪、加速度计、CPT原子钟的集成方案,并率先在国内完成了样机研制;
4)基于芯片级器件,采用微系统集成工艺,提出了一种Micro-PNT系统集成方案,能够实现系统的高密度、微尺度集成。