微型定位导航授时系统集成设计

2019-05-16王国栋邢朝洋王振凯孙丽艳

导航定位与授时 2019年3期

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)

0 引言

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。

1 国内外研究现状

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。

2 Micro-PNT集成设计

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。

2.1 系统硬件集成设计

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。

2.2 系统软件设计

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

2.3 Micro-PNT集成样机

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。

3 三维TSV集成设计

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。