捷聯(lián)慣性制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用分析

?　1 引言
　　捷聯(lián)慣性制導(dǎo)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的慣性制導(dǎo)技術(shù)，由于它是用一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)來代替平臺(tái)式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，因而具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但正是由于沒有穩(wěn)定平臺(tái)，其慣性器件的測(cè)量值就不能直接用于導(dǎo)航計(jì)算，而必須先經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換把其變?yōu)榉蠈?dǎo)航計(jì)算要求的值，這樣捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計(jì)算上十分復(fù)雜，同時(shí)對(duì)計(jì)算裝置的性能也提出了很高的要求。
　　2捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的工作原理
　　由于去掉了穩(wěn)定平臺(tái)，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)將慣性器件直接固聯(lián)于彈體上。這樣，其慣性器件所測(cè)得的值便是沿彈體坐標(biāo)系軸向的測(cè)量值。由于彈體坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，而導(dǎo)航計(jì)算是以參考坐標(biāo)系（導(dǎo)航坐標(biāo)系）為參照來確定彈的位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的。因此，彈體坐標(biāo)系下的測(cè)量值不能直接用于導(dǎo)航計(jì)算，而必須先對(duì)它們進(jìn)行變換，以將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后再進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。具體的變換會(huì)因所選的參考坐標(biāo)系的不同而有所不同，其基本過程如下：
　　（1）計(jì)算機(jī)根據(jù)陀螺的輸出計(jì)算出姿態(tài)角；
　　（2）根據(jù)姿態(tài)角參數(shù)，確定用來進(jìn)行坐標(biāo)變換的方向余弦矩陣；
　?。?）把彈體坐標(biāo)系下的加速度用方向余弦矩陣變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下；
　?。?）根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)編排方程算出彈體的即時(shí)速度、位置等制導(dǎo)參數(shù)。
　　圖1所示是一個(gè)捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的工作原理示意圖。該系統(tǒng)的坐標(biāo)系變換過程需要進(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算，而變換后的導(dǎo)航計(jì)算主要是積分運(yùn)算。因此，從計(jì)算方面來看，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計(jì)算上是很復(fù)雜的，沒有相當(dāng)?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>硬件支持是無法實(shí)現(xiàn)的。但從其它方面來看，省掉穩(wěn)定平臺(tái)又使得捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)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(dǎo)利用數(shù)學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，并由此帶來了工程技術(shù)上的優(yōu)越性。因此，小型戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器系統(tǒng)很適合采用這種技術(shù)。
　　
　　3 捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　3．1 DSP技術(shù)介紹
　　DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，該類器件原本主要是用來對(duì)數(shù)字信號(hào)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(yùn)算量極大且要求實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)進(jìn)行處理的。為達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的，DSP芯片應(yīng)有一些特殊硬件結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)如下：
　?。?）哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)互相獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中的程序總線和數(shù)據(jù)總線，這兩條總線可使數(shù)據(jù)吞吐量提高一倍。
　?。?）流水線操作：該操作與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線操作方式以減少指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)處理器的處理能力；
　?。?）專用的硬件乘法器：乘法可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成；
　?。?）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專門用于數(shù)字信號(hào)處理的特殊指令；
　?。?）快速的指令周期：由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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?qū)崿F(xiàn)很多實(shí)時(shí)計(jì)算的應(yīng)用。
　　可以看出，DSP的高速實(shí)時(shí)計(jì)算能力很強(qiáng)。因此，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)需要進(jìn)行的大量實(shí)時(shí)計(jì)算非常適合用DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。
　　3．2 制導(dǎo)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
　　捷聯(lián)慣性制導(dǎo)理論將整個(gè)系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊，即計(jì)算機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。其中計(jì)算機(jī)模塊負(fù)責(zé)全系統(tǒng)所有的計(jì)算和控制工作；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從慣性器件采集數(shù)據(jù)；通訊與控制接口模塊負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)模塊與系統(tǒng)外其它設(shè)備的通訊工作和對(duì)彈體飛行控制機(jī)構(gòu)的控制工作。三大模塊之間通過總線進(jìn)行互連。其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。從圖中可以看出，計(jì)算機(jī)模塊是全系統(tǒng)的核心，是唯一有計(jì)算能力的部分，系統(tǒng)中所有軟件功能均在此實(shí)現(xiàn)。所以，本模塊設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大，是系統(tǒng)全部電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面重點(diǎn)介紹這部分電路的設(shè)計(jì)。
　　
　　對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)電路來說，決定其性能的最重要部分當(dāng)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)。綜合捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的特點(diǎn)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，筆者選用TI公司的TMS320C32PCMA50（簡(jiǎn)稱C32）作處理器。C32是一種32位高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），與一般的DSP芯片相比，C32允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中并被算術(shù)運(yùn)算指令直接引用，從而增強(qiáng)了芯片的靈活性；另外，C32也可以將指令存儲(chǔ)在高速緩沖器Cache中。這樣，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，就不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，從而節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。C32的運(yùn)算速度高達(dá)60MFLOPS（每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算）和25MIPS（每秒百萬次指令）。所以，不論從速度上，還是精度上，C32都完全可以滿足捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
　　系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)模塊電路一般由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復(fù)和計(jì)算機(jī)電路組成。本模塊電路示意圖見圖3所示。該模塊是全系統(tǒng)的核心，而C32 DSP更是核心中的核心。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行專門的監(jiān)控，以保證其正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)可通過狀態(tài)監(jiān)控電路來對(duì)C32 DSP和電源進(jìn)行監(jiān)控，以防因偶然情況出現(xiàn)死循環(huán)、程序偏離預(yù)定流程而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。