捷联惯性制导技术的应用分析

 　1 引言
　　捷联惯性制导是随着计算机技术的发展而发展起来的惯性制导技术，由于它是用一个数学平台来代替平台式惯性制导系统中的陀螺稳定平台，因而具有成本低、结构简单、体积小、可靠性高等优点。但正是由于没有稳定平台，其惯性器件的测量值就不能直接用于导航计算，而必须先经过复杂的数学变换把其变为符合导航计算要求的值，这样捷联惯性制导在计算上十分复杂，同时对计算装置的性能也提出了很高的要求。
　　2捷联惯性制导的工作原理
　　由于去掉了稳定平台，捷联惯性制导将惯性器件直接固联于弹体上。这样，其惯性器件所测得的值便是沿弹体坐标系轴向的测量值。由于弹体坐标系是运动坐标系，而导航计算是以参考坐标系（导航坐标系）为参照来确定弹的位置、速度、姿态等运动参数的。因此，弹体坐标系下的测量值不能直接用于导航计算，而必须先对它们进行变换，以将其变换到导航坐标系，然后再进行导航计算。具体的变换会因所选的参考坐标系的不同而有所不同，其基本过程如下：
　　（1）计算机根据陀螺的输出计算出姿态角；
　　（2）根据姿态角参数，确定用来进行坐标变换的方向余弦矩阵；
　　（3）把弹体坐标系下的加速度用方向余弦矩阵变换到导航坐标系下；
　　（4）根据相应的力学编排方程算出弹体的即时速度、位置等制导参数。
　　图1所示是一个捷联惯性制导的工作原理示意图。该系统的坐标系变换过程需要进行大量的矩阵运算，而变换后的导航计算主要是积分运算。因此，从计算方面来看，捷联惯性制导在计算上是很复杂的，没有相当的硬件支持是无法实现的。但从其它方面来看，省掉稳定平台又使得捷联惯性制导系统具有结构简单，可靠性高，容易制造，体积小，重量轻，成本低等特点。所以，捷联惯性制导利用数学技术实现了系统结构的简化，并由此带来了工程技术上的优越性。因此，小型战术制导武器系统很适合采用这种技术。
　　
　　3 捷联惯性制导系统的设计
　　3．1 DSP技术介绍
　　DSP（数字信号处理器）是一种特殊结构的微处理器，该类器件原本主要是用来对数字信号进行快速傅立叶变换（FFT）、离散余弦变换（DCT）、卡尔曼滤波等运算量极大且要求实时计算的系统进行处理的。为达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片应有一些特殊硬件结构，具体表现如下：
　　（1）哈佛结构：哈佛结构是并行体系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个互相独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的程序总线和数据总线，这两条总线可使数据吞吐量提高一倍。
　　（2）流水线操作：该操作与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线操作方式以减少指令执行时间，增强处理器的处理能力；
　　（3）专用的硬件乘法器：乘法可以在一个指令周期内完成；
　　（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用专门用于数字信号处理的特殊指令；
　　（5）快速的指令周期：由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，因此，DSP芯片的指令周期可降到20ns以下，而快速的指令周期则可使DSP芯片能够实现很多实时计算的应用。
　　可以看出，DSP的高速实时计算能力很强。因此，捷联惯性制导需要进行的大量实时计算非常适合用DSP芯片来实现。
　　3．2 制导系统电路设计
　　捷联惯性制导理论将整个系统电路按功能分成三大模块，即计算机模块、数据采集模块、通讯与控制接口模块。其中计算机模块负责全系统所有的计算和控制工作；数据采集模块负责从惯性器件采集数据；通讯与控制接口模块负责计算机模块与系统外其它设备的通讯工作和对弹体飞行控制机构的控制工作。三大模块之间通过总线进行互连。其系统功能结构示意图如图2所示。从图中可以看出，计算机模块是全系统的核心，是唯一有计算能力的部分，系统中所有软件功能均在此实现。所以，本模块设计的好坏对整个系统的性能影响很大，是系统全部电路设计的关键。下面重点介绍这部分电路的设计。
　　
　　对于一个计算机电路来说，决定其性能的最重要部分当然是处理器。所以，本模块采用什么样的处理器也就成了这部分电路设计的重点。综合捷联惯性制导的特点和系统的设计要求，笔者选用TI公司的TMS320C32PCMA50（简称C32）作处理器。C32是一种32位高性能浮点数字信号处理器（DSP），与一般的DSP芯片相比，C32允许数据存放在程序存储器中并被算术运算指令直接引用，从而增强了芯片的灵活性；另外，C32也可以将指令存储在高速缓冲器Cache中。这样，当执行此指令时，就不需要再从存储器中读取指令，从而节约了一个指令周期的时间。C32的运算速度高达60MFLOPS（每秒百万次浮点运算）和25MIPS（每秒百万次指令）。所以，不论从速度上，还是精度上，C32都完全可以满足捷联惯性制导系统的设计要求。
　　系统中的计算机模块电路一般由状态监控、系统恢复和计算机电路组成。本模块电路示意图见图3所示。该模块是全系统的核心，而C32 DSP更是核心中的核心。因此，有必要对其进行专门的监控，以保证其正常运行。设计时可通过状态监控电路来对C32 DSP和电源进行监控，以防因偶然情况出现死循环、程序偏离预定流程而导致系统失效。