美國發(fā)展中的導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)

李莉萍

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

美國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)自1989年部署以來，其應(yīng)用日益廣泛。美軍認(rèn)為衛(wèi)星導(dǎo)航的出現(xiàn)極大地改變了戰(zhàn)爭的形式，精確的導(dǎo)航定位能力已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭必不可少的基石。但是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號功率低，易被敵方壓制或欺騙;衛(wèi)星導(dǎo)航信號難以穿透地面和建筑物，在都市、室內(nèi)、地下環(huán)境中信號的衰減非常嚴(yán)重;隨著賽博空間(Cyber)技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間段、地面段和用戶段都面臨著來自賽博的日益嚴(yán)重的威脅。

美軍在導(dǎo)航、定位與授時(shí)領(lǐng)域?qū)PS的依賴程度非常高，加之GPS的固有特點(diǎn)帶來的局限性越來越明顯，使得美軍轉(zhuǎn)而尋求新的不依賴GPS的導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)。

1 Micro-PNT項(xiàng)目的提出

2010年1 月，美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)提出開展可適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)(Adaptive Navigation System，ANS)項(xiàng)目研究，包括高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Precision Inertial Navigation Systems，PINS)、全資源定位和導(dǎo)航(All Source Positioning and Navigation，ASPN)兩個(gè)子項(xiàng)目。美國開展可適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)研究的目的，是為美國軍事用戶提供不受實(shí)際環(huán)境影響的等同GPS精度級別的導(dǎo)航、定位與授時(shí)服務(wù)［1］。

其中高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)旨在發(fā)展導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)Micro-PNT(Micro-Technology for Positioning，Navigation and Timing，μPNT)。Micro-PNT項(xiàng)目將開發(fā)芯片級的微型慣性導(dǎo)航儀，具有體積小、精度高、可不依賴GPS而獨(dú)立工作等優(yōu)點(diǎn)，代替目前廣泛使用的體積較大的慣導(dǎo)系統(tǒng)，用于小型作戰(zhàn)平臺、車載士兵或步兵，為城區(qū)和反恐作戰(zhàn)等特殊任務(wù)提供精確的導(dǎo)航、定位能力，滿足GPS信號受阻環(huán)境下的導(dǎo)航定位需求［2］。

2 Micro-PNT項(xiàng)目基本情況

2.1 參與機(jī)構(gòu)及人員

Micro-PNT項(xiàng)目匯集了美國導(dǎo)航、定位與授時(shí)領(lǐng)域頂尖的科研機(jī)構(gòu)和研究人員。Micro-PNT的項(xiàng)目經(jīng)理為Andrei Shkel，研究人員來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、密歇根大學(xué)、喬治亞理工學(xué)院、加利福尼亞大學(xué)等相關(guān)機(jī)構(gòu)。Micro-PNT項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目為MRIG，其合作機(jī)構(gòu)包括霍尼韋爾公司，諾斯洛普格魯曼公司位于加利福尼亞州伍德蘭德崗的電子系統(tǒng)分部，位于馬薩諸賽州劍橋市的德雷珀實(shí)驗(yàn)室，位于加利福尼亞州康科德市的定制傳感器和技術(shù)(CST)公司的西斯特朗·唐納慣性分部。

2.2 發(fā)展目標(biāo)

Micro-PNT項(xiàng)目旨在提高慣性器件的動(dòng)態(tài)范圍，降低時(shí)鐘和慣性器件的長期漂移，并開發(fā)能夠提供位置、方向和時(shí)間信息的微型芯片。采用Micro-PNT微技術(shù)的芯片將用于自主慣性導(dǎo)航和精確制導(dǎo)，能大大降低運(yùn)載體對GPS的依賴性，同時(shí)還能為先進(jìn)的武器和各種軍事平臺提供能適應(yīng)各種操作條件的毋庸置疑的導(dǎo)航和制導(dǎo)性能。例如步兵的導(dǎo)航，無人機(jī)(UAV)、無人水下航行器(UUV)以及導(dǎo)彈的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

3 重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域

美國國防高級研究計(jì)劃局協(xié)調(diào)多方力量來共同研究微技術(shù)，旨在解決與高精度時(shí)鐘和慣性器件小型化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目包含四個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域:時(shí)鐘，慣性器件，微系統(tǒng)集成，以及慣性導(dǎo)航和授時(shí)設(shè)備采集、登錄和分析平臺，如圖1所示。每個(gè)領(lǐng)域的研究工作都涉及對新的制造技術(shù)、深度集成以及芯片級自校準(zhǔn)的技術(shù)探索，同時(shí)也離不開對“即插即用式”測試架構(gòu)的研制［3］。

圖1 導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目

3.1 時(shí)鐘

3.1.1 芯片級原子鐘

芯片級原子鐘(CSAC)最早由美國國防高級研究計(jì)劃局和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)，其體積要求是傳統(tǒng)原子鐘的1/100，相當(dāng)于電腦芯片的大小;而且功耗要求也是傳統(tǒng)原子鐘的1/10。

芯片級原子鐘項(xiàng)目制造出超小型、低功耗的原子時(shí)間和頻率參考單元。芯片級原子鐘的研制也促進(jìn)了超小型化、超低功率原子鐘的發(fā)展，這類原子鐘可用于對安全性要求比較高的超高頻(UHF)通信和抗干擾GPS接收機(jī)。該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了芯片級原子鐘技術(shù)的商業(yè)級應(yīng)用。與傳統(tǒng)的原子鐘相比，這種芯片級原子鐘的體積只是原來的1/100，功耗是原來的1/50。

2011年10月27 日，進(jìn)步號40從拜科努爾航天發(fā)射場攜帶兩塊DARPA研制的芯片級原子鐘，首次進(jìn)入太空。這兩塊芯片級原子鐘很快就會在國際空間站進(jìn)行測試，用以支持導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目。該芯片被插入到位于國際空間站的保齡球大小的衛(wèi)星上(即同步位置的保持、連通與再定向試驗(yàn)衛(wèi)星，SPHERES)。試驗(yàn)后，這種芯片級原子鐘被從衛(wèi)星上取下，并完成同國際空間站負(fù)載的原子鐘的比對測試［4-6］。

在歷經(jīng)運(yùn)輸、發(fā)射以及空間站操作等程序后，這意味著芯片級原子鐘距離被集成到未來空間平臺的目標(biāo)更近了一步。這種集成將會使各種空間平臺在導(dǎo)航、定位與授時(shí)上有更多的自主權(quán)。

3.1.2 集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)

集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)(IMPACT)項(xiàng)目正在開發(fā)下一代芯片級原子鐘，以進(jìn)一步提升芯片級原子鐘(CSAC)原有的水平。一旦成功，集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)會將芯片級原子鐘的精確度和穩(wěn)定性提高兩個(gè)數(shù)量級。集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)一方面要依賴原子物理學(xué)的新方法，另一方面也可以直接利用芯片級原子鐘項(xiàng)目研究所掌握的大部分科學(xué)理論及技術(shù)。一旦研制成功，集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)項(xiàng)目所開發(fā)出的設(shè)備將會使芯片級原子鐘的能力得到擴(kuò)展，從而可用于需要長時(shí)間導(dǎo)航/制導(dǎo)的任務(wù)中。

集成微基準(zhǔn)原子鐘技術(shù)項(xiàng)目預(yù)計(jì)分3個(gè)階段，目前正處于第2個(gè)階段。第二階段的目標(biāo)是要交付一個(gè)體積20 cm3，功耗250 mW的時(shí)鐘，其一個(gè)月內(nèi)的時(shí)間偏差要少于160 ns。

3.2 慣性器件

DARPA在慣性器件的研制方面已經(jīng)取得了進(jìn)步，已掌握了生產(chǎn)體積和成本都減小多個(gè)數(shù)量級的傳感器的方法。這項(xiàng)工作是由導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目下的微型速率積分陀螺儀(MRIG)子項(xiàng)目、微型核磁共振陀螺儀(NMRG)項(xiàng)目來完成的［7-10］。

3.2.1 微型速率積分陀螺儀

微型速率積分陀螺儀項(xiàng)目分為三個(gè)階段，目標(biāo)是研制出微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀，這種陀螺儀的體積足夠小，從而可以被集成到制導(dǎo)武器的平臺、手持式設(shè)備，以及便攜插入式的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制(GN＆C)單元里。MRIG于2012年前后完成了第一階段目標(biāo)，即突破了利用非傳統(tǒng)材料(例如塊體晶體合金、金剛石、超低膨脹玻璃)的三維微加工方法。現(xiàn)已成功研制出小型的三維結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形體、半球體和酒杯形結(jié)構(gòu)，該方法的成功運(yùn)用將逐漸代替目前最先進(jìn)的微機(jī)械陀螺的二維結(jié)構(gòu)模式。

以下是DARPA研制出的與這些微型慣性器件相關(guān)的新制造方法。

吹制玻璃。如圖1所示，研究人員開發(fā)出在微尺寸上再現(xiàn)傳統(tǒng)的玻璃吹制技術(shù)的制造方法，生產(chǎn)出微小的三維酒杯狀的慣性器件。這類傳感器的對稱性較高，因此頻差接近10 Hz，之前同樣尺寸的傳感器還從未達(dá)到過這個(gè)水平，而且這個(gè)對稱水平也接近高精度導(dǎo)航設(shè)備的要求。

圖1 吹制玻璃

吹制石英。如圖2所示，類似于吹制玻璃，吹制石英的方法也可以用來制作對稱性更好的結(jié)構(gòu)。研究人員開發(fā)的制造技術(shù)是將石英先加熱到1700℃(通常玻璃的熔點(diǎn)約為800℃)，然后快速冷卻。這種制造技術(shù)可用于大批量生產(chǎn)，一個(gè)晶片就能生產(chǎn)出數(shù)以百計(jì)的該類結(jié)構(gòu)。

圖2 吹制石英

加工金剛石的原子層。如圖3所示，將金剛石放置在一個(gè)吹制結(jié)構(gòu)上，或者將CVD金剛石放于基板微孔底部，這也是一種潛力巨大的生產(chǎn)高度對稱的、精確的三維慣性器件結(jié)構(gòu)的有效方法。

圖3 加工金剛石的原子層

該項(xiàng)目的第二階段在2012年也已經(jīng)啟動(dòng)，在這個(gè)階段DARPA將對這些新方法進(jìn)行進(jìn)一步的錘煉，旨在生產(chǎn)出經(jīng)過驗(yàn)證的、可操作的設(shè)備。在第二階段，研究人員將努力使頻差從10 Hz降低到5 Hz，使衰減時(shí)間從10 s增加到100 s，并使體積從20 mm3減少到10 mm3，從而使生產(chǎn)出的設(shè)備更加精確可靠。

3.2.2 微型核磁共振陀螺儀

導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目于2011年前后開發(fā)出一種微型核磁共振陀螺儀(NMRG)。微型核磁共振陀螺儀利用磁場中核粒子的陀螺式自旋來確定方向。這種陀螺沒有活動(dòng)部件，對加速度與振動(dòng)也不敏感。其他類型的陀螺儀，如硅微機(jī)械陀螺儀，更容易受到振動(dòng)的影響，因此無法滿足對其性能的要求和期望。

完全密閉的微型NMRG能夠滿足精確導(dǎo)航要求，其研制成功后不僅能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航級的性能，還能使當(dāng)前慣性測量單元中使用的最先進(jìn)的導(dǎo)航級陀螺儀的尺寸、重量和功耗都降低兩個(gè)數(shù)量級。因此，這種微型核磁共振陀螺儀可以用于個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)、無GPS信號領(lǐng)域的導(dǎo)航，以及微型無人機(jī)。

3.3 微系統(tǒng)集成

3.3.1 微慣性導(dǎo)航技術(shù)

微慣性導(dǎo)航技術(shù)(MINT)旨在制造利用二次慣性變量(如速度和距離)的導(dǎo)航傳感器，從而降低由單一的慣性器件帶來的誤差積累。這種組合式的微型導(dǎo)航輔助傳感器的導(dǎo)航精度將會超過傳統(tǒng)的慣性測量單元(只包括加速度計(jì)和陀螺儀)。研制成功后，微慣性導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目所生產(chǎn)的微米級和納米級的低功耗導(dǎo)航傳感器將會帶來長時(shí)間(數(shù)小時(shí)到數(shù)日)的不依賴GPS的精確導(dǎo)航［11-12］。

微慣性導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目目前處在最后的第3階段。該階段的最后目標(biāo)是驗(yàn)證其慣性導(dǎo)航精度，該精度接近為在超過10 h的時(shí)間段內(nèi)保持為1 m，器件體積為1 cm3，功率為5 mW。

3.3.2 授時(shí)和慣性測量單元

單芯片授時(shí)和慣性測量單元(TIMU)項(xiàng)目所要解決的問題是制造完全集成的微型、低功耗、高性能的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。

DARPA在密歇根大學(xué)的研究人員已經(jīng)在授時(shí)和慣性測量單元領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，該測量單元包含在GPS暫時(shí)不可用的情況下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航所需要的所有器件。這種單芯片的TIMU樣機(jī)包含一個(gè)六軸慣性測量單元(3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì))，將一個(gè)高精度的主時(shí)鐘集成到一個(gè)單一的微型系統(tǒng)中，體積比一便士還要小。該芯片集成了突破性的組件(時(shí)鐘、陀螺儀和加速度計(jì))、材料和設(shè)計(jì)方案，這些都是DARPA導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目所取得的成果。

這種精致的設(shè)計(jì)是通過新的制造工藝而實(shí)現(xiàn)的，用高質(zhì)量的材料生產(chǎn)出多層的、封裝的慣性器件和一個(gè)計(jì)時(shí)單元，所有這些器件都被裝在一個(gè)只有10 mm3大小的殼體內(nèi)。TIMU有6個(gè)微層，每一層只有50 μm厚，大約是人類一根頭發(fā)的厚度。每一層都有不同的功能，好比建筑物中的各層。傳感器的結(jié)構(gòu)層和集成包都是由硅制造的，因此生產(chǎn)出的TIMU體積小、魯棒性強(qiáng)，特別適合當(dāng)GPS功能暫時(shí)不可用或信號受限時(shí)人員跟蹤、手持導(dǎo)航、小口徑武器和小型空中平臺。

授時(shí)和慣性測量單元項(xiàng)目預(yù)計(jì)分3個(gè)階段，目前處于第二階段。該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)圓概率誤差(CEP)小于1 nm/h，且體積不超過10 mm3，功耗不超過200 mW。而目前應(yīng)用中的體積最小、技術(shù)最先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)級慣性測量單元的體積約為1000 cm3。

3.3.3 活動(dòng)層初級和次級校準(zhǔn)

活動(dòng)層初級和次級校準(zhǔn)(PASCAL)項(xiàng)目旨在克服微機(jī)械慣性器件和時(shí)鐘的長期校準(zhǔn)漂移問題。該項(xiàng)目的兩個(gè)主要目標(biāo)是:①在需要大幅改善長期偏差和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、對性能要求比較高的應(yīng)用產(chǎn)品中使用最先進(jìn)的尺寸、重量、功率和成本都減少的傳感器;②實(shí)現(xiàn)零維護(hù)部署或現(xiàn)場校準(zhǔn)。一旦成功，該項(xiàng)目將消除實(shí)地召回、校準(zhǔn)和更換部件的昂貴成本［13］。

活動(dòng)層初級和次級校準(zhǔn)項(xiàng)目預(yù)計(jì)分3個(gè)階段，目前處于第二階段。該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是:在至少一個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)有效的偏值和標(biāo)度因數(shù)的偏差小于1×10-6，且其體積不超過30 mm3，功耗不超過50 mW。

3.3.4 芯片級組合原子導(dǎo)航儀慣性測量單元

根據(jù)DARPA的計(jì)劃，C-SCAN項(xiàng)目將分3個(gè)階段完成。第一階段的工作目標(biāo)是原子慣性參考單元的小型化;第二階段將主要從事算法和體系結(jié)構(gòu)的集成工作;第三階段將對C-SCAN微系統(tǒng)進(jìn)行集成和驗(yàn)證。

為了實(shí)現(xiàn)芯片級組合原子導(dǎo)航儀，還需研究探索原子傳感器與固態(tài)慣性器件的微型化和組合制造，探索能夠?qū)崿F(xiàn)各種組件無縫組合的算法和架構(gòu)。

3.4 慣性導(dǎo)航和授時(shí)設(shè)備采集、登錄和分析平臺

DARPA的微系統(tǒng)技術(shù)官員與霍尼韋爾公司簽署了一份唯一供方合同，開發(fā)微型速率積分陀螺儀項(xiàng)目下的慣性導(dǎo)航和授時(shí)設(shè)備采集、登錄和分析平臺(PALADIN＆T)。

2012年，DARPA導(dǎo)航和制導(dǎo)研究人員，要求霍尼韋爾公司的航空微電子和精密傳感器部門的測試測量領(lǐng)域的專家開發(fā)PALADIN＆T平臺。針對該P(yáng)ALADIN＆T平臺項(xiàng)目，霍尼韋爾公司的專家們利用他們過去為戰(zhàn)術(shù)級水下導(dǎo)航系統(tǒng)(TUNS)項(xiàng)目開發(fā)的硬件和軟件，對其加以修改，從而實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行模擬和數(shù)字信號采集、慣性器件的實(shí)時(shí)分析，并能部署在惡劣溫度和振動(dòng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)測試平臺。

4 項(xiàng)目發(fā)展趨勢總結(jié)

根據(jù)美國國防科學(xué)委員會最近公布的一份報(bào)告來看，美國國防部目前打算投資的技術(shù)一定是能確保其在2030年依舊占據(jù)優(yōu)越性的技術(shù)，并且該報(bào)告還特別提到了有必要發(fā)展對GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的替代方式。該報(bào)告建議在5年內(nèi)為美國國防高級研究計(jì)劃局提供2億美元的資金用來繼續(xù)開展冷原子導(dǎo)航領(lǐng)域的研究。導(dǎo)航、定位與授時(shí)微技術(shù)以其精度高、體積小、可不依賴GPS獨(dú)立工作等優(yōu)點(diǎn)，將成為在GPS不可用時(shí)能夠提供同等精度和功能的重要導(dǎo)航、定位技術(shù)，在美國軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景［14］。

［1］ADAPTABLE NAVIGATION SYSTEMS(ANS)［EB/OL］.［2013-12-26］http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Adaptable_Navigation_Systems_(ANS).aspx.

［2］Micro-Technology for Positioning，Navigation and Timing(Micro-PNT)［EB/OL］.［2013-12-26］http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_for_Positioning，_Navigation_and_Timing_(Micro-PNT).aspx.

［3］Micro-PNT-Clocks［EB/OL］.［2013-12-26］http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_Positioning，_Navigation_and_Timing_(Micro-PNT)/Clocks.aspx.

［4］John Keller.Single-chip navigation and guidance device that combines inertial measurement and timing is goal of DARPA TIMU program［EB/OL］.［2014-01-05］http://www.militaryaerospace.com/articles/2010/10/single-chip-navigation.html.

［5］DARPA researchers find breakthroughs size，weight and power reduction Micro-PNT program［EB/OL］.［2014-01-05］http://www.darpa.mil/NewsEvents/Releases/2011/2011/07/26_MICRO-PNT_PROGRAM.aspx.

［6］DARPA Chip-Scale Atomic Clocks Aboard International Space Station［EB/OL］.［2014-01-05］http://www.darpa.mil/NewsEvents/Releases/2012/03/27.aspx.

［7］Micro-PNT-Inertial Sensors［EB/OL］.［2014-01-05］http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_Positioning，_Navigation_and_Timing_(Micro-PNT)/Inertial_Sensors.aspx.

［8］New Sensor Sought to Enable Military Missions in GPS-denied Areas［EB/OL］.［2014-01-06］http://www.darpa.mil/NewsEvents/Releases/2012/04/16.aspx.

［9］Microfabrication methods to help navigate a day without GPS［EB/OL］.［2014-01-06］http://www.darpa.mil/News-Events/Releases/2012/09/20.aspx.

［10］EXTREME MINIATURIZATION:SEVEN DEVICES，ONE CHIP TO NAVIGATE WITHOUT GPS［EB/OL］.［2014-01-06］http://www.DARPA.MIL/NEWSEVENTS/RELEASES/2013/04/10.ASPX.

［11］Micro-PNT-Microscale Integration［EB/OL］.［2014-01-06］http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_Positioning，_Navigation_and_Timing_(Micro-PNT)/Microscale_Integration.aspx.

［12］John Keller.DARPA asks Honeywell to develop common testing for advanced MEMS-based inertial navigation［EB/OL］.［2014-01-08］http://www.militaryaerospace.com/articles/2012/02/darpa-asks-honeywell-to-develop-common-testing-for-advanced-mems-based-inertial-navigation.html.

［13］Micro-PNT-Test and Evaluation［EB/OL］.［2014-01-08］http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_Positioning，_Navigation_and_Timing_(Micro-PNT)/Test_and_Evaluation.aspx.

［14］COLD ATOMS FOR NAVIGATION AND OTHER TECH RECOMMENDATIONS FOR DEFENSE［EB/OL］.［2014-01-08］http://www.nextgov.com/defense/2013/11/cold-atomsnavigation-and-other-tech-recommendations-defense/74564/.