@9M在捷联惯性导航技术中的应用
王
勇
（国防科技大学电子科学工程与技术学院，长沙(’""B#）
由于没有稳定平台，需要进行大量的数学运算来实现摘要对于捷联惯性导航系统，
数学平台，所以导航对计算装置的性能要求就很高。由于@9M芯片特别适合于需要大量实时计算的应用，本文介绍了一种用@9M芯片设计的捷联惯性导航系统。整个系统具有体积小、结构简单、可靠性高等特点。
关键词@9M捷联系统惯性导航
!""#$%&’$()(*+,-$)’./,’0&"1(2)34,
)*+,-%+,
./+0121314%5464718%+2709724+744+,2+4482+,:;47$?@;>A7
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8/92(016@9M>918*GF%J+9=014H>/+4812*6$*K2,*12%+
了很高的要求。
:引言
捷联惯性导航技术是近几年随着计算
;捷联惯性导航的工作原理
由于去掉了稳定平台，捷联惯性导航将
机技术的发展而发展起来的惯性导航技术，由于它是用一个数学平台来代替平台式惯性导航系统中的陀螺稳定平台，因而具有成但正是由于没有稳定平台，其惯性器件的测量值就不能直接用于导航计算，而必须先经过复杂的数学变换，把其变为符合导航计算要求的值。这使得捷联惯性导航在计算上十分复杂，由此导致其对计算装置的性能提出
王
勇：国防科技大学硕士研究生。
惯性器件直接固联于弹体上，其惯性器件所测得的值是沿弹体坐标系轴向的测量值。弹参考坐标系（导航坐标系）为参照来确定弹的位置、速度、姿态等运动参数。弹体坐标系下的测量值不能直接用于导航计算，必须先对它们进行变换，变换到导航坐标系，然后才能进行导航计算。具体的变换会因所选的
本低、结构简单、体积小、可靠性高等优点。体坐标系是运动坐标系，而导航计算是以一
’O
参考坐标系的不同而有所不同，基本的过程为：解算出姿态!计算机根据陀螺的输出，确定出用来进行坐角；"根据姿态角参数，标变换的方向余弦矩阵；#把弹体坐标系下的加速度用方向余弦矩阵变换到导航坐标系下；$再根据相应的力学编排方程算出弹体的即时速度、位置等导航参数。其原理示意图如图’所示。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。
是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据吞吐量提高了一倍。在哈佛结构中，程序和数据存储器在两个分开的空间中，从而取指和执行完全重叠运行；"流水线操作：与哈佛结构相关，*+,芯片广泛采用流水线，以减少指令执行时间，增强了处理器的处理能力；#专用的硬件乘法器：乘法可以在一个指令周期内完成；$特殊的*+,指令：*+,芯片使用专门用于数字信号处理的特殊指令；%快速的指令周期：
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的
再加上集成电路*+,指令，
的优化设计，可使*+,芯片的指令周期降到到!"/0以下，快速的指令周期使得
*+,芯片能够实现很多实
时计算的应用。
图!捷联惯性导航的工作原理图
"#’系统电路设计
从计算方面来看，捷联惯性导航在计算上是很复杂的，没有相当的硬件支持是无法实现的。但从其它方面来看，由于去掉了稳
根据捷联惯性导航理论，将整个系统电路按功能分成三大模块：计算机模块、数据采集模块、通讯与控制接口模块。计算机模
定平台，使得捷联惯性导航具有：结构简单、块负责全系统所有的计算和控制工作；数据可靠性高、容易制造、体积小、重量轻、成本采集子模块负责从惯性器件采集数据；通讯低等特点。所以，捷联惯性导航利用数学上的技术来实现结构上的简化，由此带来了工程技术上的优越性，特别是对于小型战术制导武器系统)就很适合于采用这种技术。
与控制接口模块负责计算机模块与系统外其它设备的通讯工作和对弹体飞行控制机构的控制工作。三大模块之间通过总线进行互连，系统功能结构示意图如图!所示。从功能结构图可以看出，计算机模块是全系统的核心，是全系统唯一有计算能力的部分，
计算机模块
通讯与控制
接口模块通讯系统以外设备
反控馈制信信号控制机构
数据采集模块惯性器件输出信号
控制信"捷联惯性导航系统的设计
为达到快速进行数字信号处理的目的，
"#!$%&技术介绍
*+,芯片一般具有与普通-,.不同的特殊硬件结构：哈佛结构是并行体!哈佛结构：
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
计算机总线
惯性器件
图’捷联惯性导航系统功能结构示意图
’1
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。所以重点介绍这部分电路的设计。
综合捷联惯性导航的特点和系统的设计要求，我们选用)*公司的)+,#!"-#!.-/（简称-#!）作处理器。-#!是#!位高+01"
性能浮点数字信号处理器（2,.），与一般的一是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，增强了芯片的灵活当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。-#!的运算速度高达7"+89:.,（每秒百万次浮点运算）、（每秒百万次指令）。不论从速!1+*.,度上，还是精度上，-#!都完全满足系统的设计要求。
计算机模块电路由状态监控、系统恢复和
惯性导航系统是历史信息敏感型系统，如果系统因故重启后没有历史信息，其后的导航计算就没什么意义。所以有必要对系统运行的一些重要信息进行保存，以便重启后能迅速接替上以前的工作。为此，本系统采用了两条措施：!使用高速自动存储
;!.
动备份；"使用一具有备份电源的实时时钟启后读取导航历史信息之间的时间长度。该实时时钟芯片在主电源掉电后还能利用备由上述两个芯片构成。
本模块的核心电路——计算机电路，由
2,.芯片相比，-#!在如下方面进行了改进，芯片记录从上一次导航数据保存时刻到重
性；二是指令存储在高速缓冲器-3456中，份电源提供几十秒的电能。系统恢复电路就
-#!2,.、,
成。为提高性能，采用#!位数据总线、!(位地址总线。具有自-#!设置成微机工作模式，主引导功能。系统程序固化在890,=
计算机电路组成。本模块电路示意图见图#。外围芯片的接口，实现了很多逻辑电路功
体的中断源进行查询，以确定需要具体响应哪个中断源。因此，在-.92中设计了中断分配电路。对于启动和运行时间都很严格的中断源，由各种频率的时钟信号来对其进行触发。所以，-.92中还设计了时钟分频电路，用系统精准时钟分频产生所需各种频率的时钟。
图!计算机模块电路示意图
该模块是全系统的核心，而-#!2,.更是核心中的核心。它不正常，全系统的工作也不会正常。因此，有必要对其进行专门的监控，以保证其正常运行。状态监控电路利用一片专用芯片对-#!2,.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。
’B
*:地址分配电路、中断分配电路和时
钟分频电路这三个电路，如果用标准逻辑器来实现，将需要用很件（>(系列或1(系列）
多片。一方面将使电路部分的体积和功耗增
・论文与报告・《战术导弹控制技术》
5K2K7自主引导关中断
（总("期）!""#年$%&’
死机或失控
毫秒
硬件状态监控
加；另一方面将使电路规模扩大、复杂性增加，可靠性下降。因此在这三个电路用)*+,（复杂可编程器件）来实现。为了充分利用
)*+,的灵活性，系统中其它的一些逻辑电
路也被放到这里。这样在一片’-"../
’-"..的小芯片中就实现了系统所需的大
量逻辑电路。
系统自检与配置安装中断驱动程序
开中断待机
!"!系统程序设计
导航、制导计算都属于实时计算，要实
现这一要求，软件就必须结合硬件来进行设计，以充分发挥硬件的功能。本设计充分利用系统中断的功能，以中断为主进行程序设计。系统的各具体功能都通过中断程序来实现。系统工作过程如下：
加电开机!0+123中的程序调入内存!系统初始化、自检!导航信息恢复!安装中断程序!打开中断!待机。
软件部份包括：主程序、子程序和各中断响应程序。
主程序是系统程序的框架，重要初始化参数主要在主程序中定义，主程序通过调用子程序完成系统初始化、自检、导航信息恢复、系统配置、中断程序配置等功能。其中，系统自检程序主要检测)*4、各接口芯片的工作是2516、否正常。引导程序主要根据系统硬件中存储的状态信息确定导航计算的起点。主要状态信息有：系统是加电开机还是死机后重新启动；上一次保存数据与当前的时间间隔等。根据系统硬件中保存的状态信息和非易失存储器中保
图#
系统主程序流程图
子程序主要完成一些特定的功能，包括导航子程序、控制子程序、通讯子程序和卡尔曼滤波子程序等。
中断程序由硬件中断触发，除完成现场保护和硬件信息处理外，根据需要调用导航子程序、控制子程序、通讯子程序、状态监控子程序、卡尔曼滤波程序等，处理完成后恢复现场，并向主程序返回数据。
#结束语
捷联惯性导航是一种很有应用价值的
惯性制导方法，随着计算机技术的发展迅速应用于各种战术武器中。本文不企图在理论上进行创新，而是在技术上谋求好的实现方法。通过用,2*芯片对惯性器件的信息进行处理，用可编程器件进行逻辑电路的实现，
提高了系统的运算性能、可靠存的导航信息，确定当前导航计算的基准点。简化了电路，
性和灵活性。系统主程序流程图见图(。
参考文献
［’］789:;[email protected]=>;A62#!")#94;8?B;C@DE8&［!］以光衢等&惯性导航原理F6G&北京：航空工业出版社&［#］陈哲&捷联惯导系统原理F6G&北京：宇航出版社&［(］娄寿春等A导弹制导技术F6G&北京：宇航出版社&
［H］常青，陈辉煌，孙广富等&可编程专用集成电路及其应用与设计实践F6G&北京：国防工业出版社&［I］徐志军，徐光辉&)*+,的开发与应用F6G&北京：电子工业出版社&
（!""!J’"J’H日收）
’L
DSP在捷联惯性导航技术中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王勇
国防科技大学电子科学工程与技术学院,长沙,410073战术导弹控制技术
CONTROL TECHNOLOGY OF TACTICAL MISSILE2003(1)
1.娄寿春 导弹制导技术
2.陈哲 捷联惯导系统原理3.以光衢 惯性导航原理
4.Texas Instruments,MS320C3x User's Guide5.徐志军;徐光辉 CPLD/FPGA的开发与应用
6.常青;陈辉煌;孙广富 可编程专用集成电路及其应用与设计实践
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zsddkzjs200301004.aspx
@9M在捷联惯性导航技术中的应用
王
勇
（国防科技大学电子科学工程与技术学院，长沙(’""B#）
由于没有稳定平台，需要进行大量的数学运算来实现摘要对于捷联惯性导航系统，
数学平台，所以导航对计算装置的性能要求就很高。由于@9M芯片特别适合于需要大量实时计算的应用，本文介绍了一种用@9M芯片设计的捷联惯性导航系统。整个系统具有体积小、结构简单、可靠性高等特点。
关键词@9M捷联系统惯性导航
!""#$%&’$()(*+,-$)’./,’0&"1(2)34,
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了很高的要求。
:引言
捷联惯性导航技术是近几年随着计算
;捷联惯性导航的工作原理
由于去掉了稳定平台，捷联惯性导航将
机技术的发展而发展起来的惯性导航技术，由于它是用一个数学平台来代替平台式惯性导航系统中的陀螺稳定平台，因而具有成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。这使得捷联惯性导航在计算上十分复杂，由此导致其对计算装置的性能提出
王
勇：国防科技大学硕士研究生。
惯性器件直接固联于弹体上，其惯性器件所测得的值是沿弹体坐标系轴向的测量值。弹参考坐标系（导航坐标系）为参照来确定弹的位置、速度、姿态等运动参数。弹体坐标系下的测量值不能直接用于导航计算，必须先对它们进行变换，变换到导航坐标系，然后才能进行导航计算。具体的变换会因所选的
本低、结构简单、体积小、可靠性高等优点。体坐标系是运动坐标系，而导航计算是以一
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参考坐标系的不同而有所不同，基本的过程为：解算出姿态!计算机根据陀螺的输出，确定出用来进行坐角；"根据姿态角参数，标变换的方向余弦矩阵；#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；$再根据相应的力学编排方程算出弹体的即时速度、位置等导航参数。其原理示意图如图’所示。坐标系变换过程需要进行大量的矩阵运算，而变换后的导航计算主要是积分运算。
是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据吞吐量提高了一倍。在哈佛结构中，程序和数据存储器在两个分开的空间中，从而取指和执行完全重叠运行；"流水线操作：与哈佛结构相关，*+,芯片广泛采用流水线，以减少指令执行时间，增强了处理器的处理能力；#专用的硬件乘法器：乘法可以在一个指令周期内完成；$特殊的*+,指令：*+,芯片使用专门用于数字信号处理的特殊指令；%快速的指令周期：
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的
再加上集成电路*+,指令，
的优化设计，可使*+,芯片的指令周期降到到!"/0以下，快速的指令周期使得
*+,芯片能够实现很多实
时计算的应用。
图!捷联惯性导航的工作原理图
"#’系统电路设计
从计算方面来看，捷联惯性导航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，由于去掉了稳
根据捷联惯性导航理论，将整个系统电路按功能分成三大模块：计算机模块、数据采集模块、通讯与控制接口模块。计算机模
定平台，使得捷联惯性导航具有：结构简单、块负责全系统所有的计算和控制工作；数据可靠性高、容易制造、体积小、重量轻、成本采集子模块负责从惯性器件采集数据；通讯低等特点。所以，捷联惯性导航利用数学上的技术来实现结构上的简化，由此带来了工程技术上的优越性，特别是对于小型战术制导武器系统)就很适合于采用这种技术。
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，系统功能结构示意图如图!所示。从功能结构图可以看出，计算机模块是全系统的核心，是全系统唯一有计算能力的部分，
计算机模块
通讯与控制
接口模块通讯系统以外设备
反控馈制信信号控制机构
数据采集模块惯性器件输出信号
控制信"捷联惯性导航系统的设计
为达到快速进行数字信号处理的目的，
"#!$%&技术介绍
*+,芯片一般具有与普通-,.不同的特殊硬件结构：哈佛结构是并行体!哈佛结构：
系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个互相独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的
计算机总线
惯性器件
图’捷联惯性导航系统功能结构示意图
’1
系统中所有软件功能均在此实现。所以，本模块设计的好坏对整个系统的性能影响很大，是系统全部电路设计的关键。所以重点介绍这部分电路的设计。
综合捷联惯性导航的特点和系统的设计要求，我们选用)*公司的)+,#!"-#!.-/（简称-#!）作处理器。-#!是#!位高+01"
性能浮点数字信号处理器（2,.），与一般的一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接引用，增强了芯片的灵活当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。-#!的运算速度高达7"+89:.,（每秒百万次浮点运算）、（每秒百万次指令）。不论从速!1+*.,度上，还是精度上，-#!都完全满足系统的设计要求。
计算机模块电路由状态监控、系统恢复和
惯性导航系统是历史信息敏感型系统，如果系统因故重启后没有历史信息，其后的导航计算就没什么意义。所以有必要对系统运行的一些重要信息进行保存，以便重启后能迅速接替上以前的工作。为此，本系统采用了两条措施：!使用高速自动存储
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动备份；"使用一具有备份电源的实时时钟启后读取导航历史信息之间的时间长度。该实时时钟芯片在主电源掉电后还能利用备由上述两个芯片构成。
本模块的核心电路——计算机电路，由
2,.芯片相比，-#!在如下方面进行了改进，芯片记录从上一次导航数据保存时刻到重
性；二是指令存储在高速缓冲器-3456中，份电源提供几十秒的电能。系统恢复电路就
-#!2,.、,
成。为提高性能，采用#!位数据总线、!(位地址总线。具有自-#!设置成微机工作模式，主引导功能。系统程序固化在890,=
计算机电路组成。本模块电路示意图见图#。外围芯片的接口，实现了很多逻辑电路功
体的中断源进行查询，以确定需要具体响应哪个中断源。因此，在-.92中设计了中断分配电路。对于启动和运行时间都很严格的中断源，由各种频率的时钟信号来对其进行触发。所以，-.92中还设计了时钟分频电路，用系统精准时钟分频产生所需各种频率的时钟。
图!计算机模块电路示意图
该模块是全系统的核心，而-#!2,.更是核心中的核心。它不正常，全系统的工作也不会正常。因此，有必要对其进行专门的监控，以保证其正常运行。状态监控电路利用一片专用芯片对-#!2,.和电源进行监控，以防因偶然情况出现死循环、程序偏离预定流程而导致系统失效。
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*:地址分配电路、中断分配电路和时
钟分频电路这三个电路，如果用标准逻辑器来实现，将需要用很件（>(系列或1(系列）
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・论文与报告・《战术导弹控制技术》
5K2K7自主引导关中断
（总("期）!""#年$%&’
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毫秒
硬件状态监控
加；另一方面将使电路规模扩大、复杂性增加，可靠性下降。因此在这三个电路用)*+,（复杂可编程器件）来实现。为了充分利用
)*+,的灵活性，系统中其它的一些逻辑电
路也被放到这里。这样在一片’-"../
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量逻辑电路。
系统自检与配置安装中断驱动程序
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导航、制导计算都属于实时计算，要实
现这一要求，软件就必须结合硬件来进行设计，以充分发挥硬件的功能。本设计充分利用系统中断的功能，以中断为主进行程序设计。系统的各具体功能都通过中断程序来实现。系统工作过程如下：
加电开机!0+123中的程序调入内存!系统初始化、自检!导航信息恢复!安装中断程序!打开中断!待机。
软件部份包括：主程序、子程序和各中断响应程序。
主程序是系统程序的框架，重要初始化参数主要在主程序中定义，主程序通过调用子程序完成系统初始化、自检、导航信息恢复、系统配置、中断程序配置等功能。其中，系统自检程序主要检测)*4、各接口芯片的工作是2516、否正常。引导程序主要根据系统硬件中存储的状态信息确定导航计算的起点。主要状态信息有：系统是加电开机还是死机后重新启动；上一次保存数据与当前的时间间隔等。根据系统硬件中保存的状态信息和非易失存储器中保
图#
系统主程序流程图
子程序主要完成一些特定的功能，包括导航子程序、控制子程序、通讯子程序和卡尔曼滤波子程序等。
中断程序由硬件中断触发，除完成现场保护和硬件信息处理外，根据需要调用导航子程序、控制子程序、通讯子程序、状态监控子程序、卡尔曼滤波程序等，处理完成后恢复现场，并向主程序返回数据。
#结束语
捷联惯性导航是一种很有应用价值的
惯性制导方法，随着计算机技术的发展迅速应用于各种战术武器中。本文不企图在理论上进行创新，而是在技术上谋求好的实现方法。通过用,2*芯片对惯性器件的信息进行处理，用可编程器件进行逻辑电路的实现，
提高了系统的运算性能、可靠存的导航信息，确定当前导航计算的基准点。简化了电路，
性和灵活性。系统主程序流程图见图(。
参考文献
［’］789:;[email protected]=>;A62#!")#94;8?B;C@DE8&［!］以光衢等&惯性导航原理F6G&北京：航空工业出版社&［#］陈哲&捷联惯导系统原理F6G&北京：宇航出版社&［(］娄寿春等A导弹制导技术F6G&北京：宇航出版社&
［H］常青，陈辉煌，孙广富等&可编程专用集成电路及其应用与设计实践F6G&北京：国防工业出版社&［I］徐志军，徐光辉&)*+,的开发与应用F6G&北京：电子工业出版社&
（!""!J’"J’H日收）
’L
DSP在捷联惯性导航技术中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王勇
国防科技大学电子科学工程与技术学院,长沙,410073战术导弹控制技术
CONTROL TECHNOLOGY OF TACTICAL MISSILE2003(1)
1.娄寿春 导弹制导技术
2.陈哲 捷联惯导系统原理3.以光衢 惯性导航原理
4.Texas Instruments,MS320C3x User's Guide5.徐志军;徐光辉 CPLD/FPGA的开发与应用
6.常青;陈辉煌;孙广富 可编程专用集成电路及其应用与设计实践
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zsddkzjs200301004.aspx