美国发展中的导航、定位与授时微技术

李莉萍

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

美国全球卫星导航系统(GPS)自1989年部署以来，其应用日益广泛。美军认为卫星导航的出现极大地改变了战争的形式，精确的导航定位能力已经成为现代战争必不可少的基石。但是GPS卫星导航信号功率低，易被敌方压制或欺骗;卫星导航信号难以穿透地面和建筑物，在都市、室内、地下环境中信号的衰减非常严重;随着赛博空间(Cyber)技术的不断发展，卫星导航系统的空间段、地面段和用户段都面临着来自赛博的日益严重的威胁。

美军在导航、定位与授时领域对GPS的依赖程度非常高，加之GPS的固有特点带来的局限性越来越明显，使得美军转而寻求新的不依赖GPS的导航、定位与授时技术。

1 Micro-PNT项目的提出

2010年1 月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出开展可适应导航系统(Adaptive Navigation System，ANS)项目研究，包括高精度惯性导航系统(Precision Inertial Navigation Systems，PINS)、全资源定位和导航(All Source Positioning and Navigation，ASPN)两个子项目。美国开展可适应导航系统研究的目的，是为美国军事用户提供不受实际环境影响的等同GPS精度级别的导航、定位与授时服务［1］。

其中高精度惯性导航系统旨在发展导航、定位与授时微技术Micro-PNT(Micro-Technology for Positioning，Navigation and Timing，μPNT)。Micro-PNT项目将开发芯片级的微型惯性导航仪，具有体积小、精度高、可不依赖GPS而独立工作等优点，代替目前广泛使用的体积较大的惯导系统，用于小型作战平台、车载士兵或步兵，为城区和反恐作战等特殊任务提供精确的导航、定位能力，满足GPS信号受阻环境下的导航定位需求［2］。

2 Micro-PNT项目基本情况

2.1 参与机构及人员

Micro-PNT项目汇集了美国导航、定位与授时领域顶尖的科研机构和研究人员。Micro-PNT的项目经理为Andrei Shkel，研究人员来自美国国家标准技术研究院(NIST)、密歇根大学、乔治亚理工学院、加利福尼亚大学等相关机构。Micro-PNT项目的一个子项目为MRIG，其合作机构包括霍尼韦尔公司，诺斯洛普格鲁曼公司位于加利福尼亚州伍德兰德岗的电子系统分部，位于马萨诸赛州剑桥市的德雷珀实验室，位于加利福尼亚州康科德市的定制传感器和技术(CST)公司的西斯特朗·唐纳惯性分部。

2.2 发展目标

Micro-PNT项目旨在提高惯性器件的动态范围，降低时钟和惯性器件的长期漂移，并开发能够提供位置、方向和时间信息的微型芯片。采用Micro-PNT微技术的芯片将用于自主惯性导航和精确制导，能大大降低运载体对GPS的依赖性，同时还能为先进的武器和各种军事平台提供能适应各种操作条件的毋庸置疑的导航和制导性能。例如步兵的导航，无人机(UAV)、无人水下航行器(UUV)以及导弹的导航、制导与控制。

3 重点发展领域

美国国防高级研究计划局协调多方力量来共同研究微技术，旨在解决与高精度时钟和惯性器件小型化相关的关键技术。导航、定位与授时微技术项目包含四个重点发展领域:时钟，惯性器件，微系统集成，以及惯性导航和授时设备采集、登录和分析平台，如图1所示。每个领域的研究工作都涉及对新的制造技术、深度集成以及芯片级自校准的技术探索，同时也离不开对“即插即用式”测试架构的研制［3］。

图1 导航、定位与授时微技术项目

3.1 时钟

3.1.1 芯片级原子钟

芯片级原子钟(CSAC)最早由美国国防高级研究计划局和美国国家标准与技术研究院开发，其体积要求是传统原子钟的1/100，相当于电脑芯片的大小;而且功耗要求也是传统原子钟的1/10。

芯片级原子钟项目制造出超小型、低功耗的原子时间和频率参考单元。芯片级原子钟的研制也促进了超小型化、超低功率原子钟的发展，这类原子钟可用于对安全性要求比较高的超高频(UHF)通信和抗干扰GPS接收机。该项目已实现了芯片级原子钟技术的商业级应用。与传统的原子钟相比，这种芯片级原子钟的体积只是原来的1/100，功耗是原来的1/50。

2011年10月27 日，进步号40从拜科努尔航天发射场携带两块DARPA研制的芯片级原子钟，首次进入太空。这两块芯片级原子钟很快就会在国际空间站进行测试，用以支持导航、定位与授时微技术项目。该芯片被插入到位于国际空间站的保龄球大小的卫星上(即同步位置的保持、连通与再定向试验卫星，SPHERES)。试验后，这种芯片级原子钟被从卫星上取下，并完成同国际空间站负载的原子钟的比对测试［4-6］。

在历经运输、发射以及空间站操作等程序后，这意味着芯片级原子钟距离被集成到未来空间平台的目标更近了一步。这种集成将会使各种空间平台在导航、定位与授时上有更多的自主权。

3.1.2 集成微基准原子钟技术

集成微基准原子钟技术(IMPACT)项目正在开发下一代芯片级原子钟，以进一步提升芯片级原子钟(CSAC)原有的水平。一旦成功，集成微基准原子钟技术会将芯片级原子钟的精确度和稳定性提高两个数量级。集成微基准原子钟技术一方面要依赖原子物理学的新方法，另一方面也可以直接利用芯片级原子钟项目研究所掌握的大部分科学理论及技术。一旦研制成功，集成微基准原子钟技术项目所开发出的设备将会使芯片级原子钟的能力得到扩展，从而可用于需要长时间导航/制导的任务中。

集成微基准原子钟技术项目预计分3个阶段，目前正处于第2个阶段。第二阶段的目标是要交付一个体积20 cm3，功耗250 mW的时钟，其一个月内的时间偏差要少于160 ns。

3.2 惯性器件

DARPA在惯性器件的研制方面已经取得了进步，已掌握了生产体积和成本都减小多个数量级的传感器的方法。这项工作是由导航、定位与授时微技术项目下的微型速率积分陀螺仪(MRIG)子项目、微型核磁共振陀螺仪(NMRG)项目来完成的［7-10］。

3.2.1 微型速率积分陀螺仪

微型速率积分陀螺仪项目分为三个阶段，目标是研制出微机械振动陀螺仪，这种陀螺仪的体积足够小，从而可以被集成到制导武器的平台、手持式设备，以及便携插入式的导航、制导和控制(GN＆C)单元里。MRIG于2012年前后完成了第一阶段目标，即突破了利用非传统材料(例如块体晶体合金、金刚石、超低膨胀玻璃)的三维微加工方法。现已成功研制出小型的三维结构，包括环形体、半球体和酒杯形结构，该方法的成功运用将逐渐代替目前最先进的微机械陀螺的二维结构模式。

以下是DARPA研制出的与这些微型惯性器件相关的新制造方法。

吹制玻璃。如图1所示，研究人员开发出在微尺寸上再现传统的玻璃吹制技术的制造方法，生产出微小的三维酒杯状的惯性器件。这类传感器的对称性较高，因此频差接近10 Hz，之前同样尺寸的传感器还从未达到过这个水平，而且这个对称水平也接近高精度导航设备的要求。

图1 吹制玻璃

吹制石英。如图2所示，类似于吹制玻璃，吹制石英的方法也可以用来制作对称性更好的结构。研究人员开发的制造技术是将石英先加热到1700℃(通常玻璃的熔点约为800℃)，然后快速冷却。这种制造技术可用于大批量生产，一个晶片就能生产出数以百计的该类结构。

图2 吹制石英

加工金刚石的原子层。如图3所示，将金刚石放置在一个吹制结构上，或者将CVD金刚石放于基板微孔底部，这也是一种潜力巨大的生产高度对称的、精确的三维惯性器件结构的有效方法。

图3 加工金刚石的原子层

该项目的第二阶段在2012年也已经启动，在这个阶段DARPA将对这些新方法进行进一步的锤炼，旨在生产出经过验证的、可操作的设备。在第二阶段，研究人员将努力使频差从10 Hz降低到5 Hz，使衰减时间从10 s增加到100 s，并使体积从20 mm3减少到10 mm3，从而使生产出的设备更加精确可靠。

3.2.2 微型核磁共振陀螺仪

导航、定位与授时微技术项目于2011年前后开发出一种微型核磁共振陀螺仪(NMRG)。微型核磁共振陀螺仪利用磁场中核粒子的陀螺式自旋来确定方向。这种陀螺没有活动部件，对加速度与振动也不敏感。其他类型的陀螺仪，如硅微机械陀螺仪，更容易受到振动的影响，因此无法满足对其性能的要求和期望。

完全密闭的微型NMRG能够满足精确导航要求，其研制成功后不仅能够实现导航级的性能，还能使当前惯性测量单元中使用的最先进的导航级陀螺仪的尺寸、重量和功耗都降低两个数量级。因此，这种微型核磁共振陀螺仪可以用于个人导航系统、无GPS信号领域的导航，以及微型无人机。

3.3 微系统集成

3.3.1 微惯性导航技术

微惯性导航技术(MINT)旨在制造利用二次惯性变量(如速度和距离)的导航传感器，从而降低由单一的惯性器件带来的误差积累。这种组合式的微型导航辅助传感器的导航精度将会超过传统的惯性测量单元(只包括加速度计和陀螺仪)。研制成功后，微惯性导航技术项目所生产的微米级和纳米级的低功耗导航传感器将会带来长时间(数小时到数日)的不依赖GPS的精确导航［11-12］。

微惯性导航技术项目目前处在最后的第3阶段。该阶段的最后目标是验证其惯性导航精度，该精度接近为在超过10 h的时间段内保持为1 m，器件体积为1 cm3，功率为5 mW。

3.3.2 授时和惯性测量单元

单芯片授时和惯性测量单元(TIMU)项目所要解决的问题是制造完全集成的微型、低功耗、高性能的自主导航系统。

DARPA在密歇根大学的研究人员已经在授时和惯性测量单元领域取得了重大进展，该测量单元包含在GPS暂时不可用的情况下实现导航所需要的所有器件。这种单芯片的TIMU样机包含一个六轴惯性测量单元(3个陀螺仪和3个加速度计)，将一个高精度的主时钟集成到一个单一的微型系统中，体积比一便士还要小。该芯片集成了突破性的组件(时钟、陀螺仪和加速度计)、材料和设计方案，这些都是DARPA导航、定位与授时微技术项目所取得的成果。

这种精致的设计是通过新的制造工艺而实现的，用高质量的材料生产出多层的、封装的惯性器件和一个计时单元，所有这些器件都被装在一个只有10 mm3大小的壳体内。TIMU有6个微层，每一层只有50 μm厚，大约是人类一根头发的厚度。每一层都有不同的功能，好比建筑物中的各层。传感器的结构层和集成包都是由硅制造的，因此生产出的TIMU体积小、鲁棒性强，特别适合当GPS功能暂时不可用或信号受限时人员跟踪、手持导航、小口径武器和小型空中平台。

授时和惯性测量单元项目预计分3个阶段，目前处于第二阶段。该项目的最终目标是要实现圆概率误差(CEP)小于1 nm/h，且体积不超过10 mm3，功耗不超过200 mW。而目前应用中的体积最小、技术最先进的战术级惯性测量单元的体积约为1000 cm3。

3.3.3 活动层初级和次级校准

活动层初级和次级校准(PASCAL)项目旨在克服微机械惯性器件和时钟的长期校准漂移问题。该项目的两个主要目标是:①在需要大幅改善长期偏差和标度因数稳定性、对性能要求比较高的应用产品中使用最先进的尺寸、重量、功率和成本都减少的传感器;②实现零维护部署或现场校准。一旦成功，该项目将消除实地召回、校准和更换部件的昂贵成本［13］。

活动层初级和次级校准项目预计分3个阶段，目前处于第二阶段。该项目的最终目标是:在至少一个月的时间段内有效的偏值和标度因数的偏差小于1×10-6，且其体积不超过30 mm3，功耗不超过50 mW。

3.3.4 芯片级组合原子导航仪惯性测量单元

根据DARPA的计划，C-SCAN项目将分3个阶段完成。第一阶段的工作目标是原子惯性参考单元的小型化;第二阶段将主要从事算法和体系结构的集成工作;第三阶段将对C-SCAN微系统进行集成和验证。

为了实现芯片级组合原子导航仪，还需研究探索原子传感器与固态惯性器件的微型化和组合制造，探索能够实现各种组件无缝组合的算法和架构。

3.4 惯性导航和授时设备采集、登录和分析平台

DARPA的微系统技术官员与霍尼韦尔公司签署了一份唯一供方合同，开发微型速率积分陀螺仪项目下的惯性导航和授时设备采集、登录和分析平台(PALADIN＆T)。

2012年，DARPA导航和制导研究人员，要求霍尼韦尔公司的航空微电子和精密传感器部门的测试测量领域的专家开发PALADIN＆T平台。针对该PALADIN＆T平台项目，霍尼韦尔公司的专家们利用他们过去为战术级水下导航系统(TUNS)项目开发的硬件和软件，对其加以修改，从而实现能够进行模拟和数字信号采集、惯性器件的实时分析，并能部署在恶劣温度和振动环境下的实验测试平台。

4 项目发展趋势总结

根据美国国防科学委员会最近公布的一份报告来看，美国国防部目前打算投资的技术一定是能确保其在2030年依旧占据优越性的技术，并且该报告还特别提到了有必要发展对GPS导航系统的替代方式。该报告建议在5年内为美国国防高级研究计划局提供2亿美元的资金用来继续开展冷原子导航领域的研究。导航、定位与授时微技术以其精度高、体积小、可不依赖GPS独立工作等优点，将成为在GPS不可用时能够提供同等精度和功能的重要导航、定位技术，在美国军事和民用领域都有广阔的发展前景［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/.