基于DSP在捷聯(lián)慣性制導技術中的應用

1 引言

捷聯(lián)慣性制導是隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展起來的慣性制導技術，由于它是用一個數(shù)學平臺來代替平臺式慣性制導系統(tǒng)中的陀螺穩(wěn)定平臺，因而具有成本低、結構簡單、體積小、可靠性高等優(yōu)點。但正是由于沒有穩(wěn)定平臺，其慣性器件的測量值就不能直接用于導航計算，而必須先經過復雜的數(shù)學變換把其變?yōu)榉蠈Ш接嬎阋蟮闹?，這樣捷聯(lián)慣性制導在計算上十分復雜，同時對計算裝置的性能也提出了很高的要求。

2捷聯(lián)慣性制導的工作原理

由于去掉了穩(wěn)定平臺，捷聯(lián)慣性制導將慣性器件直接固聯(lián)于彈體上。這樣，其慣性器件所測得的值便是沿彈體坐標系軸向的測量值。由于彈體坐標系是運動坐標系，而導航計算是以參考坐標系（導航坐標系）為參照來確定彈的位置、速度、姿態(tài)等運動參數(shù)的。因此，彈體坐標系下的測量值不能直接用于導航計算，而必須先對它們進行變換，以將其變換到導航坐標系，然后再進行導航計算。具體的變換會因所選的參考坐標系的不同而有所不同，其基本過程如下：

（1）計算機根據(jù)陀螺的輸出計算出姿態(tài)角；
（2）根據(jù)姿態(tài)角參數(shù)，確定用來進行坐標變換的方向余弦矩陣；
（3）把彈體坐標系下的加速度用方向余弦矩陣變換到導航坐標系下；
（4）根據(jù)相應的力學編排方程算出彈體的即時速度、位置等制導參數(shù)。

圖1所示是一個捷聯(lián)慣性制導的工作原理示意圖。該系統(tǒng)的坐標系變換過程需要進行大量的矩陣運算，而變換后的導航計算主要是積分運算。因此，從計算方面來看，捷聯(lián)慣性制導在計算上是很復雜的，沒有相當?shù)挠布С质菬o法實現(xiàn)的。但從其它方面來看，省掉穩(wěn)定平臺又使得捷聯(lián)慣性制導系統(tǒng)具有結構簡單，可靠性高，容易制造，體積小，重量輕，成本低等特點。所以，捷聯(lián)慣性制導利用數(shù)學技術實現(xiàn)了系統(tǒng)結構的簡化，并由此帶來了工程技術上的優(yōu)越性。因此，小型戰(zhàn)術制導武器系統(tǒng)很適合采用這種技術。

3 捷聯(lián)慣性制導系統(tǒng)的設計

3．1 DSP技術介紹

DSP（數(shù)字信號處理器）是一種特殊結構的微處理器，該類器件原本主要是用來對數(shù)字信號進行快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）、卡爾曼濾波等運算量極大且要求實時計算的系統(tǒng)進行處理的。為達到快速進行數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片應有一些特殊硬件結構，具體表現(xiàn)如下：

（1）哈佛結構：哈佛結構是并行體系結構，主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個互相獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(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。
（2）流水線操作：該操作與哈佛結構相關，DSP芯片廣泛采用流水線操作方式以減少指令執(zhí)行時間，增強處理器的處理能力；
（3）專用的硬件乘法器：乘法可以在一個指令周期內完成；
（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專門用于數(shù)字信號處理的特殊指令；
（5）快速的指令周期：由于采用哈佛結構、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)化設計，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芯片能夠實現(xiàn)很多實時計算的應用。

可以看出，DSP的高速實時計算能力很強。因此，捷聯(lián)慣性制導需要進行的大量實時計算非常適合用DSP芯片來實現(xiàn)。

3．2 制導系統(tǒng)電路設計

捷聯(lián)慣性制導理論將整個系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊，即計算機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。其中計算機模塊負責全系統(tǒng)所有的計算和控制工作；數(shù)據(jù)采集模塊負責從慣性器件采集數(shù)據(jù)；通訊與控制接口模塊負責計算機模塊與系統(tǒng)外其它設備的通訊工作和對彈體飛行控制機構的控制工作。三大模塊之間通過總線進行互連。其系統(tǒng)功能結構示意圖如圖2所示。從圖中可以看出，計算機模塊是全系統(tǒng)的核心，是唯一有計算能力的部分，系統(tǒng)中所有軟件功能均在此實現(xiàn)。所以，本模塊設計的好壞對整個系統(tǒng)的性能影響很大，是系統(tǒng)全部電路設計的關鍵。下面重點介紹這部分電路的設計。

對于一個計算機電路來說，決定其性能的最重要部分當然是處理器。所以，本模塊采用什么樣的處理器也就成了這部分電路設計的重點。綜合捷聯(lián)慣性制導的特點和系統(tǒng)的設計要求，筆者選用TI公司的TMS320C32PCMA50（簡稱C32）作處理器。C32是一種32位高性能浮點數(shù)字信號處理器（DSP），與一般的DSP芯片相比，C32允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中并被算術運算指令直接引用，從而增強了芯片的靈活性；另外，C32也可以將指令存儲在高速緩沖器Cache中。這樣，當執(zhí)行此指令時，就不需要再從存儲器中讀取指令，從而節(jié)約了一個指令周期的時間。C32的運算速度高達60MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）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)慣性制導系統(tǒng)的設計要求。