DSP在魚雷捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中的應用

陳瑜 李經(jīng)

（海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

為了保證魚雷按戰(zhàn)術(shù)要求的軌跡準確運動，提高魚雷命中率，導航與控制系統(tǒng)是現(xiàn)代魚雷不可缺少的重要組成部分[1]。目前，魚雷上采用的導航系統(tǒng)主要是慣性導航系統(tǒng)。慣導是一種自主式的導航方法，它完全依靠魚雷自載設(shè)備自主的完成導航任務，其基本原理是以牛頓力學定律為基礎(chǔ)，基于對魚雷加速度的測量，將加速度進行一次積分得到魚雷的速度，再作一次積分得到魚雷相對于地球的位置（即緯度、經(jīng)度和深度）。慣導平臺模擬一個選定的導航坐標系，若在平臺坐標系安裝三個加速度計，就可測得魚雷三個加速度的分量，再根據(jù)導航坐標系與地球坐標系的關(guān)系便可建立計算導航參數(shù)的方程。

1 魚雷捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)上來說可把慣導分成兩大類：一類是平臺式慣導；另一類是捷聯(lián)式慣導[2]。捷聯(lián)式慣導通過計算機實現(xiàn)的數(shù)字平臺來替代實體平臺，具有可靠性高、體積小、價格相對便宜的優(yōu)點。其原理圖如下圖1所示：

圖1 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理框圖

在捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中，由于慣性儀表直接安裝在魚雷上，魚雷的動態(tài)環(huán)境，特別是它的角運動，將直接影響慣性儀表。因此，捷聯(lián)式系統(tǒng)的慣性儀表動態(tài)誤差要比平臺大得多，必須予以補償。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)原理如圖2所示。

捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)在開始導航之前，必須進行初始對準，也就是力圖在計算機中建立一個準確地描述雷體坐標系和當?shù)氐乩碜鴺讼抵g的方向矩陣，常用的方法有自主式和受控式兩種。

圖2 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)原理

對于自主式初始對準方法，首先進行粗對準，其特點是對準速度快，但對準精度較低；然后進行精對準，其特點是對準速度慢，但對準精度高。

在魚雷上，為了提高魚雷武器系統(tǒng)的反應時間，一般采用受控式初始對準方法，即將艦艇上的慣性導航信息通過傳遞對準的方法傳遞到魚雷，從而可以大大縮短魚雷上捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的初始對準時間。從計算方面來看，捷聯(lián)慣性導航在計算上是很復雜的，需要相當?shù)挠布С值靡詫崿F(xiàn)，但是從其他方面來看，由于去掉了穩(wěn)定平臺，使得捷聯(lián)慣性導航具有：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、容易制造、體積小、重量輕、成本低等特點[3,4]。所以，捷聯(lián)慣性導航利用數(shù)學上的技術(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的簡化，由此帶來了工程技術(shù)上的優(yōu)越性，對于魚雷這種戰(zhàn)術(shù)制導武器，很適合于采用這種技術(shù)。

2 DSP技術(shù)介紹

可編程DSP芯片的開發(fā)利用完善的軟、硬件開發(fā)工具[5]對DSP程序及系統(tǒng)進行調(diào)試，使之能夠達到設(shè)計目標。TMS320系列DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具主要有：C/匯編語言源碼調(diào)試器、初學者工具DSK（Designer Starter Kit）、軟件模擬器（Simulator）、評估模塊 EVM（Evaluation Module）、軟件開發(fā)系統(tǒng) SWDS（Software Developing System）和仿真器 XDS（eXtended Developing System）等。

各主要的DSP生產(chǎn)商都為 DSP的開發(fā)調(diào)試提供了集成開發(fā)環(huán)境。為達到快速進行數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片一般具有與普通CPU不同的特殊硬件結(jié)構(gòu)：（1）哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是并行體系結(jié)構(gòu)，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)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，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)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提高了一倍。在哈佛結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中，取址與執(zhí)行完全重疊運行；（2）流水線操作：與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線，以減少指令執(zhí)行時間，增強了處理器的處理能力；（3）專用的硬件乘法器：乘法可以在一個指令周期內(nèi)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：哈佛結(jié)構(gòu)、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(shè)計，可使DSP芯片實現(xiàn)很多實時計算的應用。

3 魚雷捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的DSP設(shè)計

3.1 慣導系統(tǒng)電路設(shè)計

根據(jù)捷聯(lián)慣性導航理論，我們可以對魚雷的慣導系統(tǒng)電路進行設(shè)計，我們將整個慣導系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊：計算機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。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)采集子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)外其他設(shè)備的通訊工作和對魚雷航行控制機構(gòu)的控制工作。三大模塊之間通過總線進行互連，如圖3所示，其核心為計算機模塊。計算機模塊電路由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復和計算機電路組成。

3.2 慣導系統(tǒng)計算模塊的電路設(shè)計

綜合捷聯(lián)慣性導航的特點和系統(tǒng)設(shè)計要求，我們可選用 TI公司的 TMS320C32PCMA50（簡稱C32）作處理器。C32是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在如下方面進行了改進，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接引用；增強了芯片的靈活性；二是指令存儲在高速緩存器Cache中，當執(zhí)行此指令時，不需要再從存儲器中讀取指令，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）、25MIPS（每秒百萬次指令）。不論從速度上還是精度上，C32都完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

計算機模塊電路由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復和計算機電路組成。本模塊電路示意圖見圖4。

圖3 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 模塊電路示意圖

根據(jù)慣性導航系統(tǒng)是歷史信息敏感型系統(tǒng)的特點，有必要對系統(tǒng)運行的一些重要信息進行保存，以便重啟后能迅速接替上以前的工作。為此，本系統(tǒng)采用了兩條措施：1、使用高速自動存儲對數(shù)據(jù)存儲器中的重要數(shù)據(jù)進行備份。2、使用具有備份電源的實時時鐘芯片記錄從上一次導航數(shù)據(jù)保存時刻到重啟后讀取導航歷史信息之間的時間長度。該實時時鐘芯片在主電源掉電后還能利用備份電源提供幾十秒的電能。系統(tǒng)恢復電路就由上述兩個芯片構(gòu)成。

該模塊的核心電路——計算機電路，由C32 DSP、SRAM、FLASH ROM和CPLD組成。為提高性能，采用32位數(shù)據(jù)總線、24位地址總線。C32設(shè)置成微機工作模式，具有自主引導功能。系統(tǒng)程序固化在FLASH ROM中，SRAM作數(shù)據(jù)存儲器。CPLD作為C32和外圍芯片的接口[6]，實現(xiàn)了很多邏輯電路功能；外圍芯片與C32連接需要一個唯一的I/O地址，在CPLD中設(shè)計了I/O地址分配電路，為每個外圍芯片分配I/O地址；C32本身的外部中斷源只有四級（個），而系統(tǒng)中需要通過中斷來執(zhí)行的程序又不止四個。通過采用中斷和查詢相結(jié)合的辦法解決了這個問題；同一級中斷中包括好幾個中斷源，在該級中斷響應時再對具體的中斷源進行查詢，以確定需要具體響應哪個中斷源。因此，在CPLD中設(shè)計了中斷分配電路。對于啟動和運行時間都很嚴格的中斷源，由各種頻率的時鐘信號對其進行觸發(fā)。所以CPLD中還設(shè)計了時鐘發(fā)頻電路，用系統(tǒng)精準時鐘分頻產(chǎn)生所需各種頻率的時鐘。

I/O地址分配電路、中斷分配電路和時鐘分頻電路這三個電路可用CPLD（復雜可編程器件）來實現(xiàn)。

3.3 慣導系統(tǒng)程序設(shè)計

導航、制導計算都屬于實時計算，要實現(xiàn)這一要求，軟件就必須結(jié)合硬件來進行設(shè)計，以充分發(fā)揮硬件的功能。我們可設(shè)計工作過程如下：

加電開機—FLASH中的程序調(diào)入內(nèi)存—系統(tǒng)初始化、自檢—導航信息恢復—安裝中斷程序— 打開中斷—待機。

軟件部分包括：主程序、子程序和各中斷響應程序。主程序是系統(tǒng)程序的框架，重要初始化參數(shù)主要在主程序中定義，主程序通過調(diào)用子程序完成系統(tǒng)初始化、自檢、導航信息恢復、系統(tǒng)配置、中斷程序配置等功能。其中，系統(tǒng)自檢程序主要檢測CPU、SRAM、各接口芯片的工作是否正常。引導程序主要根據(jù)系統(tǒng)硬件中存儲的狀態(tài)信息確定導航計算的起點。主要狀態(tài)信息有：系統(tǒng)是加電開機還是死機后重起；上次保存數(shù)據(jù)與當前時間間隔等。根據(jù)系統(tǒng)硬件中保存的狀態(tài)信息和非易失存儲器中保存的導航信息，確定當前導航計算的基準點。其主程序流程圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

5 結(jié)束語

捷聯(lián)慣性導航是一種很有應用價值的慣性制導方法。魚雷作為一種主動攻擊的水中武器，正朝著大航程、高命中率方向發(fā)展，這就要求魚雷在航行中得到精確的定位和控制。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展迅速應用于各種戰(zhàn)術(shù)武器中，通過用DSP芯片對慣性器件的信息進行處理，用可編程器件進行邏輯電路的實現(xiàn)，簡化了電路，其位置參數(shù)運算不受魚雷加速度的影響，提高了系統(tǒng)的運算性能、可靠性和靈活性，滿足魚雷精確制導的需要。

[1] 任克明, 李萬君, 林賀新. 水中兵器與戰(zhàn)爭[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.

[2] 袁信, 鄭諤. 捷聯(lián)式慣性導航原理. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1994.

[3] 周濤, 李勐, 光尾流自導魚雷探測信號仿真[J]. 艦船電子工程, 2009, 11, 172～175.

[4] 崔紹波, 賈躍, 趙學濤. 自導魚雷射擊禁區(qū)[J] 魚雷技術(shù) , 2008, 16（1）.

[5] 張雄偉, 曹軼勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應用（第二版）[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002: 212—221.

[6] Daniel T. Maxwell. An Overview of the Joint Warface System （JWARS） [C]. Proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference, 2001, 12.