惯性微系统封装集成技术研究进展

随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的器件圆片级封装技术、垂直互连转接板技术、新键合工艺技术等技术研究的出现,惯性微系统正在朝着三维封装集成架构发展,以满足微电子技术更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的发展需求。介绍了MEMS惯性器件和MEMS惯性微系统三维集成技术,硅通孔(Through Silicon Via,TSV)三维互连技术和倒装芯片技术为惯性MEMS微系统三维集成一体化提供了设计空间,有效地降低了惯性MEMS三维集成模块的体积、质量,提高了集成度,符合未来惯性MEMS三维集成多功能融合趋势的需求。     

微型定位导航授时系统集成设计

针对定位导航与授时系统的微小型化、一体化应用需求,提出了一种微型定位导航授时(Micro-PNT)系统集成方案,该方案是微小飞行器在GNSS拒止条件下可靠工作的有效解决手段。系统基于电路刚挠一体化工艺和器件空间布局优化技术,集成了MEMS惯性仪表、芯片级原子钟、处理器、电源芯片等功能器件,实现了系统的微型化、一体化。文中阐述了系统的集成架构和软件工作流程。通过系统样机的研制,验证了集成方案的可行性。通过分析系统样机的集成特点,指出其微型化存在的问题。最后,结合关键器件和三维微系统集成技术发展,给出了Micro-PNT微系统集成架构。     

微工程与惯性测量组件微型化发展研究

介绍了基于纳米技术的微工程领域的研究和发展情况,阐述了FPGA、ASIC、ASIS等典型集成逻辑器件设计技术和基于协同仿真、验证设计环境(CVE)进行虚拟样机设计开发的设计理念,介绍了MEMS的基础理论研究,总结了MEMS的技术特点和惯性测量组件微型化的发展趋势和优势.     

微机电系统引领航空技术新变革

微机电系统(MEMS)被认为是21世纪的一项“使能”技术,对航空工业的技术革新将产生重大影响.本文介绍了MEMS在航空领域的典型应用,包括微惯性测量系统、微型飞行器、微流控和灵巧蒙皮、集成光电器件、发动机智能控制等,并探讨了未来MEMS的发展趋势     

2020年国外惯性技术发展与回顾

通过对IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议、PLANS会议和DGON ISS会议等惯性技术相关会议文献,以及惯性技术相关机构发布的一些动态信息进行梳理,总结分析了惯性技术领域的最新发展动态,并重点介绍了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺和加速度计等惯性器件的发展现状,以及美国为增强定位、导航与授时(PNT)能力采取的一系列举措和惯性相关组织机构的发展变化,最后对惯性技术领域的发展动向进行了分析和展望.     

MEMS惯性器件工程化测试体系研究

由于低成本和高可靠性的优势,MEMS惯性器件被广泛用于军事、汽车、消费类电子等领域.但是国内目前无法实现工程化和批量化生产,国产MEMS惯性器件的市场占有率增速缓慢.分析了制约国产MEMS惯性器件工程化的瓶颈,设计了一套用于批量化生产的测试系统,该系统已经过实际生产验证,具有自动化和高效率的优势.该系统能有效降低生产成本,加速解决MEMS惯性器件工程化问题.     

2021年国外惯性技术发展与回顾

对2021年IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议等惯 性技术相关会议文献,以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行详细梳理。总结了光学陀 螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺和加速度计等惯性仪表及惯性系统的发 展现状,并对惯性技术领域的发展动向进行了剖析与展望。     

一种制导炮弹用组合导航系统设计

针对制导炮弹的需求设计了一种组合导航系统。该系统采用微机电 (MEMS)惯性传感器, 集成了GPS 接收机和磁阻传感器, 构成了微小型组合导航系统。 给出了系统的整体设计方案、硬件结构、导航算法设计和试验结果,并讨论了系统设计 中的一些问题。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

基于MEMS传感器的四旋翼组合测姿研究

针对四旋翼无人机机体尺寸较小、带载荷能力有限的特点,设计基于低成本MEMS惯性器件的测姿系统,以满足四旋翼无人机在系统控制方面的需求。但是低成本的MEMS惯性器件具有精度低,随机漂移大,容易受到外界环境干扰等缺点。本文充分发挥四旋翼无人机搭载的MEMS惯性器件的功能,分别利用两种方法测量载体姿态,并通过卡尔曼滤波的方法实现这两种测姿方法的数据融合。经过仿真分析,融合后组合测姿系统的测姿精度得到提高。     

激光陀螺捷联惯导系统旋转调制技术综述

激光陀螺旋转调制技术是一种系统级误差自补偿技术，能够有效调制陀螺和加速度计的误差，提高导航系统的精度。首先分析了旋转调制型捷联惯导系统的基本原理和类型，然后从转位方案的编排、惯性测量单元旋转速度和转停时间的选取、旋转机构的导航解算、旋转机构的误差分析、载体角运动隔离等多方面，对激光陀螺旋转调制技术进行了综述，并探讨了我国旋转调制技术的重点研究方向，提出了合理的建议。     

北斗/惯性深耦合接收机速度误差特性研究

北斗/惯性深耦合接收机利用了惯性辅助和微惯性器件误差实时补偿技术,具有更好的高动态适应性与抗干扰能力。深耦合接收机中,惯性测量模块与接收机模块的信息相互利用,形成了2个闭合的误差传递通道:位置通道和速度通道。针对速度通道分析了误差传递特性。首先,考虑了三阶锁相环所实现的载波跟踪环路,在对组合滤波器进行简化的基础上,建立了速度通道的传递函数模型;然后,推导了惯性辅助误差到接收机速度误差的传递关系,分析了其误差特性;进一步将惯性辅助误差分为由惯性器件误差和由辅助信息更新率低引起的误差,分别分析了它们对接收机速度误差的贡献。分析结果表明:1)惯性辅助误差到接收机速度误差的传递模型表现为高通特性;2)由惯性器件误差所引起的速度误差,因受载波跟踪环路滤波器的作用而大大减小;3)比较而言,由辅助信息更新率低所引起的速度误差更为显著。     

基于RTS滤波的GPS+BDS非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

Quadratic extended Kalman filter approach for GPS/INS integration

GPS/INS integration system has been widely applied for navigation due to their complementary characteristics. And the tightly coupled integration approach has the advantage over the loosely coupled approach by using the raw GPS measurements, but hence introduces the nonlinearity into the measurement equation of the Kalman filter. So the typical method for navigation using measurements of range or pseudorange is by linearizing the measurements in an extended Kalman filter (EKF). However, the modeling errors of the EKF will cause the bias and divergence problems especially under the situation that the low quality inertial devices are included. To solve this problem, a quadratic EKF approach by adding the second-order derivative information to retain some nonlinearities is proposed in this paper. Simulation results indicate that the nonlinear terms included in the filtering process have the great influence on the performance of integration, especially in the case that the low quality INS is used in the integrated system. Furthermore, a two-stage cascaded estimation method is used, which circumvents the difficulty of solving nonlinear equations and greatly decreases the computational complexity of the proposed approach, so the quadratic EKF approach proposed in this paper is of great value in practice.     

浅议精密惯性产品制造中的增材制造

惯性技术已经成为国防及国民经济建设各行业中运动信息感知测量的核心技术.但是制造环节却成为制约其精度提高、性能改善、效率提高、成本降低的“黑障”,困扰着惯性技术再进步的步伐.刚刚兴起却迅猛发展的三维数字化增材制造(3D打印)技术彻底颠覆了传统制造,从装备到工艺、从材料到设计的理念,对制造业形成了革命性的冲击.以惯性技术产品三维数字化增材制造为目标,详细叙述了三维数字化增材制造的概念,国内外发展现状和其在精密惯性技术产品制造中的可能性、可行性和推动惯性技术产品制造变革的价值;并根据近几年对三维数字化增材制造的一些学习认知、实践感悟,提出了一些三维数字化增材制造在精密惯性技术产品制造中应用的粗浅看法和思路,以求共进.     

基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统的 研究及实现

针对小型无人机武器平台对航姿系统小型化、低成本、集成化的设计要求,提出了一种基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统,实现了单板集成所有惯性测量、初始对准、惯性导航、组合导航,以及航姿测量等功能.通过车载导航试验及飞行试验考核,该系统可以满足用户应用需求.     

Strapdown Guidance Error Analysis

A crucial part of so-called ?strapdown? techniques for inertial guidance systems is the generation of the matrix of direction cosines relating the body axes to the reference axes. This is generally done by direct integration of a set of differential equations having the body angular velocities as inputs. This paper is devoted to an error analysis of two commonly used integration schemes, namely, direction cosines and quaternions. Scale, skew, and drift errors are defined, and the susceptibility of the integration schemes to these types of error is examined. It is concluded that the quaternion scheme offers an advantage because it intrinsically yields zero skew error. The paper is presented in two parts, for convenience.     

惯性器件精密零件微小毛刺去除技术研究

针对惯性器件中的外形复杂类零件、通孔交叉孔类零件、特殊材料类零件等微小毛刺去除需求,分析了现有控制工艺方法不足.通过开展高效率、高质量的零件毛刺去除试验,研究了磨粒流去毛刺、磁力研磨去毛刺、强力超声波去毛刺等精密去毛刺新方法对产品质量的影响,分析了先进去毛刺工艺方法的适用性,探索了惯性器件零件去毛刺技术发展方向.     

机抖激光陀螺捷联系统动力学建模及结构动特性设计方法

机抖激光陀螺捷联系统普遍采用抖频偏频技术消除闭锁效应的影响,这使得激光惯导成为自带激励源的动力学系统,动力学系统结构参数的设计将影响陀螺抖动效率和陀螺测量精度。在陀螺抖动驱动力条件下,建立了包含激光惯导箱体、惯性测量本体、陀螺、减振器、抖轮在内的较为完整的动力学模型,给出了该模型的解答过程和Matlab仿真计算结果,讨论了不同结构参数对抖动效率及惯导精度的影响规律,并在此基础上提出了激光惯导结构基于动特性设计的原则和方法。经验证,该方法能够有效指导结构转动惯量等参数设计,提高了设计质量,有效避免了激光惯导由结构设计不足而导致的动力学问题。     

旋转式SINS的自标校技术研究

惯性器件常值及慢变误差是影响捷联惯导系统精度的主要因素之一,所以在捷联惯导系统出厂前需要对常值及慢变误差参数进行标定。但这些误差参数会随时间发生变化,对于高精度捷联惯导系统,每次启动后需要对惯性器件的误差参数进行重新标校。针对光纤惯导系统,建立了IMU误差模型,并根据提出的旋转式捷联惯导系统自标校转位方案原则设计出了一种8位置自标校方案,对惯性器件标定参数进行激励和辨识,并建立了Kalman滤波状态方程及量测方程,对惯导系统误差参数进行在线标定。实验结果表明,该方案对其惯性器件误差参数能进行准确估计,具有一定的参考价值。