CC BY
194
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Навигация и УВД
№ 136
УДК 629.7.351
К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ПЛИС
Е.Е. НЕЧАЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
На основе проведённого автором аналитического обзора литературы предлагается построение интегрированной навигационной системы на базе ПЛИС, позволяющей осуществлять нелинейную цифровую обработку информации.
Как в нашей стране, так и за рубежом в течение долгого времени маршруты полётов воздушных судов (ВС) организовывались так, чтобы они проходили через наземные радиомаяки, как правило, радиомаяки VOR (VHF Omni-Direction Range - всенаправленный курсовой радиомаяк УКВ-диапазона). Так как полёт ВС выполнялся «на» или «от» радиомаяка, бортовое оборудование определяло и индицировало на указателях пилотажно-навигационных приборов (CDI - Course Deviation Indicator и HSI - Horizontal Situation Indicator) сторону и величину углового уклонения ВС [1]. Главным преимуществом VOR является возможность надежного информирования экипажа об азимутальном положении ВС относительно радиостанции, которое легко поддерживается пилотом. ВС может следовать курсом от одной станции VOR к другой, переключая приемник на соответствующие частоты. При этом обеспечивается точное соблюдение курса воздушного судна без учета поправки на снос боковым ветром. VOR имеет значительное преимущество в точности навигации по сравнению с отдельными приводными радиостанциями (ОПРС), снижая влияние особенностей рельефа местности и метеорологических явлений. Однако установка и техническое обслуживание VOR требует больших материальных затрат.
Постоянное возрастание интенсивности воздушного движения (ВД) привело к тому, что воздушных трасс, проходящих через радиомаяки и имеющих ограниченную пропускную способность, во многих регионах страны (особенно в Московском регионе) стало явно недостаточно. Специалисты стали рассматривать возможность организации ВД по произвольным траекториям, причём не обязательно проходящим через радиомаяки. Такая навигация получила название «зональная навигация» (RNAV - Regional Navigation) [1].
Проблема внедрения зональной навигации состоит не только в том, чтобы обеспечить полёт по произвольной траектории, а в том, чтобы точность её выдерживания соответствовала установленным в данном регионе требованиям. Для выполнения таких полётов требуется в любой момент времени иметь информацию о текущем местоположении ВС, а также данные об отклонении ВС от заданной траектории. Для получения такой информации применяется система VOR/DME. Всенаправленный дальномерный радиомаяк (англ. Distance Measuring Equipment, DME) — дальномерное оборудование, обеспечивающее определение расстояния от радиомаяка до ВС, как правило, совмещённое на выбранной наземной позиции с VOR.
Для целей зональной навигации было разработано специальное оборудование, называемое «оборудование зональной навигации» («оборудование RNAV»). Блоки аппаратуры выполняют автоматическое определение текущего местоположения ВС по одному или нескольким навигационным датчикам и вычисляют расстояние вдоль линии пути, боковое отклонение, время полета до выбранного пункта. Кроме этого, обеспечивается непрерывная индикация отклонения ВС на пилотажно-навигационном приборе и при необходимости передача этого отклонения в автопилот [1].
В соответствии с [2], в качестве источников информации о местоположении могут использоваться угломерная система VOR, дальномерная система DME, разностно-дальномерная сис-
тема LORAN-C, инерциальная навигационная система (ИНС), глобальная спутниковая навигационная система (GNSS).
Угломерная система (VOR). Станция VOR передаёт в эфир свои позывные азбукой Морзе и информацию, которая позволяет радионавигационным системам на борту ВС определить его угловое положение относительно станции. Информация от двух станций даёт возможность однозначно определить положение ВС. Отечественным аналогом VOR является радиосистема ближней навигации, которая требует иного радиоэлектронного оборудования на борту ВС, чем зарубежная.
Дальномерная система (DME). Работа подобной системы основана на измерении времени прохождения радиосигнала от наземной станции до ВС. Как на наземной станции, так и на ВС требуется установка приёмника и передатчика. На практике DME обычно совмещается с навигационной системой VOR, или оборудование DME размещается вместе с курсо-глиссадными маяками инструментальной системы посадки.
Угломерно-дальномерная система (VOR/DME). Работа системы заключается в преобразовании бортовым компьютером пеленга и дальности от радиомаяка в линейное бортовое уклонение от линии заданного пути, оставшееся расстояние и расчёте на их основе всех необходимых для RNAV элементов. Точность данного способа навигации связана в основном с азимутальным каналом системы, т.е. с VOR. В любых угломерных системах линейная погрешность определения местоположения возрастает пропорционально удалению от радиомаяка [2]. При этом средняя квадратическая погрешность определения пеленга по VOR составляет около 1.. .2°. Это значение и ограничивает максимально допустимую дальность использования радиомаяка, которая зависит также и от требований к точности навигации в данном районе.
Дальномерный способ определения координат по дальностям до двух радиомаяков (DME/DME). Данный способ обеспечивает более высокую точность по сравнению с угломерно-дальномерным в связи с незначительными ошибками определения дальностей по маякам DME и сравнительно медленным возрастанием погрешностей по мере увеличения самой дальности. Так, вблизи радиомаяка среднеквадратическая погрешность измерения дальности составляет около 0,1 морской мили, а на удалении 14° морских миль имеет порядок 1,8 морской мили. Для определения местоположения данным способом ВС должно одновременно находиться в зонах действия минимум двух маяков DME, что выполняется на территории Европы и США. Данный метод рассматривается ИКАО как один из основных методов зональной навигации.
Фазовая разностно-дальномерная система LORAN-C. Эта пассивная фазовая разностно-дальномерная система дальней навигации работает на несущей частоте 10° кГц и обеспечивает навигационное обслуживание примерно на % северного полушария Земли. Станции этой системы объединены в цепочки из 3.5 станций, работающих совместно по синхронному графику излучения импульсных сигналов. Максимальная дальность действия системы составляет до 100° морских миль. Работа системы основана на измерении задержки импульсных сигналов, принимаемых от цепочки передающих станций. В каждой цепочке одна из станций является ведущей, а остальные — ведомые. Все они достаточно точно синхронизированы. Приемник измеряет время прихода импульсных сигналов с точностью 0,1 мкс, и, если принятый сигнал распространяется как земная волна, то местоположение может определяться с точностью 150 м на расстояниях до 1500 км. На расстояниях свыше 2000 км преобладает ионосферная волна, и точность будет зависеть от состояния ионосферы. Испытания показали, что в отдельных случаях могут возникнуть ошибки в несколько километров. Таким образом, даже при идеальных условиях система Loran-C не будет иметь точность, которую обеспечивают GNSS. На сегодняшний день навигационная система Loran-C имеет в мире 34 цепочки, охватывающие территорию США, Северной Европы и прилегающих морских районов в северном полушарии. Приемниками Loran-C оснащены отдельные образцы терминалов американской системы Omnitracs. Отечественные аналоги данной системы имеют наименования «Тропик» и «Чайка». Среднеквадратическая погрешность этих станций составляет 0,1.. .1,0 км [2], но и они имеют недостатки. Стан-
ции подвержены влиянию как естественных, так и искусственных помех. Изменение проводимости поверхности Земли, атмосферные помехи, низкочастотные излучения линий электропередач и прочие факторы могут понизить точность. Также, отказ даже одного из передатчиков цепочки приведёт к прекращению обслуживания всего региона. Использование этой системы в условиях повышенных требований RNAV, а также в системе CNS/ATM не предполагается [2].
Инерциальная навигационная система (ИНС). Инерциальные навигационные системы являются автономными системами определения местоположения ВС на основе счисления координат. Измеренные акселерометрами ускорения ВС по трём осям координат интегрируются цифровым вычислителем, что даёт возможность получить координаты места ВС и всю другую необходимую для навигации информацию. Для любой системы счисления пути характерно возрастание погрешностей определения координат с увеличением продолжительности полёта, которые характеризуются величиной «ухода» счисленного места самолёта от фактического за час полёта. В [3] приведено значение этой величины, равное 1,5.2 морские мили за час, но современные ИНС обеспечивают и более высокую точность. Так, на самолётах Ил-96-300, на которых установлена американская ИНС «Litton-90-100», среднеквадратическая радиальная погрешность определения места самолёта имеет погрешность около 0,5 морских миль за час [1].
Тем не менее, по причине возрастания погрешностей ИНС не могут использоваться в качестве оборудования RNAV без периодической коррекции счисленных координат по другим средствам (спутниковым навигационным системам (СНС), DME и т.п.). На борту ВС устанавливаются три одинаковых комплекта ИНС, что позволяет повысить точность и надёжность навигации при использовании различных алгоритмов обработки информации - от простого усреднения координат, полученных от трёх идентичных ИНС, до сложных алгоритмов фильтрации [1]. В настоящее время роль систем счисления пути в навигационных комплексах меняется. Из основных средств они превращаются в дополнительные, корректируемые по информации от СНС. В качестве примера такой отечественной интегрированной системы можно привести НСИ-2000.
Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS). В настоящее время к глобальным спутниковым навигационным системам относят американскую систему GPS и отечественную ГЛОНАСС. Работа GNSS основана на псевдодальномерном способе определения координат. Собственная точность космического сегмента систем GPS и ГЛОНАСС меняется во времени. Для целей аэронавигации принято указывать величину погрешности, соответствующую 95процентной вероятности, т.е. равную удвоенной среднеквадратической погрешности - 2о. Орбитальное движение спутников, возмущения атмосферы и многие другие факторы приводят к появлению ошибок определения местоположения, значения которых могут меняться на интервале в несколько часов. Поэтому точность навигационных источников GPS и ГЛОНАСС определяется как 2о для каждого конкретного измерения. Значения среднеквадратических погрешностей (2о, р = 95%) определения дальности, высоты и скорости приведены в табл. 1 [4].
Таблица 1
Значения среднеквадратических погрешностей определения дальности
Параметры GPS ГЛОНАСС
Точность определения:
1) местоположения, м:
- стандартное облуживание при РБОР1 < 6 < 13
- канала “стандартная точность” 28
2) по вертикали, м:
- стандартное облуживание при РБОР < 6 < 77
- канала “стандартная точность” 60
3) по скорости, м/с 0,2 0,15
1 PDOP (Position Dilution of Precision) - снижение точности определения местоположения
Величина PDOP зависит от геометрического фактора, т.е. от углов пересечения линий положений. Как правило, PDOP колеблется от 0,8 до 10. Считается, что при PDOP < 6 обеспечивается высокая точность определения местоположения ВС. Бортовой компьютер ВС непрерывно вычисляет критерий PDOP, определяя лучшую четвёрку из всех видимых спутников для определения местоположения.
Из табл. 1 видно, что точности GPS и ГЛОНАСС для навигации на маршруте и в районе аэродрома вполне достаточно, но её не хватает для точных заходов на посадку [5]. Комплексиро-вание бортовых навигационных систем и развёртывание систем функционального дополнения WAAS/LAAS (Wide Area Augmentation System - широкозонная дополняющая система / Local Area Augmentation System - локальная система функционального дополнения) позволит довести точность до требуемых значений.
Совместное применение (комплексирование) аппаратуры СНС и ИНС позволяет уменьшить резервирование источников навигационной информации и погрешность измерений, так как корреляционные свойства погрешностей этих систем различны [6].
Действительно, погрешности ИНС связаны с внешними магнитными и гравитационными возмущениями, механическими характеристиками чувствительного элемента, потерями на трение и т.п., то есть в данной системе имеют место преимущественно низкочастотные составляющие погрешностей. СНС характеризуются наличием высокочастотного шума, а эффект накопления низкочастотной составляющей погрешностей в СНС практически отсутствует. Таким образом, совместная обработка (фильтрация) результатов измерений ИНС и СНС позволяет реализовать более высокоточную систему навигации ВС, в которой мгновенная погрешность определяется СНС, а долговременная - ИНС.
В зависимости от структуры алгоритмов совместной фильтрации данных измерений выделяют следующие схемы комплексирования: разомкнутую, слабосвязанную, сильносвязанную и глубокоинтегрированную. Если разомкнутая схема предполагает независимую работу навигационных датчиков, различной физической природы, а совместная фильтрация начинается только на уровне выходных данных измерений, то глубокоинтегрированная схема требует наличие единого навигационного фильтра первичных данных измерений комплексируемых датчиков, т. е. внедрения в аппаратуру первичной обработки измерений.
В общем виде задача комплексирования различных датчиков навигационной информации относится к классу задач нелинейного оценивания элементов вектора навигационных параметров (H) при неоднозначных измерениях, т. е. оценке подлежит сам вектор H. Для количественной характеристики точности оценивания вектора H при обработке однозначных измерений чаще всего используют ковариационную матрицу (матрица вторых центральных моментов) Rg одномодального закона распределения W1m(x) оценки Н. Использование матрицы Rg для количественной характеристики точности связано с тем, что элементы этой матрицы характеризуют степень «сосредоточенности» распределения W1m(x) около его математического ожидания. Чем меньше элементы матрицы Rg , тем с меньшей вероятностью оценка Н может уклоняться от её математического ожидания. При обработке неоднозначных измерений закон распределения оценки Н становится многомодальным Wnm(x). Для полной характеристики точности Н необходимо дополнительно знать долю объёма, расположенного под главной модой закона распределения Wnm(x), из общего объёма под всеми модами, равного 1. Эту долю объёма принято называть вероятностью или надёжностью правильного разрешения неоднозначности Рнад. Чем больше Рнад, тем выше точность оценки Н, получаемой при обработке неоднозначных измерений. Часто вместо Рнад используется вероятность ошибок Рош , которая равна доле объёма , расположенного под боковыми модами закона распределения Wnm(x), и, следовательно,
Рош = 1 ” Рнад [7].
В работе [7] вводится понятие избыточности однозначных и неоднозначных измерений. Однозначные измерения называют избыточными, если их число превышает минимально необходимое для определения оценки Н. Использование в обработке избыточных однозначных из-
мерений приводит к повышению точности оценивания. Оценивание на основе обработки неоднозначных измерений всегда характеризуется некоторой вероятностью ошибки Рош . Число измерений, по которым производится обработка, может быть достаточным для определения оценки Н , но характеризующая её Рош может быть при этом неприемлемо высокой. Привлечение в обработку дополнительных измерений может снизить Рош до приемлемого уровня, поэтому такие дополнительные измерения нельзя считать избыточными. Утверждение, что при обработке неоднозначных измерений, при увеличении их числа Рош будет уменьшаться, может вызывать сомнение. Так как, с одной стороны, увеличение числа измерений добавляет информацию об оцениваемом параметре, с другой, - каждое новое неоднозначное измерение характеризуется неопределённостью и поэтому увеличение числа измерений приводит к росту числа переменных, которые необходимо оценивать при обработке. Доказательство этого утверждения приведено в [7].
Итак, увеличение числа навигационных систем участвующих в работе по определению координат ВС, приводит к увеличению избыточности данных измерений и повышению точности интегрированной (комплексированной) навигационной системы.
В настоящее время в ГА России используется отечественная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС и американская СНС GPS. Для внедрения СНС ГЛОНАСС правительство РФ постановлением №587 от 20.08.2001г. утвердило Федеральную целевую программу «Глобальная навигационная система» на период 2002.2011 гг., в соответствии с которой ряд российских предприятий должны разработать наземное и бортовое оборудование спутниковой навигации второго поколения, работающего по сигналам СНС ГЛОНАСС и GPS. Необходимость разработки такого оборудования связана, прежде всего, с перспективой введения к 2010 г. системы зональной навигации в воздушном пространстве России. При этом парк эксплуатируемых воздушных судов должен быть оборудован аппаратурой ГЛОНАСС/GPS с целью обеспечения требований RNP (Required Navigation Parameters (Performance) - требуемые навигационные характеристики) [4].
В настоящее время в России зарегистрировано около 5 тысяч ВС, из них около 2,5 тысяч ВС необходимо оснастить отечественной аппаратурой ГЛОНАСС/GPS. К 2009 г. требуется дооборудовать отечественной бортовой аппаратурой спутниковой навигации около 1500 самолётов и около 900 вертолётов, находящихся в эксплуатации. Перспективное бортовое оборудование СНС должно обеспечивать возможность его сопряжения с другим бортовым навигационным оборудованием ВС. Перечень типов ВС, оснащённых отечественным бортовым оборудованием СНС ГЛОНАСС/GPS, а также тип оборудования приведены в табл. 2 [8].
Таблица 2
Перечень типов ВС, оснащенных отечественным бортовым оборудованием
№ п/п Тип оборудования Тип ВС
1. «АБРИС» Ан-124, Ил-76ТД, Ми-8ПС, Ми-8МТВ-1, Ми-26Т
2. НСИ-2000 Ил-76ТД
3. НСИ-2000МТ Бе-200, Ту-334, Ил-96-300
4. СН-3301 Ан-3Т, Ан-38, Ан-140
5. БПСН-2 Ка-226АГ
6. БПСН-2-01 Ту-214, Ту-204
7. СНС-2 Ту-334, Ил-114, Ил-96-300, Ту-214, Ту-204-300, Ту-204
8. СРПБЗ-П и АПДД Як-42Д
Внедрение на ВС СНС для обеспечения категорированной посадки начато с 2007 г., что обусловлено сроками разработки и сертификации оборудования СРПБЗ-П и АПДД и оснащением аэропортов ГА наземными дифференциальными подсистемами ЛККС-А-2000 [8].
Таким образом, в настоящее время имеет место тенденция совместного использования СНС ГЛОНАСС и GPS (в дальнейшем использование и европейской СНС Галилео), освоение новых частотных диапазонов для СНС (кроме Liu L2 ещё и L3), совмещение ИНС и СНС на этапе вторичной обработки данных измерений по разомкнутой схеме для повышения точности навигации.
Такое интегрирование (комплексирование) навигационных средств возможно на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
ПЛИС не имеют конкурентов в областях, требующих создания специализированных алгоритмов, ориентированных на аппаратную реализацию, которая позволяет в несколько раз повысить производительность за счет распараллеливания процесса обработки. Использование ПЛИС обеспечивает одновременно такую же гибкость реализации, как и программные средства.
Современные программируемые логические интегральные схемы позволяют реализовывать на кристалле стандартные процессорные ядра и решать практически любые задачи по построению программно-аппаратных систем на одной микросхеме с использованием единых систем проектирования и отладки.
Первые программируемые логические интегральные схемы появились в середине 80-х годов XX века. В то время они использовались преимущественно для реализации несложных алгоритмов, конечных автоматов средней сложности, а также для решения некоторых задач обработки данных. По мере усложнения и увеличения логической емкости ПЛИС начинают пользоваться все большим спросом. Так, например, в начале 90-х наибольший объем продаж отмечался, в основном, в области систем связи и телекоммуникаций, в которых не предусматривалась обработка и передача больших потоков информации. К концу же 90-х спрос на ПЛИС резко возрос в производственной сфере.
В настоящее время появились высокопроизводительные ПЛИС, емкость которых составила миллионы вентилей, причем некоторые из них содержат встроенные микропроцессорные ядра, высокоскоростные интерфейсы ввода/вывода и другие устройства. Современные ПЛИС сейчас находят применение практически во всех сферах науки и производства: в радиолокации, обработке изображений, средствах связи, в блоках цифровой обработки сигналов, в однокристальных системах, содержащих программные и аппаратные модули. Кроме того, с распространением ПЛИС возник и успешно развивается новый сектор рынка - системы с перестраиваемой архитектурой. Имеются наработки и готовые решения по применению ПЛИС для реализации микрочипов и нейрочипов [9].
Основные области применения ПЛИС следующие:
• Замена заказных интегральных схем. Как уже отмечалось, современные ПЛИС используются для создания устройств такого уровня, который до этого могли обеспечить только заказные микросхемы.
• Цифровая обработка сигналов. Высокоскоростная цифровая обработка сигналов традиционно проводилась с помощью специально разработанных микропроцессоров, называемых цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП) или digital signal processors (DSP). Однако современные ПЛИС содержат встроенные умножители, схемы арифметического переноса и большой объем оперативной памяти внутри кристалла. Все это в сочетании с высокой степенью параллелизма ПЛИС обеспечивает превосходство ПЛИС над самыми быстрыми сигнальными процессорами в пятьсот и более раз.
• Встраиваемые микроконтроллеры. Известно, что несложные задачи управления обычно выполняются процессорами специального назначения, которые называются микроконтроллерами. Эти недорогие устройства содержат встроенную программу, память команд, таймеры, ин-
терфейсы ввода/вывода, расположенные рядом с ядром на одном кристалле. Даже относительно простые ПЛИС можно использовать для реализации программного микропроцессорного ядра с необходимыми функциями ввода/вывода.
• Физический уровень передачи данных. ПЛИС уже давно используются в качестве связующей логики, выполняющей функцию интерфейса между микросхемами, реализующими физический уровень передачи данных, и высшими уровнями сетевых протоколов. Тот факт, что современные ПЛИС могут содержать множество высокоскоростных передатчиков, означает, что сетевые и коммуникационные функции могут быть реализованы в одном устройстве.
• Системы с перестраиваемой архитектурой. Можно использовать аппаратную реализацию программных алгоритмов, основываясь на таких свойствах ПЛИС, как параллелизм и пе-ренастраиваемость. В настоящее время различные компании заняты созданием огромных перенастраиваемых вычислительных машин на основе ПЛИС.
• Разработка нейрочипов. Поскольку нейронная сеть представляет собой набор одинаковых параллельно работающих простейших элементов — нейронов, то при её аппаратной реализации желательно обеспечить массовое параллельное выполнение простейших операций, причем чем большая степень параллельности вычислений достигается, тем лучше.
В классификации по архитектуре ПЛИС разделены на несколько групп [10].
Первая группа SPLD (Simple Programable Logic Devices - простые программируемые логические устройства). Микросхемы этой группы реализуют дизъюнктивные нормальные формы (ДНФ) переключательных функций, которые делятся на подклассы программируемых логических матриц ПЛМ (PLA - Programmable Logic Arrays) и программируемой матричной логики ПМЛ (PAL - Programmable Arrays Logic). Основными блоками таких микросхем являются матрица элементов И и матрица элементов ИЛИ, включенные последовательно. В микросхемах PLA программируются обе матрицы, в микросхемах PAL - только матрица элементов И.
Второй группой являются сложные логические схемы CPLD (Complex Programmable Logic Devices), где несколько PAL блоков объединяются в одно целое средствами программируемой коммутационной матрицы. В CPLD могут входить десятки таких блоков.
Кроме указанных выше групп существуют микросхемы программируемых пользователями вентильных матриц FPGA (Field Programmable Gate Arrays), которые в своей основе содержат большое число конфигурируемых логических блоков (КЛБ), расположенных по строкам и столбцам в виде матрицы, и трассировочных ресурсов, обеспечивающих их соединение. Конкретный проект на базе FPGA, в ходе которого на кристалле создается требуемая схема путем программирования соединений [11].
Процесс проектирования на всех типах ПЛИС сводится к тому, что разработчик устройства задает описание требуемого устройства в специализированной системе автоматизированного проектирования (САПР) и получает конфигурационный файл, который используется для программирования ПЛИС. Программирование ПЛИС выполняется путем записи конфигурационного файла в память микросхемы. Программирование в системе - одно из важнейших достоинств микросхем ПЛИС, позволяющее легко проводить изменения в логике их работы. Для записи файла в микросхему используется интерфейс JTAG. Этим термином обозначают совокупность средств и операций, позволяющих проводить тестирование и конфигурирование ПЛИС без физического доступа к каждому выводу. Термин JTAG является аббревиатурой наименования фирмы-разработчика - объединенной группы по тестированию Joint Test Action Group. Описание проекта задается в удобных для разработчика формах - в виде блок-схемы, текстового описания и т.п. Кроме того, современные САПР позволяют выполнить процесс отладки, моделирования и проверки устройства без непосредственного программирования самой ПЛИС, они также содержат средства отладки и оптимизации, непосредственно установленные в работающих ПЛИС через специальные порты отладки. В настоящее время САПР создается фирмой производителем ПЛИС применительно к своим устройствам, но тенденции развития этой от-
расли предполагают применение стандартизации САПР для программирования и отладки устройств различных фирм. Примером может служить поддержка различными САПР проектирования на языках высокого уровня описания аппаратуры - VHDL, Verilog и т.п. Это облегчает процесс обучения разработчика и не требует дополнительного переучивания.
В настоящее время существует порядка десяти известных фирм производителей ПЛИС, но более 80% рынка заняты следующими: Xilinx, Altéra, Actel, Atmel, Lattice Semiconductor.
Фирма Xilinx была основана в 1984. Основными направлениями производства фирмы являются перепрограммируемые пользователем базовые матричные кристаллы (Field Programmable Gate Array, или FPGA), перепрограммируемые микросхемы с традиционной PAL архитектурой (Complex Programmable Logic Devices, или CPLD), а также средства их проектирования и отладки. Фирма Xilinx производит микросхемы в различных типах корпусов. ПЛИС типа FPGA фирмы Xilinx выполнены по КМОП технологии. Они характеризуются высокой гибкостью структуры и изобилием на кристалле триггеров. При этом логика реализуется посредством так называемых LUT-таблиц (Look Up Table) Xilinx, а внутренние межсоединения -посредством разветвленной иерархии линий, коммутируемых специальными быстродействующими транзисторами. Конфигурационная последовательность может быть загружена в ПЛИС непосредственно в системе и перезагружена неограниченное число раз. Инициализация ПЛИС производится автоматически (из загрузочного ПЗУ Xilinx) при подаче напряжения питания или принудительно по специальному сигналу. В настоящее время выпускаются следующие серии FPGA фирмы Xilinx: Virtex, Spartan, XC5200, XC4000, XC3000. При этом, фирма не рекомендует использовать серии XC5200, XC4000 и XC3000 для разработки новых проектов. Архитектура CPLD микросхем Xilinx является обычной PAL архитектурой, когда логические ресурсы реализуются массивом элементов И, объединенных элементами ИЛИ, в свою очередь заведенными на триггеры или непосредственно на выход. Такая логическая структура достаточно проста для понимания, обеспечивает чрезвычайно короткое время компиляции и минимальные задержки. Для микросхем CPLD, выпускаемых Xilinx, перепрограммирование осуществляется сигналами JTAG через специальные стандартные выводы микросхемы, т.е. производится в той же системе, где и применяется данная ПЛИС. В настоящее время выпускается две серии ПЛИС с CPLD архитектурой: Fast Flash CPLD XC9500, CoolRunner/CoolRunner II.
Кроме того, фирма Xilinx предлагает разработчику широкий набор средств проектирования и отладки разработанных проектов:
• I SE Foundation предназначен для реализации цифровых систем на базе ПЛИС фирмы Xilinx;
• Xilinx Embedded Design Kit - интегрированный программный пакет для сквозной разработки встраиваемых программируемых процессорных систем на базе ПЛИС Xilinx;
• ChopScope Pro обеспечивает внутрисхемную отладку ПЛИС FPGA фирмы Xilinx;
• System Generator for DSP - инструмент для разработки и отладки высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов;
• PlanAhead позволяет разработчикам через анализ топологии кристалла повышать производительность проектов.
Основным пакетом для проектирования является ISE Foundation.
Корпорация Altéra - основоположник систем с программируемой логикой. Сегодня Altera предлагает серии микросхем CPLD и FPGA, а также необходимые средства разработки и отладки [12].
Важным традиционным архитектурным признаком микросхем этой фирмы является система коммутации с непрерывными связями, обеспечивающая предсказуемость и малые задержки сигнала. Такая система коммутации, применяемая в микросхемах CPLD и Altera, по возможности сохраняется и в FPGA. Серии микросхем CPLD фирмы Altera имеют энергонезависимую память для хранения конфигурации. Основой большинства микросхем стала архитектура се-
мейства MAX7000, вслед за которым появились модификации, развивающиеся в двух направлениях. В рамках первого направления (модификации серии MAX7000) возросшие технологические возможности обеспечивали увеличение уровня интеграции и быстродействия микросхем при снижении напряжения питания, потребляемой мощности и стоимости. Второе направление, представленное семейством MAX3000, связано с удешевлением микросхем, поэтому предъявляемые требования к микросхемам серии MAX3000 более скромные. Одной из возможностей микросхем CPLD фирмы Altera является разнообразие в выборе стандартов для сигналов ввода/вывода, уровни которых могут быть как ниже, так и выше рабочего напряжения ядра. В настоящий момент фирма Altera предлагает следующие микросхемы CPLD: MAX3000A, MAX7000, MAX II; и микросхемы FPGA: Cyclone, Stratix, Arria.
Фирма Altera даёт разработчикам две системы автоматизированного проектирования цифровых устройств:
• MAX+PLUS II. Поддерживает работу с относительно простыми семействами ПЛИС. Система MAX+PLUS II имеет средства удобного ввода проекта, компиляции и отладки, а также непосредственного программирования устройств. В настоящее время считается устаревшей и более не поддерживается производителем.
• Quartus II. САПР Quartus II активно развивается фирмой Altera. САПР поддерживает все новые семейства микросхем и обладает особенностями, которых нет в MAX+PLUS II.
Таким образом, фирма Altera выпускает большое количество разрабатываемых микросхем ПЛИС, а также удобные средства разработки и отладки.
Корпорация Atmel, основанная в 1984, в настоящее время является признанным мировым лидером в областях разработки, производства и маркетинга современных электронных компонентов, включая логические микросхемы с расширенными функциональными возможностями, микросхемы энергонезависимой памяти, а также интегральные схемы для радиочастотного диапазона и смешанной обработки сигналов.
Atmel - одна из немногих прогрессивных компаний, способных к объединению различных типов микроэлектронных ячеек на площади единого кремниевого кристалла [13].
Одним из направлений её деятельности является создание микросхем программируемой логики FPGA и CPLD. Современными микросхемами FPGA фирмы Atmel являются микросхемы серий AT40K, AT40KAL и AT6000, предназначенные, в основном, для использования в цифровых сигнальных процессорах. Также эти серии микросхем поддерживают динамическое программирование, при котором имеется возможность изменять части FPGA без полной остановки работы устройства в целом.
Современными микросхемами CPLD фирмы Atmel являются серии микросхем ATF15xx и ATF750C/CL, ATV2500B.
Микросхемы серии ATF15xx, являющиеся полностью совместимыми по выходам с микросхемами CPLD фирмы Altera серий MAX3000 и MAX7000, имеют от 32 до 128 макроячеек. Все микросхемы выполняются также и в варианте с низким потреблением питания, при котором микросхема автоматически отключается, если не выполняет никаких функций. Кроме того, все микросхемы фирмы Atmel поддерживают программирование по интерфейсу JTAG.
Таким образом, ПЛИС представляют собой уникальную цифровую базу для создания перепрограммируемых нелинейных цифровых навигационных фильтров, позволяющих объединять и фильтровать навигационную информацию от различных навигационных систем. К таковым можно отнести, например, ГЛОНАСС, GPS, GBAS (Ground-Based Augmentation System - наземная дополняющая система), ГАЛИЛЕО, ИНС, WAAS, LAAS и др. [14].
В качестве нелинейного алгоритма обработки подобной информации можно предложить метод медианных центров, реализуемый медианными фильтрами [15].
ЛИТЕРАТУРА
1. Вов к В.И., Липин А.В., Сарайский Ю.Н. Зональная навигация. Учебное пособие. - СПб. : СПГУ ГА, 2004.
2. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2005.
3. Руководство по требуемым навигационным характеристикам. Doc 9613. Монреаль : ИКАО, 1999.
4. Minimum Aviation Dydtem Perfomance Standarts: Required Navigation Perfomance for Area Navigation. s.l. : RTCA DO 236A/EUROCAE ED-75.
5. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эко-Трендз, 2000.
6. Информационные технологии в радиотехнических системах: под ред. Федорова И.Б. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.
7. Поваляев А.А. Спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радиотехника, 2008.
8. Кушельман В.Я., Стулов А.В. Основные направления и проблемы внедрения бортового оборудования спутниковой навигации ГЛОНАСС // GPS на ВС ГА // Научный Вестник ГосНИИ "Аэронавигация", вып. № 7, 2007.
9. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. - М. : ЭКОМ, 2002.
10. Грушвицкий И.Р. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
11. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004.
12. Altera Corporation. Quartus II Handbook. [PDF] 2007.
13. Atmel Corporation. PLD Design Software Overview. [PDF] 2006.
14. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными измерителями. - М.: Радиотехника, 1999.
15. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. Преобразования и медианные фильтры; под ред. Хуанга Т.С. - М.: Радио и связь, 1984.
ON PROBLEM OF INTEGRATED NAVIGATION SYSTEMS ON THE BASIS OF FPGA
Nechaev E.E.
On the basis of author’s analytical review the integrated navigation system construction on the basis of FPGA which made nonlinear digital processing of information is proposed.
Сведения об авторе
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1986 г.р., окончил МАИ (2008), аспирант кафедры УВД МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - цифровая обработка сигналов, управление воздушным движением, радионавигация.
