作为航空航天领域典型的颠覆性技术之一，导航、制导与控制（GNC）微系统基于开放式体系架构，将多源感知、异构多核处理器、电源转换与管理等多功能部组件进行系统级微尺度集成，通过灵活组合模式扩展其他部组件，形成GNC微系统。当前，微系统技术方面已多有著述，主要是从微电子集成工艺及器件等角度，阐述微系统设计思路和研制过程，而本书的特点是从系统工程的角度进行顶层正向设计，指出GNC微系统工程设计和实用化过程，应以导航、制导与控制专业为引领，以先进微电子集成工艺为基础，交叉融合，形成新的设计和研制理念，并产生由功能“量变”到应用“质变”的颠覆性影响。因此，深度掌握GNC微系统从顶层到底层的实现逻辑，有利于理解微系统的核心和关键，并为其他种类微系统设计提供借鉴。
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王巍，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，现任航天科技集团研究发展部部长，长期从事航天科技创新和航天科技战略规划研究。曾获得中国出版政府奖图书奖、国家技术发明奖、国家科技进步奖、中国专利金奖等多项。获国家技术发明奖2项（均排名第一），国家科技进步奖1项，省部级科技奖励及其他奖励多项
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 微系统技术概述 2
1.1.1 微系统概念的提出 2
1.1.2 微系统技术的内涵 3
1.1.3 微系统的主要分类 4
1.1.4 微系统的主要特点 7
1.1.5 微系统技术发展前景 7
1.2 微系统技术发展历程 8
1.2.1 美国微系统技术发展概况 8
1.2.2 欧洲微系统技术发展概况 10
1.2.3 日本微系统技术发展概况 11
1.2.4 我国微系统技术发展概况 12
1.3 微系统典型应用现状 14
1.3.1 航空航天领域 14
1.3.2 军事装备领域 16
1.3.3 其他典型领域 17
1.4 导航、制导与控制微系统 20
1.4.1 导航、制导与控制技术概述 20
1.4.2 微系统技术与GNC技术的关系 20
1.4.3 GNC微系统的基本特征 22
1.4.4 GNC微系统的发展现状 23
1.4.5 典型GNC微系统技术概述 25
1.4.6 GNC微系统技术的发展前景 28
参考文献 29
第2章 GNC微系统架构设计技术 33
2.1 概述 34
2.1.1 微系统架构设计 34
2.1.2 GNC微系统架构设计 37
2.1.3 典型GNC微系统架构设计 38
2.2 GNC微系统通用架构设计 47
2.2.1 通用架构总体设计 48
2.2.2 硬件架构设计 49
2.2.3 软件架构设计 53
2.2.4 即插即用设计 60
2.2.5 多场耦合性能设计 65
2.3 GNC微处理器技术 68
2.3.1 微处理器概述 68
2.3.2 微处理器分类 69
2.3.3 微处理器架构 70
2.3.4 GNC微处理器应用设计 71
2.3.5 GNC微处理器软件优化设计 74
2.3.6 GNC微处理器软件优化实例 75
参考文献 76
第3章 GNC微系统工艺技术 79
3.1 概述 80
3.2 微系统工艺技术发展现状 80
3.2.1 2D集成封装技术 81
3.2.2 2.5D集成封装技术 82
3.2.3 3D集成封装技术 84
3.3 微系统集成关键技术 95
3.3.1 微凸点技术 95
3.3.2 重布线技术 97
3.3.3 硅通孔技术 99
3.3.4 无源器件集成技术 103
3.3.5 芯粒技术 106
3.3.6 光电子集成技术 109
3.4 晶圆级封装关键技术 112
3.4.1 圆片级芯片规模封装技术 112
3.4.2 GNC微系统核心器件晶圆级封装技术 116
3.5 GNC微系统三维热管理技术 120
3.5.1 微流道技术 120
3.5.2 微热管技术 123
3.5.3 微型热电制冷技术 125
3.5.4 高热导率导热薄膜技术 127
3.6 GNC微系统工艺技术发展趋势 129
3.6.1 MEMS惯性器件的平面化技术 129
3.6.2 微感知与微执行器件的先进集成技术 131
3.6.3 GNC微系统的3D集成技术 134
参考文献 135
第4章 GNC微系统典型器件技术 139
4.1 概述 140
4.2 微感知器件技术 140
4.2.1 卫星导航芯片 140
4.2.2 微型磁强计 142
4.2.3 MEMS气压计 145
4.2.4 红外焦平面探测器 148
4.2.5 MEMS激光雷达 150
4.2.6 微波光子雷达 153
4.2.7 微型星敏感器 156
4.3 微执行器件技术 160
4.3.1 微型舵机 160
4.3.2 微型电机 163
4.3.3 微型推进器 165
4.4 其他典型微器件技术 171
4.4.1 芯片级原子钟 171
4.4.2 微型数据链芯片 176
参考文献 182
第5章 MEMS惯性器件技术 185
5.1 概述 186
5.1.1 MEMS陀螺仪的基本原理及分类 186
5.1.2 MEMS陀螺仪国内外发展现状 187
5.1.3 MEMS加速度计的基本原理及分类 189
5.1.4 MEMS加速度计国内外发展现状 190
5.1.5 MEMS惯性器件的发展趋势 194
5.2 MEMS陀螺仪的典型结构方案 195
5.2.1 线振动式MEMS陀螺仪 195
5.2.2 角振动式MEMS陀螺仪 196
5.2.3 振动环式或固体波动式MEMS陀螺仪 196
5.3 MEMS陀螺仪敏感结构设计 198
5.3.1 MEMS陀螺仪动力学方程 198
5.3.2 MEMS陀螺仪检测轴结构方案设计 200
5.3.3 敏感结构弹性梁及工作模态设计 201
5.3.4 敏感结构电容极板设计 202
5.4 MEMS陀螺仪检测与控制系统设计 203
5.4.1 微小电容检测电路 203
5.4.2 MEMS陀螺仪驱动控制回路 204
5.4.3 MEMS陀螺仪开环相敏检测回路 205
5.4.4 MEMS陀螺仪闭环检测回路 207
5.4.5 陀螺仪控制电路的集成 208
5.5 MEMS加速度计的典型结构方案 209
5.5.1 “三明治”式MEMS加速度计 209
5.5.2 扭摆式MEMS加速度计 210
5.5.3 梳齿式MEMS加速度计 212
5.5.4 硅谐振式MEMS加速度计 213
5.6 电容式MEMS加速度计设计 214
5.6.1 电容式MEMS加速度计动力学方程 214
5.6.2 “三明治”式MEMS加速度计敏感结构设计 215
5.6.3 电容式MEMS加速度计开环检测系统 218
5.6.4 电容式MEMS加速度计闭环静电反馈系统 220
5.7 多轴MEMS惯性器件 223
5.7.1 单片三轴MEMS陀螺仪 223
5.7.2 单片三轴MEMS加速度计 229
5.7.3 单片六轴惯性测量单元技术 235
参考文献 242
第6章 GNC微系统信息融合与控制技术 245
6.1 概述 246
6.2 GNC微系统多传感器时空对准技术 246
6.2.1 空间对准技术与杆臂误差 247
6.2.2 时间对准技术与不同步误差 250
6.3 GNC微系统信息融合设计 252
6.3.1 总体设计 252
6.3.2 信息融合核心模块设计 252
6.3.3 信息融合优化设计 263
6.3.4 信息融合设计要点 268
6.4 GNC微系统控制设计 269
6.4.1 机载GNC微系统控制设计 269
6.4.2 星载GNC微系统控制设计 277
6.4.3 弹载GNC微系统控制设计 283
6.5 GNC微系统信息融合分析与验证 294
6.5.1 轨迹发生器设计 294
6.5.2 导航数据生成 297
6.5.3 信息融合仿真分析 300
6.5.4 信息融合实测验证 304
参考文献 308
第7章 GNC微系统误差分析与测试技术 311
7.1 概述 312
7.2 GNC微系统导航、制导与控制误差分析 313
7.2.1 GNC微系统导航误差 313
7.2.2 GNC微系统制导误差 315
7.2.3 GNC微系统控制误差 317
7.3 GNC微系统典型器件误差分析 318
7.3.1 GNSS导航模块误差 318
7.3.2 MEMS惯性器件误差 323
7.4 GNC微系统典型工艺误差分析 328
7.4.1 TSV结构 329
7.4.2 微凸点结构 336
7.5 GNC微系统的典型环境误差分析 337
7.5.1 GNC微系统热学环境误差 337
7.5.2 GNC微系统力学环境误差 343
7.5.3 GNC微系统电磁环境误差 346
7.6 GNC微系统测试技术 347
7.6.1 GNC微系统典型器件测试技术 348
7.6.2 GNC微系统三维集成测试技术 358
7.6.3 GNC微系统一体化测试技术 361
7.7 典型GNC微系统半实物仿真与实际测试 364
7.7.1 半实物仿真试验 366
7.7.2 跑车试验 368
7.7.3 机载飞行试验 373
参考文献 377
第8章 GNC微系统应用关键技术 381
8.1 概述 382
8.2 GNC微系统应用现状及需求分析 383
8.2.1 GNC微系统应用现状 383
8.2.2 GNC微系统需求分析 399
8.3 GNC微系统应用的总体架构设计 403
8.4 GNC微系统应用的关键技术 405
8.4.1 路径规划应用技术 405
8.4.2 数据链微传输技术 409
8.4.3 集群时敏协同技术 410
参考文献 411
第9章 GNC微系统技术发展趋势 415
9.1 GNC微系统发展面临的技术挑战 416
9.2 GNC微系统发展的技术基础 421
9.3 GNC微系统的未来发展趋势 423
9.3.1 国际半导体技术发展路线演变 424
9.3.2 我国未来GNC微系统技术发展趋势 425
参考文献 432
附录 435
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