作者简介

王巍，男，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，研究员，博士生导师。长期从事先进惯性技术、导航与控制专业研究工作。解决了航天飞行器导航、制导与控制相关的一系列关键技术难题；组织完成了多项新型惯性基组合导航前沿技术研究。近年来，在多源自主导航、高精度组合导航、GNC微系统、超高精度动态测量等研究领域取得一系列新的研究成果。

王巍院士以第一作者或第一完成人获授权发明专利 40 余项，发表学术著作8部。获国家技术发明二等奖 2 项，国家科技进步二等奖 1 项，省部级科技奖励 8 项，中国专利金奖 1 项，并获何梁何利科技进步奖、中国科协求是杰出青年成果转化奖、中国政府出版奖—图书奖、国家新闻出版总署“三个一百”原创图书奖、航天创新奖等多项奖励，先后被授予中国载人航天工程突出贡献者奖章等多项荣誉称号。

微系统以微纳尺度理论为基础，以微纳制造工艺为支撑，融合微电子、微机电和光电子等技术，通过系统构架和软件算法，将微传感器、微控制器、微执行器、微通信、微能源及接口电路等进行有机融合，形成软硬件一体化的多功能集成系统，属于“高精尖缺”技术领域。美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）认为微系统是“赋予未来能力”的核心使能技术之一。同时，微系统是一项引发新一轮科技革命的重要技术方向，也是继集成电路后的下一个基础性、战略性、先导性产业。微系统技术及相关产品正处于方兴未艾的阶段，其基础理论、关键技术和示范应用等方面的突破，将深刻影响航空航天、军事装备以及消费电子等军民领域的创新发展。

▲ 微系统典型示意图

美国DARPA对微系统的定位是赋予未来能力，期望其在信息感知、处理、通信、执行和能源等方面实现微小型化、三维集成化的技术突破。微系统典型示意图如图所示。

▲ 美国微系统技术典型研究项目及方向

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（guidance，navigation and control，GNC）微系统基于开放式体系架构，将微小型飞行器导航/惯性导航/通信/处理等多源感知、异构多核处理器、数据链通信、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。

▲ GNC微系统软件架构基本原理框图

GNC微系统是典型的多学科交叉的前沿科技方向，是汇集了众多学科门类而成长出来的尖端科技。

▲ GNC微系统与基础支撑技术的关系

同时，GNC微系统在微纳尺度上集成多种先进技术，通过系统整体优化设计，一定程度上摆脱了半导体工艺及器件代差的制约与跟仿，解决装备的自主可控和研制效率等问题。GNC微系统借鉴片上系统（system on chip，SoC）内嵌的IP核设计思想，利用先进工艺集成共性模块，基于总体架构、软硬件协同、模块化复用、可测性验证等多项技术，最终形成模块化、标准化的“微功能核”公共库，并支持即插即用扩展，在此基础上，结合载体动力学、任务场景、工作环境等，形成适合微小型空天飞行器多机一型的谱系化产品。

▲ 导航微系统发展趋势示意图

随着高精度单片六轴惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）及先进封装集成工艺技术的发展，元器件技术向上延伸和整机系统下沉渗透，导航微系统将由三维板式集成向平面化芯片式集成方向发展，演变过程如图所示，左图为传统刚挠结合板及立体拼装方式形成的导航系统，右图为北京航天控制仪器研究所设计的芯片级导航微系统。正是通过TSV/PoP/SiP等三维集成工艺，导航微系统实现了多源传感器件、微处理器、存储器、射频芯片等不同形式的芯片、器件和组件的立体集成。

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《导航、制导与控制（GNC）微系统技术》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。

《导航、制导与控制（GNC）微系统技术》

王巍等 编著

北京 : 科学出版社, 2025. 2

ISBN 978-7-03-079203-7

全书共9章：

  • 第1章为绪论，主要阐述微系统的基本概念、技术内涵、分类特点、发展前景及其与GNC微系统的基本关系等；

  • 第2章以机载/星载/弹载为例，主要介绍GNC微系统架构设计的技术要点、存在问题及优化方法；

  • 第3章从2D、2.5D、3D集成等微系统工艺技术出发，具体介绍集成关键工艺技术、晶圆级封装关键工艺和三维热管理技术等方面，并着重关注微凸点、重布线、硅通孔、无源器件集成、芯粒以及光电子集成等关键技术；

  • 第4章重点阐述典型微感知、微处理及微执行器件的基本原理、关键技术及当前进展；

  • 第5章以MEMS惯性器件这一类典型的微系统为例，具体包括敏感结构、检测回路、闭环控制回路、单片六轴惯性测量单元等设计，分析其工作原理、结构设计和控制电路设计，使读者更好地理解GNC微系统设计和研制的系统性和全面性；

  • 第6章围绕核心回路、干扰力矩、微执行机构等设计要点，重点分析机载、星载和弹载等典型场景下的GNC微系统信息融合与控制方法；

  • 第7章通过归纳GNC微系统导航、制导与控制功能的误差因素，结合半实物仿真、跑车试验及机载飞行试验，进行微系统技术验证；

  • 第8章总结GNC微系统的典型应用关键技术，具体包括总体架构、路径规划、数据链微传输和集群时敏协同等；

  • 第9章探讨GNC微系统发展面临的技术挑战及未来发展趋势。

总之，GNC微系统是信息技术面向未来的关键方向之一，也是占领21世纪科技制高点的颠覆性技术之一，具有重要战略意义和广阔发展前景。但同时也要看到，学科深度交叉融合的特点，决定了GNC微系统所形成的技术门槛、设备门槛均较高，而产业环节多，细分技术谱系较广，导致GNC微系统的投资回报周期相对较长。为解决上述难题，只有贯通技术、机构、管理之间的条块分割，整合重组多种创新要素，推动机制创新、模式创新和管理创新，加强既懂科学又懂工程的复合型人才培养，才能更加从容地应对上述挑战。只有抓住机遇，积极制定相关战略，汇聚多种创新资源优势，建设GNC微系统“科研产业一体化”的生态环境，大力推动GNC微系统技术的研究和应用，才能有效促进我国微系统行业的繁荣发展，抢占未来世界科技制高点。

本文摘编自《导航、制导与控制（GNC）微系统技术》（王巍等编著. 北京 : 科学出版社, 2025. 2）一书“前言”“第9章　GNC微系统技术发展趋势”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079203-7

责任编辑：余　丁　高慧元

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。

本书为相关领域科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了重要参考，也是社会公众了解GNC微系统发展现状及趋势的重要读本。

（本文编辑：刘四旦）

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