旋轉(zhuǎn)彈慣性測(cè)量裝置的研究

戴潛 姚宏瑛

一、引言

作為末端反導(dǎo)的重要發(fā)展方向，旋轉(zhuǎn)彈的控制裝置和彈體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且彈體的滾轉(zhuǎn)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏心、質(zhì)量偏心、彈體外形工藝誤差等干擾所造成的影響，因此各國(guó)都投入大量人力和物力進(jìn)行研究。如法國(guó)研制的“Milan”和德國(guó)研制的“HOT”等反坦克導(dǎo)彈，前蘇聯(lián)的“SAM-7”和美國(guó)的“FIM-92”以及其改進(jìn)型“RIM116”等地對(duì)空導(dǎo)彈，我國(guó)的“紅箭-73”和“HQ-9”等。現(xiàn)階段該系列導(dǎo)彈日益朝著低成本小型化高精度的方向發(fā)展，如“HQ-9”的彈徑為470mm，而“HQ-10”的彈徑卻僅為120mm，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)彈上慣性測(cè)量裝置的尺寸以及精度要求也愈加嚴(yán)格。

慣性測(cè)量裝置的主要功能是輸出彈體三個(gè)軸上的慣性測(cè)量信息，一般由速率陀螺、加速度及相應(yīng)的電子電路構(gòu)成。對(duì)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈，彈體上的慣性測(cè)量裝置除了三軸慣性測(cè)量信息外還需要輸出彈旋軸角位置，而彈旋角位置基準(zhǔn)的測(cè)量主要有兩種方案：一是通過地磁傳感器測(cè)量，但當(dāng)導(dǎo)彈縱軸與地磁場(chǎng)矢量重合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)。另一種也是本文采用的方法是通過速率陀螺積分得到，但由于旋轉(zhuǎn)彈繞自身縱軸高速旋轉(zhuǎn)，需要大動(dòng)態(tài)范圍和具有一定精度的陀螺，這對(duì)陀螺的各項(xiàng)性能，尤其是標(biāo)度因數(shù)的重復(fù)性、線性度、溫度等特性要求非常高，而由于對(duì)彈上慣性測(cè)量裝置尺寸的“小型化”要求，我們只得放棄選用精度較高的光纖陀螺和激光陀螺，而選用體積小的MEMS陀螺，由于發(fā)達(dá)國(guó)家在精密儀器上對(duì)我國(guó)的技術(shù)出口封鎖，以及國(guó)內(nèi)MEMS陀螺精度普遍較低的特點(diǎn)，這顯然是不能滿足要求的。為了解決上述問題，我們提出了在慣性測(cè)量裝置內(nèi)構(gòu)建一個(gè)“消旋平臺(tái)”來隔絕旋轉(zhuǎn)彈體高速旋轉(zhuǎn)的影響，不再直接使用速率陀螺儀測(cè)量彈體旋轉(zhuǎn)速度，而是依靠這個(gè)“消旋平臺(tái)”，在其上放置高精度小尺寸的角度傳感器，來完成對(duì)輸出彈旋軸角位置的測(cè)量。

二、 消旋平臺(tái)工作原理

“消旋平臺(tái)”實(shí)則運(yùn)用了速率陀螺儀的“空間測(cè)速機(jī)”功能，通過敏感其相對(duì)于慣性空間的繞彈體旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，由智能芯片按照控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，經(jīng)功率放大器輸出至與“消旋平臺(tái)”相連的力矩電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到“消旋平臺(tái)”在慣性空間內(nèi)相對(duì)靜止的特性。這種方法雖被廣泛運(yùn)用于地基、車載艦載、機(jī)載以及各種航天設(shè)備中，但是由于尺寸的限制，我們只得同時(shí)在“消旋平臺(tái)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上作出改進(jìn)以及在力矩電機(jī)控制算法方面提出更加穩(wěn)定的新方案。捷聯(lián)慣導(dǎo)安裝固定在穩(wěn)定平臺(tái)上。在發(fā)射準(zhǔn)備階段，捷聯(lián)慣導(dǎo)根據(jù)外界信息實(shí)現(xiàn)初始對(duì)準(zhǔn)，確定捷聯(lián)解算起點(diǎn)和初始航向、姿態(tài)。發(fā)射過程中，捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)，并實(shí)時(shí)讀取角速率傳感器信息，實(shí)時(shí)解算平臺(tái)位置和彈體航向、姿態(tài)、速度、以及運(yùn)動(dòng)角速率等信息。 穩(wěn)定平臺(tái)由旋轉(zhuǎn)解耦單元驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)保持平臺(tái)與平臺(tái)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)反饋。當(dāng)彈體進(jìn)入發(fā)射工況時(shí)，出現(xiàn)三種滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：彈體在膛線和氣動(dòng)力作用下的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；平臺(tái)相對(duì)于慣性空間的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：平臺(tái)在軸承摩擦力的作用下與彈體的同趨勢(shì)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)解耦單元根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)相應(yīng)模塊，使得平臺(tái)出現(xiàn)某種轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保持平臺(tái)相對(duì)于慣性空間穩(wěn)定。

三、系統(tǒng)組成

1、捷聯(lián)慣導(dǎo) 。捷聯(lián)慣導(dǎo)采用MEMS慣性器件IMU和必要的處理電路構(gòu)成，具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)。由于采用了半捷聯(lián)方案，對(duì)慣性器件的量程和線性度指標(biāo)要求大幅度降低，目前有成熟的MEMS慣性器件可供使用。

2、穩(wěn)定平臺(tái)。穩(wěn)定平臺(tái)主要由銀合金支撐結(jié)構(gòu)、精密軸承和滑環(huán)組成，由于捷聯(lián)慣導(dǎo)面定在穩(wěn)定平臺(tái)上，因此穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度影響良大，本方案的穩(wěn)定平臺(tái)采用雙端精密軸承支撐設(shè)計(jì)。選用定制的精密軸承，軸承滾子和外圈之間間隙做到最小化，將飛行過程中穩(wěn)定平臺(tái)所受到的沖擊降到最低，最大限度保證捷聯(lián)慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度。

3、旋轉(zhuǎn)解耦單元。旋轉(zhuǎn)解耦單元主要有微小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。電機(jī)、磁鋼、編碼器碼盤、滑環(huán)引針與彈體固聯(lián)，，電機(jī)繞組、編碼器電路和滑環(huán)與穩(wěn)定平臺(tái)固連，依靠?jī)H具有滾轉(zhuǎn)自由度的平臺(tái)和數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)速度隔離和穩(wěn)定。三軸慣性傳感器安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，平合相對(duì)彈體的角信號(hào)由彈體上的相對(duì)角度傳感器測(cè)量慣性傳感器測(cè)量的滾轉(zhuǎn)角信號(hào)數(shù)據(jù)與相對(duì)角度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后就得到了彈體的姿態(tài)信息，這些信息通過滑環(huán)送入彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

4、角速率傳感器 。角速率傳感器主要有微小型光電碼盤和光電編碼器讀取電路構(gòu)成。光電碼盤采用中空環(huán)形結(jié)構(gòu)，與彈體殼體固聯(lián)，讀取電路與穩(wěn)定平臺(tái)固聯(lián)，讀取信號(hào)直接接入解算處理電路。

四、可行性分析

4.1 捷聯(lián)解算

作為捷聯(lián)慣導(dǎo)的核心部件，本設(shè)計(jì)采用MEMS慣性器件組成的IMU，目前國(guó)內(nèi)外許多公司與單位在MEMS慣性器件研制方面取得了飛速的發(fā)展，產(chǎn)品性能逐漸穩(wěn)定，為基于MEMS慣性器件的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)方案中慣性捷聯(lián)算法成熟可靠，在多個(gè)項(xiàng)目中得到成熟的應(yīng)用。 另外，針對(duì)微機(jī)械慣性器件的穩(wěn)定性差，給捷聯(lián)解算帶來計(jì)算誤差的問題，本設(shè)計(jì)方案中有較為成熟的誤差補(bǔ)償技術(shù)。主要采用建立比較精確的誤差模型，以及系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定技術(shù)，對(duì)各項(xiàng)誤差因子，標(biāo)度因子、交叉耦合、溫度系數(shù)和刻度系數(shù)等誤差項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。目前的技術(shù)案可以賣現(xiàn)陀螺全溫線性度優(yōu)于1000ppm，一次啟動(dòng)零位穩(wěn)定性優(yōu)于30°/h的技術(shù)指標(biāo)。由于采用半捷聯(lián)方案，在工作時(shí)段平均平臺(tái)轉(zhuǎn)速可以控制在不大于10°/s，對(duì)于短時(shí)間應(yīng)用（不大于30S）捷聯(lián)解算可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，方案可行。