旋轉彈慣性測量裝置的研究

戴潛 姚宏瑛

一、引言

作為末端反導的重要發展方向，旋轉彈的控制裝置和彈體結構簡單，且彈體的滾轉可以改善發動機推力偏心、質量偏心、彈體外形工藝誤差等干擾所造成的影響，因此各國都投入大量人力和物力進行研究。如法國研制的“Milan”和德國研制的“HOT”等反坦克導彈，前蘇聯的“SAM-7”和美國的“FIM-92”以及其改進型“RIM116”等地對空導彈，我國的“紅箭-73”和“HQ-9”等。現階段該系列導彈日益朝著低成本小型化高精度的方向發展，如“HQ-9”的彈徑為470mm，而“HQ-10”的彈徑卻僅為120mm，因此對旋轉彈上慣性測量裝置的尺寸以及精度要求也愈加嚴格。

慣性測量裝置的主要功能是輸出彈體三個軸上的慣性測量信息，一般由速率陀螺、加速度及相應的電子電路構成。對于旋轉導彈，彈體上的慣性測量裝置除了三軸慣性測量信息外還需要輸出彈旋軸角位置，而彈旋角位置基準的測量主要有兩種方案：一是通過地磁傳感器測量，但當導彈縱軸與地磁場矢量重合時，會出現探測盲區。另一種也是本文采用的方法是通過速率陀螺積分得到，但由于旋轉彈繞自身縱軸高速旋轉，需要大動態范圍和具有一定精度的陀螺，這對陀螺的各項性能，尤其是標度因數的重復性、線性度、溫度等特性要求非常高，而由于對彈上慣性測量裝置尺寸的“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，由于發達國家在精密儀器上對我國的技術出口封鎖，以及國內MEMS陀螺精度普遍較低的特點，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量裝置內構建一個“消旋平臺”來隔絕旋轉彈體高速旋轉的影響，不再直接使用速率陀螺儀測量彈體旋轉速度，而是依靠這個“消旋平臺”，在其上放置高精度小尺寸的角度傳感器，來完成對輸出彈旋軸角位置的測量。

二、 消旋平臺工作原理

“消旋平臺”實則運用了速率陀螺儀的“空間測速機”功能，通過敏感其相對于慣性空間的繞彈體旋轉軸的轉速，由智能芯片按照控制算法計算出相應的控制量，經功率放大器輸出至與“消旋平臺”相連的力矩電機，使電機反轉，從而達到“消旋平臺”在慣性空間內相對靜止的特性。這種方法雖被廣泛運用于地基、車載艦載、機載以及各種航天設備中，但是由于尺寸的限制，我們只得同時在“消旋平臺”的結構設計上作出改進以及在力矩電機控制算法方面提出更加穩定的新方案。捷聯慣導安裝固定在穩定平臺上。在發射準備階段，捷聯慣導根據外界信息實現初始對準，確定捷聯解算起點和初始航向、姿態。發射過程中，捷聯慣導進入導航狀態，并實時讀取角速率傳感器信息，實時解算平臺位置和彈體航向、姿態、速度、以及運動角速率等信息。 穩定平臺由旋轉解耦單元驅動，驅動信號實時保持平臺與平臺滾轉運動負反饋。當彈體進入發射工況時，出現三種滾轉運動：彈體在膛線和氣動力作用下的滾轉運動；平臺相對于慣性空間的滾轉運動：平臺在軸承摩擦力的作用下與彈體的同趨勢滾轉運動。旋轉解耦單元根據控制計算機的指令驅動電機相應模塊，使得平臺出現某種轉動，從而保持平臺相對于慣性空間穩定。

三、系統組成

1、捷聯慣導 。捷聯慣導采用MEMS慣性器件IMU和必要的處理電路構成，具有體積小、可靠性高等特點。由于采用了半捷聯方案，對慣性器件的量程和線性度指標要求大幅度降低，目前有成熟的MEMS慣性器件可供使用。

2、穩定平臺。穩定平臺主要由銀合金支撐結構、精密軸承和滑環組成，由于捷聯慣導面定在穩定平臺上，因此穩定平臺對捷聯慣導的導航精度影響良大，本方案的穩定平臺采用雙端精密軸承支撐設計。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，將飛行過程中穩定平臺所受到的沖擊降到最低，最大限度保證捷聯慣導的導航精度。

3、旋轉解耦單元。旋轉解耦單元主要有微小型驅動電機和電機驅動電路構成。電機、磁鋼、編碼器碼盤、滑環引針與彈體固聯，，電機繞組、編碼器電路和滑環與穩定平臺固連，依靠僅具有滾轉自由度的平臺和數字穩定平臺來實現速度隔離和穩定。三軸慣性傳感器安裝在穩定平臺上，平合相對彈體的角信號由彈體上的相對角度傳感器測量慣性傳感器測量的滾轉角信號數據與相對角度傳感器的數據進行融合后就得到了彈體的姿態信息，這些信息通過滑環送入彈載計算機進行處理。

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成。光電碼盤采用中空環形結構，與彈體殼體固聯，讀取電路與穩定平臺固聯，讀取信號直接接入解算處理電路。

四、可行性分析

4.1 捷聯解算

作為捷聯慣導的核心部件，本設計采用MEMS慣性器件組成的IMU，目前國內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展，產品性能逐漸穩定，為基于MEMS慣性器件的捷聯慣性系統的應用提供了堅實的基礎。設計方案中慣性捷聯算法成熟可靠，在多個項目中得到成熟的應用。 另外，針對微機械慣性器件的穩定性差，給捷聯解算帶來計算誤差的問題，本設計方案中有較為成熟的誤差補償技術。主要采用建立比較精確的誤差模型，以及系統級標定技術，對各項誤差因子，標度因子、交叉耦合、溫度系數和刻度系數等誤差項進行補償。目前的技術案可以賣現陀螺全溫線性度優于1000ppm，一次啟動零位穩定性優于30°/h的技術指標。由于采用半捷聯方案，在工作時段平均平臺轉速可以控制在不大于10°/s，對于短時間應用（不大于30S）捷聯解算可以達到設計指標，方案可行。