一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性測量裝置制造方法
【專利摘要】一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性裝置，三個正交布置的陀螺Gx、Gy、Gz以及兩個斜置陀螺Gs、Gt能夠敏感載體在慣性空間運動的角速度，三個正交加速度計Ax、Ay、Az以及兩個斜置加速度計As、At能夠敏感載體在慣性空間運動的比力，裝置的解算計算機實時高速采集這些慣性信息，并通過高速總線實時發(fā)送給導航計算機，導航計算機得到激光陀螺捷聯慣性裝置傳送的慣性儀表信息后，能夠實時計算并輸出載體的航向、姿態(tài)、速度、位置等信息，供制導和姿控系統(tǒng)使用。
【專利說明】一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性測量裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性制導領域，涉及一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性裝置。
【背景技術】
[0002]在自主制導領域，一般需要慣性測量裝置來完成姿態(tài)和制導控制，慣性測量裝置是自主制導系統(tǒng)的核心部件。在慣性測量裝置的發(fā)展歷史上，有兩種相對應的測量裝置:一種是平臺式慣導裝置，另一種是捷聯式慣導裝置。平臺式慣導裝置存在三(或四)軸框架結構，把慣性元件與載體的運動隔離開，使安裝慣性元件的本體物理性的維持在慣性空間不發(fā)生角運動，從而測定了載體相對慣性空間的姿態(tài)和速度及位置。由于三軸框架結構復雜，電子兀件多，其加工成本一直很高，但可靠性卻一直偏低。捷聯式慣導裝置不存在框架結構，慣性元件直接安裝在與載體固聯的結構體上，導航參數的確定依靠慣性元件的測量和導航計算機的解算，系統(tǒng)結構簡單，元件少，其可靠性明顯高于平臺系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的機電陀螺構成的捷聯慣性裝置精度一直低于平臺式裝置。直到激光陀螺出現后，這種局面才得到改觀。
[0003]激光陀螺是一種基于Sagnac效應的光學陀螺。作為新一代的陀螺儀，激光陀螺不僅從概念和理論上對慣性技術的發(fā)展有重大的貢獻，同傳統(tǒng)陀螺儀相比，還具有許多優(yōu)點，其優(yōu)點主要包括:性能穩(wěn)定，被測角速度動態(tài)范圍寬、反應時間快、抗沖擊振動能力強、數字信號輸出，激光陀螺以其優(yōu)異的性能使得激光捷聯慣性測量裝置的精度達到并超過了傳統(tǒng)平臺式裝置的精度，并以其性能被稱為構成捷聯慣導系統(tǒng)的理想元件，已成為國際上自主制導系統(tǒng)的核心部件。
[0004]為提高系統(tǒng)可靠性，可以在慣性測量裝置中采用冗余方案。冗余方案一般有兩種設計方式:采用兩套或兩套以上的慣性測量裝置或單套多表冗余的慣性測量裝置。兩套或兩套以上的慣性測量裝置方案系統(tǒng)體積大、成本高，無法滿足系統(tǒng)使用要求。由3個以上激光陀螺及加表構成的多表冗余激光慣性測量裝置在國內還處于接近空白階段，其高精度、高可靠、長壽命、高性價比的特點，將使其成為各類載體上廣泛使用的慣性測量裝置，在可靠性、體積、重量、成本等方面帶來巨大的好處。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種一體化集成的、可靠性高、易于工程實現的多表冗余激光捷聯慣性測量裝置。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是:一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性測量裝置，其特征在于包括:5套激光陀螺系統(tǒng)、5套加速度計系統(tǒng)、裝置供電系統(tǒng)及2套解算計算機；每套激光陀螺系統(tǒng)包括I只RLG激光陀螺儀、激光陀螺陀螺供電系統(tǒng)及陀螺功能電路，每套加速度計系統(tǒng)包括I只QA石英加速度計、加速度計供電系統(tǒng)及I/F轉換電路，各系統(tǒng)均獨立工作；3只RLG激光陀螺儀及3只QA石英加速度計正交安裝在儀表本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只冗余QA石英加速度計斜置安裝在本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只冗余QA石英加速度計和3個正交敏感軸的成角為30° -75。;供電系統(tǒng)為5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度計系統(tǒng)提供獨立的電源，為2套解算計算機系統(tǒng)提供獨立的電源；2套解算計算機各自獨立進行5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度及系統(tǒng)的數據采集、數據解算，并獨立對外通訊。
[0007]本發(fā)明工作過程:
[0008]實時利用5套激光陀螺系統(tǒng)及5套加速度計系統(tǒng)敏感載體的轉動角速度Ω iar和加速度Aind，將采集到的數據發(fā)送至解算計算機，解算計算機對采集到的5套的激光陀螺系統(tǒng)及5套正交的加速度計系統(tǒng)信息進行分析和判斷，進行儀表系統(tǒng)的故障診斷，當全部儀表正常工作時，通過重復的測量值，借助于數據處理技術，實時向外發(fā)送載體的轉動角速度Ω iar和加速度Aind，為載體提供延載體坐標系的慣性測量信號，參與制導與姿態(tài)控制；當任意一套激光陀螺系統(tǒng)或加速度計系統(tǒng)出現故障時，切掉出現故障的儀表系統(tǒng)，利用剩余儀表進行系統(tǒng)重構，保證裝置能夠正常測量載體的轉動角速度Ω&和加速度Aind，但只能進行故障診斷，不能再次進行系統(tǒng)重構。
[0009]本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于:
[0010](I)本技術方案中，激光慣性裝置總體方案采用以3只RLG激光陀螺儀與3只QA石英加速度計組成正交慣性敏感組合，以2只斜置的RLG激光陀螺與2只斜置的QA石英加速度計組成冗余慣性敏感元件，本發(fā)明從工程實用角度實現了精度高、可靠性高、成本低、適用性強的捷聯慣性測量裝置。
[0011](2)針對現有慣性制導領域產品可靠性指標的要求和特點，本專利根據我國慣性技術發(fā)展水平，采用RLG激光陀螺儀和QA石英加速度計作為核心慣性器件，在慣性測量裝置中，采用多表冗余的系統(tǒng)配置方案，一方面可大大提高其可靠性，另一方面相對于系統(tǒng)級冗余方案，可有效減少系統(tǒng)的體積、重量，降低成本，與慣性技術發(fā)展趨勢的相符合。
[0012](3)本發(fā)明在單套激光陀螺捷聯慣性裝置中實現了多表冗余設計，可以進一步提高系統(tǒng)的可靠性，填補國內無3個以上激光陀螺及加速度計構成的多表冗余慣性裝置的空白。
[0013](4)在工作過程中，故障檢測與識別機構識別出失效儀表系統(tǒng)，通過數學解算進行處理，失效儀表測量數據不再參與運算，裝置的重構不需要硬件設備的改變，只需要通過軟件控制即可完成，可靠靈活。
[0014](5)采用余度技術除可以提高裝置的可靠度外，還能提供重復的測量值，借助于數據處理技術，可用這種重復的測量來減少與單個慣性儀表的相關誤差影響，提高裝置的使用精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明組成示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明結構示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明電氣示意圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明包括:5套激光陀螺系統(tǒng)、5套加速度計系統(tǒng)、裝置供電系統(tǒng)及2套解算計算機；每套激光陀螺系統(tǒng)包括I只RLG激光陀螺儀、激光陀螺陀螺供電系統(tǒng)及陀螺功能電路，每套加速度計系統(tǒng)包括I只QA石英加速度計、加速度計供電系統(tǒng)及I/F轉換電路，各系統(tǒng)均獨立工作；3只RLG激光陀螺儀及3只QA石英加速度計正交安裝在儀表本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只冗余QA石英加速度計斜置安裝在本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只冗余QA石英加速度計和3個正交敏感軸的成角為30°至75° ;供電系統(tǒng)為5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度計系統(tǒng)提供獨立的電源，為2套解算計算機系統(tǒng)提供獨立的電源；2套解算計算機各自獨立進行5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度及系統(tǒng)的數據采集、數據解算，并獨立對外通訊。
[0019]如圖2所示，系統(tǒng)結構采用一體化設計，儀表、本體組件和電路板均布置于同一箱體內；箱體內結構布置緊湊，可以保證電氣連接路徑最短，保證裝置抗沖擊、振動能力，有利于改善箱體內電磁環(huán)境；通過對儀表性能的實時監(jiān)測，實現慣性測量系統(tǒng)故障的檢測、隔離及重構，在任意I套激光陀螺系統(tǒng)或加速度計系統(tǒng)出現故障時，裝置仍然能夠正常工作，從而實現系統(tǒng)高可靠性。
[0020]慣性測量裝置機箱劃分成兩個區(qū)域:慣性敏感器組件部分和電子線路部分。慣性敏感器組件包含5只RLG激光陀螺儀和5只QA石英加速度計，慣性敏感器基座提供主份慣性敏感元件正交垂直的安裝基準面和冗余激光陀螺和加速度計的斜置安裝基準面，3只激光陀螺和3只加速度計被相互垂直安裝在本體上，確立了慣性敏感組件的三個相互正交的敏感軸方向，3只石英加速度計的輸入軸方向與3只激光陀螺敏感軸平行。2只冗余加表和冗余陀螺安裝在本體上，和三個敏感軸的角度成30°到75°之間。減振器組件將本體懸掛安裝于機箱殼體內，提高了激光慣性裝置的力學環(huán)境適應能力。慣性敏感器組件與機箱之間留有足夠空間，使慣性裝置能夠承受較大過載。減振器由新型橡膠材料制成，剛度均勻，溫度范圍大、壽命長。所有慣性儀表配套的電子線路、慣性儀表輸出信號采集和對外接口電路、高壓電源以及二次電源均被設計成統(tǒng)一尺寸和安裝緊固方式的標準電路插板。
[0021]如圖3所示，激光陀螺系統(tǒng)I主要包括儀表組合體和激光陀螺控制電路2個主要部分。儀表組合體部分包括5只RLG激光陀螺儀11 ;激光陀螺控制電路則包括RLG激光陀螺儀11所需的聞壓電路12、抖動電路13、穩(wěn)頻電路14和解調電路15等，其中聞壓電路12使RLG激光陀螺儀產生并維持激光；抖動電路13對RLG激光陀螺儀11的抖動機構進行抖動控制，使其處于抖動狀態(tài)，以消除RLG激光陀螺儀11鎖區(qū)；穩(wěn)頻電路15的功能是通過控制RLG激光陀螺儀11壓電陶瓷產生微小位移，來穩(wěn)定RLG激光陀螺儀11的腔長，使RLG激光陀螺儀11腔內的光強穩(wěn)定在極大值處；解調電路14的作用是對檢測到的激光陀螺11信號進行處理，使其轉化為含有RLG激光陀螺儀11正轉、負轉信息的脈沖信號，并判斷輸入外界角速率的方向，并將處理后的脈沖信號送入計數器33。
[0022]QA石英加速度計系統(tǒng)2由5只QA石英加速度計儀表體211、伺服回路212和配套I/F轉換電路22組成，其中加速度計的伺服回路212包括在儀表體中。QA石英加速度計系統(tǒng)2實時敏感外界加速度信息，將加速度信息以脈沖的形式通過I/F轉換電路22發(fā)送至計數器33。
[0023]解算計算機3包括計數器31、計算機32和各類通訊接口 33，應實現的主要功能有:1)完成對RLG激光陀螺系統(tǒng)1、QA加速度計系統(tǒng)2的數據采集和數據預處理，并將處理后的儀表脈沖數發(fā)送給載體控制計算機，或者直接完成慣性導航解算，將解算后的姿態(tài)、速度、位置信息發(fā)送給載體控制系統(tǒng)；2)通過對裝置關鍵參數的A/D采集，完成故障識別與檢測功能。
[0024]計算機32實時采集5只RLG激光陀螺和5只石QA英加速度計系統(tǒng)信息，通過建立各儀表結構設計矩陣，借助奇偶方程，設置合理的檢測門限，進行故障判斷。在系統(tǒng)無故障的情況下，利用測量得到的冗余數據，根據最小二乘估計原理，使估計值能使所有測量值相對估計值的殘差平方和為最小，可精確地得出載體角速度Ω iar和加速度Aind ;在判斷系統(tǒng)存在故障儀表后，將故障慣性儀表的測量值從數據處理的程序中去掉，完成故障檢測與隔離后，對進行系統(tǒng)的重構實現系統(tǒng)的重新排布，使系統(tǒng)具有“故障-運行，故障-安全”的容錯性能。
[0025]總之，本發(fā)明通過多表冗余捷聯慣性系統(tǒng)儀表配置技術，綜合考慮精度性能及工程化應用難易程度，實現一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性裝置?；诙啾砣哂嗉す馔勇萁萋搼T性裝置一體化設計及集成技術，使儀表組合體及其相應配套電路布局緊湊、合理，保證系統(tǒng)具有足夠的強度、剛度，并使系統(tǒng)具有抗大沖擊振動能力。利用電路小型化技術，進一步解決裝置體積、重量和功耗的問題。裝置采用熱設計，在進行小型化設計的同時，使裝置能夠進行良好散熱。同時，為適應復雜電磁環(huán)境，通過合理走線、合理布局及屏蔽防護等措施，提高裝置電磁環(huán)境適應性。
[0026]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種多表冗余的激光陀螺捷聯慣性測量裝置，其特征在于包括:5套激光陀螺系統(tǒng)、5套加速度計系統(tǒng)、裝置供電系統(tǒng)及2套解算計算機；每套激光陀螺系統(tǒng)包括I只RLG激光陀螺儀、激光陀螺陀螺供電系統(tǒng)及陀螺功能電路，每套加速度計系統(tǒng)包括I只QA石英加速度計、加速度計供電系統(tǒng)及I/F轉換電路，各系統(tǒng)均獨立工作；3只RLG激光陀螺儀及3只QA石英加速度計正交安裝在儀表本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只QA石英冗余加速度計斜置安裝在本體上，2只冗余RLG激光陀螺儀及2只冗余QA石英加速度計和3個正交敏感軸的成角為30° -75。;供電系統(tǒng)為5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度計系統(tǒng)提供獨立的電源，為2套解算計算機系統(tǒng)提供獨立的電源；2套解算計算機各自獨立進行5只激光陀螺系統(tǒng)及5只加速度及系統(tǒng)的數據采集、數據解算，并獨立對外通訊。
【文檔編號】G01C21/16GK103644912SQ201310676066
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權日:2013年12月11日
【發(fā)明者】王躍鵬 申請人:北京航天時代激光導航技術有限責任公司