一種三單元體旋轉(zhuǎn)調(diào)制式余度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種余度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其涉及一種由三個旋轉(zhuǎn)單元體構(gòu)成并具有故障隔離、系統(tǒng)重構(gòu)能力的高精度、高可靠性余度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導(dǎo)航技術(shù)利用慣性器件測量載體(汽車、飛機(jī)、艦船等)的線加速度和角速度計算出載體的速度、位置和姿態(tài)信息，相比于衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等其它的導(dǎo)航技術(shù)，慣性導(dǎo)航技術(shù)不向外界發(fā)送和接收信息，具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好、全天候的特點(diǎn)，在國防軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著無可替代的作用。
[0003]近代各種應(yīng)用場合對慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性提出了越來越高的要求。慣性器件(陀螺、加速度計)誤差是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)性能的主要因素，而旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是一種從系統(tǒng)層面有效提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的技術(shù)途徑。所謂旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，是指在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)拖動下，使慣性器件敏感軸相對某個固定的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，從而使其常值或慢變誤差在此坐標(biāo)系下被調(diào)制成為均值為零的周期變化量，從而有效抑制慣性器件誤差對導(dǎo)航精度的影響。而慣導(dǎo)系統(tǒng)的可靠性一般通過冗余配置的方式來保證，冗余方式分為系統(tǒng)級冗余和器件級冗余。平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)多采用系統(tǒng)級冗余方式，容易消除系統(tǒng)內(nèi)部的單點(diǎn)、單線等薄弱環(huán)節(jié)，但設(shè)計、測試、維修相對復(fù)雜。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般采用單元級冗余方式，可有效提高局部可靠性，易于實(shí)現(xiàn)、維修，但同時大幅增加了制造成本。目前國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)多為單、雙單元體式或MU整體單、雙、三軸旋轉(zhuǎn)式，此類型慣導(dǎo)并不具有余度能力，同時，目前慣導(dǎo)系統(tǒng)的余度技術(shù)發(fā)展主要集中在非旋轉(zhuǎn)型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的冗余器件固連組合方式及故障監(jiān)測算法等方面，針對旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣導(dǎo)系統(tǒng)的余度技術(shù)研宄尚未深入開展，特別是針對多單元體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣導(dǎo)尚未見相關(guān)專利申請及相關(guān)文章發(fā)表。可以預(yù)見，在精度和可靠性要求較高的應(yīng)用場合，旋轉(zhuǎn)調(diào)制式余度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)將占據(jù)重要地位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度和可靠性，提供一種三單元體旋轉(zhuǎn)調(diào)制式余度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可應(yīng)用于對精度和可靠性要求較高的航空、航天、航海等領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明提供一種三單元體旋轉(zhuǎn)調(diào)制式余度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它采用六器件、三單元體正交配置，六個光纖陀螺和六個加速度計在旋轉(zhuǎn)單元體的調(diào)制下互為冗余；它由結(jié)構(gòu)件部分、慣性器件部分以及電路部分三部分構(gòu)成；它們之間的位置連接關(guān)系是:慣性器件部分安裝于結(jié)構(gòu)件部分的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的異形體支架上，電路部分分布于結(jié)構(gòu)件部分的電子艙框架中和旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的異形體支架上，三個旋轉(zhuǎn)單元體和電子艙各占據(jù)系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)一個象限的位置。
[0006]所述結(jié)構(gòu)件部分包括三個旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)、電子艙框架以及系統(tǒng)機(jī)箱。三者之間的位置連接關(guān)系是:三個旋轉(zhuǎn)單元體和電子艙框架在系統(tǒng)機(jī)箱中占據(jù)一個象限的位置。該旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)是:如圖1所示，正八面體空心構(gòu)型，如圖2所示，中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自上而下分別為:力矩直流電機(jī)、上軸承、慣性器件異形體支架、下軸承、圓光柵尺及讀數(shù)頭、限位檔桿。該電子艙框架是:如圖3所示，正八面體空心開頂結(jié)構(gòu)，左右側(cè)壁各有五道電路板鎖緊槽。該系統(tǒng)機(jī)箱是:如圖4所示，長方形箱體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)與外部直流穩(wěn)壓電源及上位機(jī)通過三個接插件相連接，機(jī)箱底座的側(cè)邊留有6個安裝孔，以便于系統(tǒng)安裝固定。
[0007]所述慣性器件部分，包括六個陀螺和六個加速度計，每個旋轉(zhuǎn)單元體上安裝兩個陀螺和兩個加速度計。該六個陀螺是:單軸閉環(huán)光纖陀螺，陀螺的光路部分與電路部分合為一體；該六個加速度計是:石英燒性加速度計。
[0008]所述電路部分，一共由12塊電路板組成，包括電子艙內(nèi)的二次電源板、通訊接口板、導(dǎo)航計算板、預(yù)處理板、電機(jī)控制板、母線板，三個旋轉(zhuǎn)單元體內(nèi)的分電采溫板、I/F轉(zhuǎn)換板，各電路板之間的連接關(guān)系原理框圖如圖5所示。該二次電源板是:提供系統(tǒng)所需的±15V、±5V、5V供電電壓，并通過外部輸入的兩個啟動信號實(shí)現(xiàn)啟動控制。該通訊接口板是:采用CPLD+DSP作為架構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)與飛控計算機(jī)之間的ARINC429總線通訊，從飛控計算機(jī)獲得初始裝訂信息、GPS數(shù)據(jù)，并將導(dǎo)航定位結(jié)果發(fā)送給飛控計算機(jī)。該導(dǎo)航計算板是:采用三片DSP作為架構(gòu)方案，其中兩片DSP用于實(shí)現(xiàn)陀螺加速度計標(biāo)定參數(shù)補(bǔ)償、初始對準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航解算以及組合導(dǎo)航解算的功能，另一片DSP用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障監(jiān)測、故障診斷、重構(gòu)算法、余度管理的功能。該預(yù)處理板是:采用CPLD+DSP作為架構(gòu)方案，其中CPLD主要用于陀螺、加速度計輸出脈沖的累加計數(shù)，DSP主要完成陀螺、加速度計的溫度采集和光柵角位置信息的同步采集，并將MU信息打包發(fā)送給導(dǎo)航計算板。該電機(jī)控制板是:采用CPLD+DSP作為架構(gòu)方案，其中CPLD主要用于將光柵輸出的角增量脈沖轉(zhuǎn)換為絕對角位置信息，DSP主要完成三個旋轉(zhuǎn)單元體的旋轉(zhuǎn)控制。該母線板是:完成電子艙內(nèi)各電路板的供電連接以及板間信號交聯(lián)。該分電采溫板是:實(shí)現(xiàn)陀螺、加速度計的供電分配及其溫度采集。該I/F轉(zhuǎn)換板是:將加速度計輸出的電流信號量化成脈沖信號。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1、本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，在使用同等精度慣性器件的條件下可大大提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度和姿態(tài)輸出精度；
[0011]2、采用六器件、三單元體正交配置，六個陀螺和六個加速度計在旋轉(zhuǎn)單元體的調(diào)制下互為冗余，首次在旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)六冗余能力，即在三個陀螺和三個加速度故障均發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)通過執(zhí)行故障單元體判別、故障器件判別、故障器件隔離、系統(tǒng)重構(gòu)，仍可繼續(xù)工作，給出正確的導(dǎo)航結(jié)果；
[0012]3、本系統(tǒng)相比于普通六冗余捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在提高精度的同時有效控制了成本的增加，性價比大幅提高。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的電子艙框架圖；
[0016]圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)機(jī)箱圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的各電路板間連接關(guān)系原理框圖；
[0018]圖6為本發(fā)明的二次電源板原理框圖；
[0019]圖7為本發(fā)明的通訊接口板原理框圖；
[0020]圖8為本發(fā)明的導(dǎo)航計算板原理框圖；
[0021]圖9為本發(fā)明的預(yù)處理板原理框圖；
[0022]圖10為本發(fā)明的電機(jī)控制板原理框圖；
[0023]圖11為本發(fā)明的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0025]本發(fā)明為一種三單元體旋轉(zhuǎn)調(diào)制式余度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它采用六器件、三單元體正交配置，六個光纖陀螺和六個加速度計在旋轉(zhuǎn)單元體的調(diào)制下互為冗余；它由結(jié)構(gòu)件部分、慣性器件部分以及電路部分三部分構(gòu)成；它們之間的位置連接關(guān)系是:慣性器件部分安裝于結(jié)構(gòu)件部分的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的異形體支架上，電路部分分布于結(jié)構(gòu)件部分的電子艙框架中和旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的異形體支架上，三個旋轉(zhuǎn)單元體和電子艙各占據(jù)系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)一個象限的位置。
[0026]所述結(jié)構(gòu)件部分包括三個旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)、電子艙框架以及系統(tǒng)機(jī)箱。
[0027]該旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)是:如圖1所示，正八面體空心構(gòu)型，四個立柱具有端面為安裝基準(zhǔn)面，距離正八面體頂面和底面3?4cm處分別設(shè)置上下軸承安裝板，此種設(shè)計可以最大程度保證軸承回轉(zhuǎn)精度及其抗沖擊振動能力，如圖2所示，中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自上而下分別為:力矩直流電機(jī)、上軸承、慣性器件異形體支架、下軸承、圓光柵尺及讀數(shù)頭、限位檔桿，力矩直流電機(jī)定子固定于上軸承安裝板上端，上下軸承分別鑲嵌于上下軸承安裝板中，軸系上的慣性器件異形體支架位于上下軸承安裝板中間，圓光柵尺及限位檔桿固聯(lián)于下軸承安裝板外側(cè)的軸系端面，讀數(shù)頭固聯(lián)于下軸承安裝板外側(cè)。
[0028]該電子艙框架是:如圖3所示，正八面體空心開頂結(jié)構(gòu)，具有與旋轉(zhuǎn)單元體相一致的立柱式安裝基準(zhǔn)面，左右側(cè)壁各有五道電路板鎖緊槽。
[0029]該系統(tǒng)機(jī)箱是:如圖4所示，長方形箱體結(jié)構(gòu)，箱體底面為正方形設(shè)計，外圍四塊側(cè)板及箱體頂蓋均通過螺釘安裝固定。系統(tǒng)與外部直流穩(wěn)壓電源及上位機(jī)通過三個接插件相連接，機(jī)箱底座的側(cè)邊留有6個安裝孔，以便于系統(tǒng)安裝固定。
[0030]所述慣性器件部分，包括六個陀螺和六個加速度計，每個旋轉(zhuǎn)單元體上安裝兩個陀螺和兩個加速度計。
[0031]該六個陀螺是:單軸閉環(huán)光纖陀螺，陀螺的光路部分與電路部分合為一體，零偏穩(wěn)定性為0.05。/hr。
[0032]該六個加速度計是:石英撓性加速度計，精度為80 μ go
[0033]所述電路部分，一共由12塊電路板組成，包括電子艙內(nèi)的二次電源板、通訊接口板、導(dǎo)航計算板、預(yù)處理板、電機(jī)控制板、母線板，三個旋轉(zhuǎn)單元體內(nèi)的分電采溫板、I/F轉(zhuǎn)換板，各電路板之間的連接關(guān)系原理框圖如圖5所示。
[0034]該二次電源板是:如圖6所示，提供系統(tǒng)所需的±15V、±5V、5V供電電壓，其中光纖陀螺使用±5V、5V，加速度計使用±15V，其余各電路板使用±15V、5V，并通過外部輸入的兩個啟動信號實(shí)現(xiàn)啟動控制。二次電源板采用國產(chǎn)承力電源有限公司的電源模塊搭建，轉(zhuǎn)換效率為85%，輸入電壓范圍是+18V?+36VDC，模塊A將2