CN103644912A - 一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性装置，三个正交布置的陀螺Gx、Gy、Gz以及两个斜置陀螺Gs、Gt能够敏感载体在惯性空间运动的角速度，三个正交加速度计Ax、Ay、Az以及两个斜置加速度计As、At能够敏感载体在惯性空间运动的比力，装置的解算计算机实时高速采集这些惯性信息，并通过高速总线实时发送给导航计算机，导航计算机得到激光陀螺捷联惯性装置传送的惯性仪表信息后，能够实时计算并输出载体的航向、姿态、速度、位置等信息，供制导和姿控系统使用。

Description

一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性测量装置
技术领域
本发明属于惯性制导领域，涉及一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性装置。
背景技术
在自主制导领域，一般需要惯性测量装置来完成姿态和制导控制，惯性测量装置是自主制导系统的核心部件。在惯性测量装置的发展历史上，有两种相对应的测量装置：一种是平台式惯导装置，另一种是捷联式惯导装置。平台式惯导装置存在三（或四）轴框架结构，把惯性元件与载体的运动隔离开，使安装惯性元件的本体物理性的维持在惯性空间不发生角运动，从而测定了载体相对惯性空间的姿态和速度及位置。由于三轴框架结构复杂，电子元件多，其加工成本一直很高，但可靠性却一直偏低。捷联式惯导装置不存在框架结构，惯性元件直接安装在与载体固联的结构体上，导航参数的确定依靠惯性元件的测量和导航计算机的解算，系统结构简单，元件少，其可靠性明显高于平台系统。但传统的机电陀螺构成的捷联惯性装置精度一直低于平台式装置。直到激光陀螺出现后，这种局面才得到改观。
激光陀螺是一种基于Sagnac效应的光学陀螺。作为新一代的陀螺仪，激光陀螺不仅从概念和理论上对惯性技术的发展有重大的贡献，同传统陀螺仪相比，还具有许多优点，其优点主要包括：性能稳定，被测角速度动态范围宽、反应时间快、抗冲击振动能力强、数字信号输出，激光陀螺以其优异的性能使得激光捷联惯性测量装置的精度达到并超过了传统平台式装置的精度，并以其性能被称为构成捷联惯导系统的理想元件，已成为国际上自主制导系统的核心部件。
为提高系统可靠性，可以在惯性测量装置中采用冗余方案。冗余方案一般有两种设计方式：采用两套或两套以上的惯性测量装置或单套多表冗余的惯性测量装置。两套或两套以上的惯性测量装置方案系统体积大、成本高，无法满足系统使用要求。由3个以上激光陀螺及加表构成的多表冗余激光惯性测量装置在国内还处于接近空白阶段，其高精度、高可靠、长寿命、高性价比的特点，将使其成为各类载体上广泛使用的惯性测量装置，在可靠性、体积、重量、成本等方面带来巨大的好处。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种一体化集成的、可靠性高、易于工程实现的多表冗余激光捷联惯性测量装置。
本发明的技术解决方案是：一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于包括：5套激光陀螺系统、5套加速度计系统、装置供电系统及2套解算计算机；每套激光陀螺系统包括1只RLG激光陀螺仪、激光陀螺陀螺供电系统及陀螺功能电路，每套加速度计系统包括1只QA石英加速度计、加速度计供电系统及I/F转换电路，各系统均独立工作；3只RLG激光陀螺仪及3只QA石英加速度计正交安装在仪表本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只冗余QA石英加速度计斜置安装在本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只冗余QA石英加速度计和3个正交敏感轴的成角为30°-75°；供电系统为5只激光陀螺系统及5只加速度计系统提供独立的电源，为2套解算计算机系统提供独立的电源；2套解算计算机各自独立进行5只激光陀螺系统及5只加速度及系统的数据采集、数据解算，并独立对外通讯。
本发明工作过程：
实时利用5套激光陀螺系统及5套加速度计系统敏感载体的转动角速度Ωiar和加速度Aind，将采集到的数据发送至解算计算机，解算计算机对采集到的5套的激光陀螺系统及5套正交的加速度计系统信息进行分析和判断，进行仪表系统的故障诊断，当全部仪表正常工作时，通过重复的测量值，借助于数据处理技术，实时向外发送载体的转动角速度Ωiar和加速度Aind，为载体提供延载体坐标系的惯性测量信号，参与制导与姿态控制；当任意一套激光陀螺系统或加速度计系统出现故障时，切掉出现故障的仪表系统，利用剩余仪表进行系统重构，保证装置能够正常测量载体的转动角速度Ωiar和加速度Aind，但只能进行故障诊断，不能再次进行系统重构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本技术方案中，激光惯性装置总体方案采用以3只RLG激光陀螺仪与3只QA石英加速度计组成正交惯性敏感组合，以2只斜置的RLG激光陀螺与2只斜置的QA石英加速度计组成冗余惯性敏感元件，本发明从工程实用角度实现了精度高、可靠性高、成本低、适用性强的捷联惯性测量装置。
（2）针对现有惯性制导领域产品可靠性指标的要求和特点，本专利根据我国惯性技术发展水平，采用RLG激光陀螺仪和QA石英加速度计作为核心惯性器件，在惯性测量装置中，采用多表冗余的系统配置方案，一方面可大大提高其可靠性，另一方面相对于系统级冗余方案，可有效减少系统的体积、重量，降低成本，与惯性技术发展趋势的相符合。
（3）本发明在单套激光陀螺捷联惯性装置中实现了多表冗余设计，可以进一步提高系统的可靠性，填补国内无3个以上激光陀螺及加速度计构成的多表冗余惯性装置的空白。
（4）在工作过程中，故障检测与识别机构识别出失效仪表系统，通过数学解算进行处理，失效仪表测量数据不再参与运算，装置的重构不需要硬件设备的改变，只需要通过软件控制即可完成，可靠灵活。
（5）采用余度技术除可以提高装置的可靠度外，还能提供重复的测量值，借助于数据处理技术，可用这种重复的测量来减少与单个惯性仪表的相关误差影响，提高装置的使用精度。
附图说明
图1为本发明组成示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明电气示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：5套激光陀螺系统、5套加速度计系统、装置供电系统及2套解算计算机；每套激光陀螺系统包括1只RLG激光陀螺仪、激光陀螺陀螺供电系统及陀螺功能电路，每套加速度计系统包括1只QA石英加速度计、加速度计供电系统及I/F转换电路，各系统均独立工作；3只RLG激光陀螺仪及3只QA石英加速度计正交安装在仪表本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只冗余QA石英加速度计斜置安装在本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只冗余QA石英加速度计和3个正交敏感轴的成角为30°至75°；供电系统为5只激光陀螺系统及5只加速度计系统提供独立的电源，为2套解算计算机系统提供独立的电源；2套解算计算机各自独立进行5只激光陀螺系统及5只加速度及系统的数据采集、数据解算，并独立对外通讯。
如图2所示，系统结构采用一体化设计，仪表、本体组件和电路板均布置于同一箱体内；箱体内结构布置紧凑，可以保证电气连接路径最短，保证装置抗冲击、振动能力，有利于改善箱体内电磁环境；通过对仪表性能的实时监测，实现惯性测量系统故障的检测、隔离及重构，在任意1套激光陀螺系统或加速度计系统出现故障时，装置仍然能够正常工作，从而实现系统高可靠性。
惯性测量装置机箱划分成两个区域：惯性敏感器组件部分和电子线路部分。惯性敏感器组件包含5只RLG激光陀螺仪和5只QA石英加速度计，惯性敏感器基座提供主份惯性敏感元件正交垂直的安装基准面和冗余激光陀螺和加速度计的斜置安装基准面，3只激光陀螺和3只加速度计被相互垂直安装在本体上，确立了惯性敏感组件的三个相互正交的敏感轴方向，3只石英加速度计的输入轴方向与3只激光陀螺敏感轴平行。2只冗余加表和冗余陀螺安装在本体上，和三个敏感轴的角度成30°到75°之间。减振器组件将本体悬挂安装于机箱壳体内，提高了激光惯性装置的力学环境适应能力。惯性敏感器组件与机箱之间留有足够空间，使惯性装置能够承受较大过载。减振器由新型橡胶材料制成，刚度均匀，温度范围大、寿命长。所有惯性仪表配套的电子线路、惯性仪表输出信号采集和对外接口电路、高压电源以及二次电源均被设计成统一尺寸和安装紧固方式的标准电路插板。
如图3所示，激光陀螺系统1主要包括仪表组合体和激光陀螺控制电路2个主要部分。仪表组合体部分包括5只RLG激光陀螺仪11；激光陀螺控制电路则包括RLG激光陀螺仪11所需的高压电路12、抖动电路13、稳频电路14和解调电路15等，其中高压电路12使RLG激光陀螺仪产生并维持激光；抖动电路13对RLG激光陀螺仪11的抖动机构进行抖动控制，使其处于抖动状态，以消除RLG激光陀螺仪11锁区；稳频电路15的功能是通过控制RLG激光陀螺仪11压电陶瓷产生微小位移，来稳定RLG激光陀螺仪11的腔长，使RLG激光陀螺仪11腔内的光强稳定在极大值处；解调电路14的作用是对检测到的激光陀螺11信号进行处理，使其转化为含有RLG激光陀螺仪11正转、负转信息的脉冲信号，并判断输入外界角速率的方向，并将处理后的脉冲信号送入计数器33。
QA石英加速度计系统2由5只QA石英加速度计仪表体211、伺服回路212和配套I/F转换电路22组成，其中加速度计的伺服回路212包括在仪表体中。QA石英加速度计系统2实时敏感外界加速度信息，将加速度信息以脉冲的形式通过I/F转换电路22发送至计数器33。
解算计算机3包括计数器31、计算机32和各类通讯接口33，应实现的主要功能有：1）完成对RLG激光陀螺系统1、QA加速度计系统2的数据采集和数据预处理，并将处理后的仪表脉冲数发送给载体控制计算机，或者直接完成惯性导航解算，将解算后的姿态、速度、位置信息发送给载体控制系统；2）通过对装置关键参数的A/D采集，完成故障识别与检测功能。
计算机32实时采集5只RLG激光陀螺和5只石QA英加速度计系统信息，通过建立各仪表结构设计矩阵，借助奇偶方程，设置合理的检测门限，进行故障判断。在系统无故障的情况下，利用测量得到的冗余数据，根据最小二乘估计原理,使估计值能使所有测量值相对估计值的残差平方和为最小，可精确地得出载体角速度Ωiar和加速度Aind；在判断系统存在故障仪表后，将故障惯性仪表的测量值从数据处理的程序中去掉，完成故障检测与隔离后，对进行系统的重构实现系统的重新排布，使系统具有“故障-运行,故障-安全”的容错性能。
总之，本发明通过多表冗余捷联惯性系统仪表配置技术，综合考虑精度性能及工程化应用难易程度，实现一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性装置。基于多表冗余激光陀螺捷联惯性装置一体化设计及集成技术，使仪表组合体及其相应配套电路布局紧凑、合理，保证系统具有足够的强度、刚度，并使系统具有抗大冲击振动能力。利用电路小型化技术，进一步解决装置体积、重量和功耗的问题。装置采用热设计，在进行小型化设计的同时，使装置能够进行良好散热。同时，为适应复杂电磁环境，通过合理走线、合理布局及屏蔽防护等措施，提高装置电磁环境适应性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种多表冗余的激光陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于包括：5套激光陀螺系统、5套加速度计系统、装置供电系统及2套解算计算机；每套激光陀螺系统包括1只RLG激光陀螺仪、激光陀螺陀螺供电系统及陀螺功能电路，每套加速度计系统包括1只QA石英加速度计、加速度计供电系统及I/F转换电路，各系统均独立工作；3只RLG激光陀螺仪及3只QA石英加速度计正交安装在仪表本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只QA石英冗余加速度计斜置安装在本体上，2只冗余RLG激光陀螺仪及2只冗余QA石英加速度计和3个正交敏感轴的成角为30°-75°；供电系统为5只激光陀螺系统及5只加速度计系统提供独立的电源，为2套解算计算机系统提供独立的电源；2套解算计算机各自独立进行5只激光陀螺系统及5只加速度及系统的数据采集、数据解算，并独立对外通讯。
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