CN109238280A - 一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，属于激光惯性导航技术领域。本发明的惯性敏感元件组件的本体结构紧凑，一体化铝合金本体结构复杂，采用精密铸造再精加工；敏感元件组件本体结构安装关系简单，增加结构可靠性及精度；本体设计上综合考虑了结构强度刚度、抖动效率、安装精度、本体质心配平、装配工艺、减重、加工工艺等因素。针对小型化本体结构容易出现的结构强度刚度、低抖动效率及热问题，进行了大量有限元分析及设计工作，使整个本体结构有较好的力、热特性。

Description

一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件

技术领域

本发明涉及一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，属于激光惯性导航技术领域。

背景技术

激光惯性导航部件作为控制系统主要设备之一，其主要工作原理是利用激光陀螺仪及石英加速度计作为惯性敏感部件，实时测量载体速度、姿态等信息，为控制系统进行导航解算提供依据。捷联式惯导系统具有结构简单，工作寿命长，力学环境适应性强，可靠性更高等特点。激光陀螺及由其构成的激光捷联惯性导航系统代表着未来高精度高可靠性惯性测量装置的发展方向，已成为国际上航天运载火箭、飞机、飞船、星际探测、太空站等系统的核心制导控制设备。

近年来激光惯组在各领域的应用日益成熟，并随着我国军事装备水平的不断提高和航空航天技术的发展，新型航空器、航天器对惯性测量单元的体积、重量和精度要求越来越高。各种高空长航时无人飞行器，如远程战略无人侦察机、攻击机等，由于受自身体积和滞空时间限制，同样对惯性敏感单元提出了小型化和高精度要求。而目前各型号激光惯组的体积重量仍然较大，已难以满足需求，制约了其应用领域的进一步拓展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件。

一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，该惯性导航部件包括箱体、上盖、惯性敏感元件组件、本体母板电路、陀螺高压电路、陀螺抖动稳频电路、卫星导航接收电路、计算机电路、I/O电路、二次电源电路、前面板和箱体母板电路；

箱体的中间有一隔板，隔板将箱体的内腔分为前后两部分，后面部分作为惯性测量区域，前面部分作为电子箱区域；

惯性测量区域内用于安装惯性敏感元件组件和本体母板电路；

电子箱区域用于安装陀螺高压电路、陀螺抖动稳频电路、卫星导航接收电路、计算机电路、I/O电路、二次电源电路和箱体母板电路；

上盖固定安装在箱体的顶端；

前面板固定安装在在箱体的前端面。

惯性敏感元件组件位于本体母板电路的下面，箱体母板电路位于电子箱区域的底端，陀螺高压电路、陀螺抖动稳频电路、卫星导航接收电路、计算机电路、I/O电路、二次电源电路均位于箱体母板电路的上面，且陀螺高压电路、陀螺抖动稳频电路、卫星导航接收电路、计算机电路、I/O电路、二次电源电路从后向前依次排布。

箱体为一个方形盒型结构，箱体包括底板、左侧板、右侧板和后面板；前面板通过M2沉头螺钉固定在箱体的前端。

所述的惯性敏感元件组件包括八只减振器、IF电路、三个50型机抖式激光陀螺、加表组合体和组件本体；加表组合体包括三个石英加速度计和加表本体。

组件本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；右侧面的中心、下表面的中心和后表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与50型机抖式激光陀螺切分别用于安装三个50型机抖式激光陀螺；长方体的中心带有镂空部分，中心镂空部分与加表组合体相匹配且用于安装加表组合体；长方体的左侧面上安装有IF电路；前表面和后表面的四个角均带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且用于安装减振器。

加表本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；左侧面的中心、上表面的中心和前表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与石英加速度计相匹配且用于安装石英加速度计。

高低压电路为激光陀螺点亮产生激光并维持激光；

抖动稳频电路用于实现激光陀螺抖动，消除激光陀螺锁区的影响；

卫星导航接收电路用于提供卫星导航信息源，同时接收BDS/GPS双系统卫星信号，实现实时导航定位；

导航计算机电路用于完成卫星数据采集、离散量输入输出、仪表数据采集、模拟量数据采集、时间同步、惯性导航及扩展导航参数计算、RS422和HB6096总线通讯；

I/O电路用于完成光纤总线接口的调度功能及FC总线通讯功能；

二次电源电路用于生成二次直流电源。

二次电源电路生成的二次直流电源的电压为+5V、±15V、+300V、±70V。

箱体母板电路通过M2.5的螺钉固定在箱体电子箱区域底部，箱体与箱体母板电路之间采用非金属板绝缘；

上盖通过不脱出螺钉固定在箱体顶端；

减振器通过M3的开槽盘头螺钉固定安装在惯性敏感元件组件的前表面和后表面；

惯性敏感元件组件通过M4螺钉与箱体固定连接；

本体母板电路通过4个M3螺钉固定连接在惯性敏感元件组件上表面，本体母板电路通过柔性电缆与箱体母板电路连接；

I/F转换电路通过螺钉固定在用于惯性敏感元件组件左侧面，供导航计算机通过接插件与本体母板电路连接。

前面板的内表面固定有滤波电路，滤波电路用于将一次电源输入的28V电源进行滤波。

有益效果

(1)本发明的惯性敏感元件组件的本体结构紧凑，一体化铝合金本体结构复杂，采用精密铸造再精加工；敏感元件组件本体结构安装关系简单，增加结构可靠性及精度；本体设计上综合考虑了结构强度刚度、抖动效率、安装精度、本体质心配平、装配工艺、减重、加工工艺等因素。针对小型化本体结构容易出现的结构强度刚度、低抖动效率及热问题，进行了大量有限元分析及设计工作，使整个本体结构有较好的力、热特性。

(2)本发明的箱体布局紧凑，左侧为惯性测量区域，右侧为电子箱区域，陀螺高低压电路、陀螺抖动稳频电路、卫星导航接收电路、计算机电路、I/O电路以及二次电源电路并列地通过箱体电子箱区域的卡槽固定在箱内。

(3)本发明中采用柔性印制板代替原有的电缆设计，柔性印制板起到走线功能，一方面使电气连接位置的选取更加灵活、合理，另一方面节约了走线空间，减轻电缆重量。

(4)本发明针对小型化惯导组件体积变小，热量集中的散热问题，在个别热量集中的电路上采用安装散热板的方式，使电路热量分布均匀，并快速辐射到周边的箱体侧壁，同时在电子箱区域多处采用绝缘导热垫片增加热量传导，让电路内部热量最快速地传导至箱体，箱体外表面增加散热肋板提高辐射面积，加快箱体与外界空气的辐射传导。

(5)本发明小型化激光惯导部件尺寸为301mm×195mm×156mm，总重量7.2Kg，尺寸重量与现有各型号惯组相比显著降低。

(6)本发明小型化激光惯导部件实际通电测试结果仪表状态正常，精度良好，与现有各型号惯组精度相当。

(7)本发明小型化激光惯导部件结构紧凑，装配关系简单，结构可靠性高。

附图说明

图1为本发明的导航部件的结构示意图；

图2为惯性敏感元件组件中组件本体的外形结构示意图。

具体实施方式

一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，该惯性导航部件包括箱体1、上盖2、惯性敏感元件组件3、本体母板电路4、陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10、前面板11和箱体母板电路12；

所述的惯性敏感元件组件3包括八只减振器14、IF电路15、三个50型机抖式激光陀螺、加表组合体16和组件本体；加表组合体16包括三个石英加速度计和加表本体；

组件本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；右侧面的中心、下表面的中心和后表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与50型机抖式激光陀螺切分别用于安装三个50型机抖式激光陀螺；即右侧面的镂空部分安装一个50型机抖式激光陀螺，下表面的镂空部分安装一个50型机抖式激光陀螺，后表面的镂空部分安装一个50型机抖式激光陀螺；长方体的中心带有镂空部分，中心点镂空部分与加表组合体相匹配且用于安装加表组合体；长方体的左侧面上安装有IF电路；前表面和后表面的四个角均带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且用于安装减振器，即前表面的左上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，前表面的右上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，前表面的左下角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，前表面的右上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，后表面的左上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，后表面的右上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，后表面的左下角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器，后表面的右上角上带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且安装一个减振器；

加表组合本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；左侧面的中心、上表面的中心和前表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与石英加速度计相匹配且用于安装石英加速度计，即左侧面的中心镂空部分与适应加速度计相匹配且安装一个石英加速度计，上表面面的中心镂空部分与适应加速度计相匹配且安装一个石英加速度计，前表面面的中心镂空部分与适应加速度计相匹配且安装一个石英加速度计；

箱体1为一个方形盒型结构，方形盒型结构包括底板、左侧板、右侧板和后面板；方形盒型结构的中间带有一隔板，隔板将方形盒型结构分为前后两部分，后面部分作为惯性测量区域，前面部分作为电子箱区域；

惯性测量区域内用于安装惯性敏感元件组件3和本体母板电路4，且惯性敏感元件组件3位于本体母板电路4的下面；

电子箱区域用于安装陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10和箱体母板电路12，且箱体母板电路12位于底端，陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10均位于箱体母板电路12的上面，且陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10右后向前依次排布；

陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10依次在箱体电子箱区域通过锁紧装置固定在箱体1的卡槽上；

陀螺高压电路5、陀螺抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、二次电源电路10的接插件依次插入箱体母板电路12的插座上；

高低压电路5其功能是为激光陀螺点亮产生激光、维持激光，同时保证激光陀螺正常工作；

抖动稳频电路6其主要实现激光陀螺抖动，从而消除激光陀螺锁区的影响；

卫星导航接收电路7其功能是为惯性导航部件提供卫星导航信息源，可以同时接收BDS/GPS双系统卫星信号，实现实时导航定位，具备定位模式控制功能、计算和输出功能、自检功能、完好性检测功能、复位功能、接口保护功能、非易失存储功能、指示灯功能、密钥和时间注入功能、毁钥功能、BDS军码功能；

导航计算机电路8其功能为完成卫星数据采集、离散量输入输出、仪表数据采集、模拟量数据采集、时间同步、惯性导航及扩展导航参数计算、RS422和HB6096总线通讯。

I/O电路9其功能为完成光纤总线接口的调度功能及FC总线通讯功能。

二次电源电路10其功能为通过不同型号的电源模块生成二次直流电源，为高低压电路5、抖动稳频电路6、卫星导航接收电路7、计算机电路8、I/O电路9提供其所需供电电源，以保证陀螺仪、加速度计及其它电路的正常工作。包括：各个电路所需要的+5V、±15V，以及为稳频抖动控制电路提供所需的+300V电源、±70V电源；

箱体母板电路12通过M2.5的螺钉固定在箱体1电子箱区域底部，箱体1与箱体母板电路12之间采用非金属板绝缘，其功能是为高低压电路5输入/输出信号、抖动稳频电路6、卫星导航/测向接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、电源电路10、滤波电路13之间提供所需的可靠连接，提供与惯性敏感元件组件3互连接口，实现与前面板接插件的可靠连接；

前面板11通过M2沉头螺钉固定在箱体1电子箱区域的侧面开口处，前面板11的内表面固定有滤波电路13，前面板11上开有通孔，通过该通孔安装有电源、信号、1553B总线、卫导、光纤信号插座；

滤波电路13主要功能为将一次电源输入的28V电源滤波后，供给二次电源，为激光惯组中各电路供电；具有外部通/断控制功能。

上盖2通过不脱出螺钉固定在箱体1顶端。

减振器14通过M3的开槽盘头螺钉固定安装在惯性敏感元件组件3的前表面和后表面，其功能为隔离外界通过箱体1传递的振动源，为惯性敏感元件组件3减振；

惯性敏感元件组件3通过M4螺钉与箱体1固定连接；

本体母板电路4通过4个M3螺钉固定连接在惯性敏感元件组件3上表面，本体母板电路4通过柔性电缆与箱体母板电路12连接，其功能为；

I/F转换电路15通过螺钉固定在用于惯性敏感元件组件3左侧面，功能为接收3路加速度计电流信号，并将其转换成脉冲信号输出，供导航计算机8采集使用，通过接插件与本体母板电路4连接。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1和图2所示，该激光捷联惯性测量组合装置上电后，二次电源电路10将接收到的电源(+28V±4V)转换为±5V、±15V、+300V、±70V电源的电压信号输出给、抖动稳频电路6，将±5V、±15V电源信号分别传输给高低压电路5、卫星导航/测向接收电路7、计算机电路8、I/O电路9、滤波电路13、I/F转换电路15，使各电路工作。

高低压电路5接收二次电源电路10输出的±15V电压信号，并将接收到的电压信号转换成50型激光陀螺点亮所需要的起辉电压(特征：电压值为2000V～5000V)和维持电压(特征：电压值为650V)通过本体母板电路4传输给50型激光陀螺使其产生激光和维持激光，同时保证其正常工作；

抖动稳频电路6中抖动部分采集50型激光陀螺的抖轮的反馈信号(反馈信号特征：频率是抖轮谐振频率的正弦波)，并将采集到的反馈信号的有效值(有效值特征：电压值为1.8±0.1V)作为模拟量供计算机电路8进行监测，同时抖动电路根据接收到的反馈信号生成驱动信号(驱动信号特征：频率是抖轮谐振频率，峰峰值为±70V左右的方波)传输给50型激光陀螺的抖轮进行抖动控制；稳频部分采集50型激光陀螺的直流光强信号(特征：电压值为-5V～0V)，并将采集到的直流光强信号进行处理生成50型激光陀螺的腔长的驱动信号(特征：电压值为0V～300V)，使50型激光陀螺的腔长动态地保持不变；稳频部分将采集到的直流光强信号(特征：电压值为-5V～0V)作为模拟量供计算机电路8进行监测；

50型激光陀螺产生的交流光强信号(特征：最大频率为4MHz的正弦波)通过本体母板4传输给导航计算机电路8。

卫星导航接收电路7接收卫星抗干扰天线与测量型天线BDS B3和B1频点信号，对接收到的信号进行处理和计算已获得测向信息，并通过RS422串行接口发送给计算机电路8。

计算机电路8采用“DSP+FPGA”设计方案，DSP芯片采用银河飞腾的浮点处理器FT-C6713，外部存储器系统包括SRAM和FLASH。计算机电路8接收50型激光陀螺产生的交流光强信号和I/F转换电路15输出的数字脉冲信号，将3个激光陀螺产生的交流光强信号通过FPGA解调输出数字脉冲信号；然后，以定时中断方式分别从计数器中读取激光陀螺数字脉冲信号和I/F转换电路输出的数字脉冲信号，并计算出单位采样间隔时间0.5ms内的脉冲增量，定时采样的频率为2KHz。同时，对每个0.5ms得到的脉冲增量，进行解抖滤波处理及整形化处理，形成激光陀螺和石英加速度计脉冲增量整形化数据，进行初始对准及捷联解算，通过采集卫星数据进行组合导航修正，通过AD进行模拟量的采集以实现周期自检功能，通过采集SPI总线数据、离散量输入状态完成惯导部件自身状态的转换及航路规划参数的计算。

I/O电路9基于PowerPC+FPGA架构，定时采集光纤总线的指令信息，并将解析后的指令信息通过SPI总线发往计算机电路8；I/O电路9通过SPI总线采集计算机电路8发送的导航数据，并接受控制指令打包和发送到光纤总线接口。

I/F转换电路15采集石英加速度计产生的模拟电流信号(特征：-50mA～50mA)，并将采集到的模拟电流信号转换为数字脉冲信号(特征：脉冲宽度为1.8～2.2微秒的方波)通过本体母板电路4传输到计算机电路8。

Claims (10)

1.一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：该惯性导航部件包括箱体(1)、上盖(2)、惯性敏感元件组件(3)、本体母板电路(4)、陀螺高压电路(5)、陀螺抖动稳频电路(6)、卫星导航接收电路(7)、计算机电路(8)、I/O电路(9)、二次电源电路(10)、前面板(11)和箱体母板电路(12)；

箱体(1)的中间有一隔板，隔板将箱体(1)的内腔分为前后两部分，后面部分作为惯性测量区域，前面部分作为电子箱区域；

惯性测量区域内用于安装惯性敏感元件组件(3)和本体母板电路(4)；

电子箱区域用于安装陀螺高压电路(5)、陀螺抖动稳频电路(6)、卫星导航接收电路(7)、计算机电路(8)、I/O电路(9)、二次电源电路(10)和箱体母板电路(12)；

上盖(2)固定安装在箱体(1)的顶端；

前面板(11)固定安装在在箱体(1)的前端面。

2.根据权利要求1所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：惯性敏感元件组件(3)位于本体母板电路(4)的下面，箱体母板电路(12)位于电子箱区域的底端，陀螺高压电路(5)、陀螺抖动稳频电路(6)、卫星导航接收电路(7)、计算机电路(8)、I/O电路(9)、二次电源电路(10)均位于箱体母板电路(12)的上面，且陀螺高压电路(5)、陀螺抖动稳频电路(6)、卫星导航接收电路(7)、计算机电路(8)、I/O电路(9)、二次电源电路(10)从后向前依次排布。

3.根据权利要求1所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：箱体(1)为一个方形盒型结构，箱体(1)包括底板、左侧板、右侧板和后面板；前面板(11)通过M2沉头螺钉固定在箱体(1)的前端。

4.根据权利要求1所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：所述的惯性敏感元件组件(3)包括八只减振器、IF电路、三个50型机抖式激光陀螺、加表组合体(16)和组件本体；加表组合体(16)包括三个石英加速度计和加表本体。

5.根据权利要求4所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：组件本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；右侧面的中心、下表面的中心和后表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与50型机抖式激光陀螺切分别用于安装三个50型机抖式激光陀螺；长方体的中心带有镂空部分，中心镂空部分与加表组合体相匹配且用于安装加表组合体；长方体的左侧面上安装有IF电路；前表面和后表面的四个角均带有镂空部分，镂空部分与减振器相匹配且用于安装减振器。

6.根据权利要求4所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：加表本体为一长方体，该长方体的六个面分别为上表面、下表面、后表面、左侧面、右侧面和前表面；左侧面的中心、上表面的中心和前表面的中心均带有镂空部分，镂空部分与石英加速度计相匹配且用于安装石英加速度计。

7.根据权利要求1所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：高低压电路(5)为激光陀螺点亮产生激光并维持激光；

抖动稳频电路(6)用于实现激光陀螺抖动，消除激光陀螺锁区的影响；

卫星导航接收电路(7)用于提供卫星导航信息源，同时接收BDS/GPS双系统卫星信号，实现实时导航定位；

导航计算机电路(8)用于完成卫星数据采集、离散量输入输出、仪表数据采集、模拟量数据采集、时间同步、惯性导航及扩展导航参数计算、RS422和HB6096总线通讯；

I/O电路(9)用于完成光纤总线接口的调度功能及FC总线通讯功能；

二次电源电路(10)用于生成二次直流电源。

8.根据权利要求7所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：二次电源电路(10)生成的二次直流电源的电压为+5V、±15V、+300V、±70V。

9.根据权利要求4所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：箱体母板电路(12)通过M2.5的螺钉固定在箱体(1)电子箱区域底部，箱体(1)与箱体母板电路(12)之间采用非金属板绝缘；

上盖(2)通过不脱出螺钉固定在箱体(1)顶端；

减振器通过M3的开槽盘头螺钉固定安装在惯性敏感元件组件(3)的前表面和后表面；

惯性敏感元件组件(3)通过M4螺钉与箱体(1)固定连接；

本体母板电路(4)通过4个M3螺钉固定连接在惯性敏感元件组件(3)上表面，本体母板电路(4)通过柔性电缆与箱体母板电路(12)连接；

I/F转换电路通过螺钉固定在用于惯性敏感元件组件(3)左侧面，供导航计算机通过接插件与本体母板电路(4)连接。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种采用50型激光陀螺的航空小型化惯性导航部件，其特征在于：前面板(11)的内表面固定有滤波电路(13)，滤波电路(13)用于将一次电源输入的28V电源进行滤波。