CN113639747A - 一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，属于惯性敏感技术领域。包括箱体、惯性测量组合本体，二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路、数据处理及接口电路、母板电路及棱镜，惯性测量组合本体区域用于安装惯性组合体，电子箱区域用于安装二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路；惯性测量组合本体仪表以及各电路板通过内部电缆与箱体底部母板电路进行电气一体化连接。本发明惯测组合仪表采用多路冗余配置，数据处理及接口电路采用双路热备份冗余设计，可提供多个重复测量值，进而实现对系统的故障检测、故障识别和隔离重构。

Description

一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组

技术领域

本发明涉及一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，属于惯性敏感技术领域。

背景技术

用激光陀螺仪和加速度计作为惯性敏感仪表的激光惯性测量组合装置，可以实时测量载体速度、姿态等信息，为控制系统导航解算提供依据，是控制系统关键设备之一，其结构简单，工作寿命长，力学环境适应性强，具有高精度、高可靠和小型化、低成本的优点，广泛应用于航空航天、武器、船舶等领域。

近年来，随着航天技术的不断进步，航天发射的密度逐渐增加，航天运载器技术正在朝着低成本、高可靠、通用化、模块化的方向发展，对成熟运载火箭总体技术的优化也提出了更高的要求。目前应用于航天领域的运载火箭用激光惯性测量组合装置，因分别配套相应型号运载火箭控制系统使用，形成了多型惯性测量组合装置。各型惯性测量组合装置在内部系统构型、可靠性、环境适应性、数据传输接口等方面各有不同，只能应用于特定型号的运载火箭，产品通用性差，运载火箭搭载上面级飞行器状态下，基础级、上面级两级火箭惯性测量组合装置重复配置，单机性能没有得到充分发挥，限制了运载火箭的总体优化设计和惯性测量组合装置的产品化推广。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，采用激光陀螺仪和加速度计作为惯性敏感器件，结合仪表配套功能电路和数据处理及接口电路，实现激光陀螺和加速度计脉冲和相关模拟量数据的采集和运算处理。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，包括箱体、惯性测量组合本体，二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路、数据处理及接口电路、母板电路及棱镜，

箱体为左右两个部分，一侧为惯性测量组合本体区域，另一侧为电子箱；

惯性测量组合本体区域用于安装惯性组合体，电子箱区域用于安装二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路；

惯性测量组合本体仪表以及各电路板通过内部电缆与箱体底部母板电路进行电气一体化连接；箱体外部侧面底边设有机械安装接口和电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接；

棱镜安装在箱体外壁，激光惯性测量组合装置初始姿态的确定。

进一步的，箱体外部侧面底边有6个机械安装接口和3个电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接，其中包括高速总线接口、异步串行接口、供电接口和遥测接口。

进一步的，惯性测量组合本体包括加表组合体、激光陀螺仪和惯性测量组合本体结构件，加速度计安装于加表组合体内，加表组合体嵌入安装在惯性测量组合本体结构件上方，激光陀螺仪安装于惯性测量组合本体结构件内。

进一步的，惯性测量组合本体相对的两个侧面各安装四个减振器，固定连接在箱体的内壁上。

进一步的，二次电源电路通过供电接口接收一次电源输入，并将接收到的一次电源转换为二次电源电压信号输出给陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路，二次电源各路相互独立，分别为各路惯性仪表以及两路数据处理及接口电路供电。

进一步的，陀螺功能电路对应配套的五路激光陀螺分为独立的五路，每一路均包括激光陀螺高压电路、激光陀螺稳频电路、激光陀螺抖动电路和激光陀螺解调电路。

进一步的，激光陀螺高压电路接收二次电源电路输出的电源电压信号，并将接收到的电源电压信号转换成激光陀螺点亮所需要的电压传输给激光陀螺，使激光陀螺产生激光和维持激光，同时保证激光陀螺正常工作。

进一步的，激光陀螺稳频电路采集激光陀螺的光强信号，并将信号进行处理形成激光陀螺腔长的驱动信号，控制激光陀螺腔长动态保持稳定。

进一步的，激光陀螺抖动电路对激光陀螺的抖轮进行抖动控制，以消除激光陀螺锁区。

进一步的，激光陀螺解调电路将陀螺两路交流信号转化为含有陀螺正转、负转信息的脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

进一步的，I/F转换电路采集石英加速度计产生的模拟电流信号，并将采集到的模拟电流信号转换为数字脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

进一步的，数据处理及接口电路采用双路热备份冗余设计，两互为备份的数据处理及接口电路能够各自独立工作，按照2KHz的采样频率采集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内的脉冲增量；进行解抖滤波处理，按照数据传输协议形成激光陀螺和石英加速度计脉冲输出，最后通过接口电路传输给外部控制系统，供箭载计算机进行姿态计算和制导计算。

进一步的，数据处理及接口电路包括独立的高速总线接口电路和异步串口接口电路，两种数据接口可单独或同时向控制系统传输测量数据，每种接口都配置有双通道实现硬件冗余，确保具备隔离I度故障能力。

进一步的，高速总线接口电路中的接口连接采用变压器耦合方式，完成惯性测量组合装置作为远程终端的功能，进行数据传输。

进一步的，异步串行接口电路包括请求信号电路和数据发送电路，请求信号电路采用光耦隔离设计，接收箭载计算机发出的请求信号后，形成中断，惯测组合数据处理及通信响应中断，通过异步串行接口向箭载计算机发送激光陀螺和加速度计脉冲数据；

数据发送电路采用异步串行数据接口，将逻辑电平转换成异步串行接口传输的电位差，进行数据串行传输，箭上冗余箭载计算机通过接口电路完成数据接收。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明惯测组合仪表采用多路冗余配置，数据处理及接口电路采用双路热备份冗余设计，可提供多个重复测量值，进而实现对系统的故障检测、故障识别和隔离重构；

(2)本发明各路仪表和两路数据处理及接口电路采取电气隔离的设计方式，均配置各自独立的二次电源进行供电，整体上提升了单机可靠性和环境适应性；

(3)本发明接口电路同时配置高速总线和异步串行接口，可与目前成熟型号的运载火箭或上面级飞行器的箭载计算机进行信息交换，通用性强。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为高速总线接口示意图；

图3为异步串行接口请求信号接口示意图；

图4为异步串行接口数据发送接口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1-4所示，一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，包括箱体、惯性测量组合本体，二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路、数据处理及接口电路、母板电路及棱镜，

箱体为左右两个部分，一侧为惯性测量组合本体区域，另一侧为电子箱；

惯性测量组合本体区域用于安装惯性组合体，电子箱区域用于安装二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路；

惯性测量组合本体仪表以及各电路板通过内部电缆与箱体底部母板电路进行电气一体化连接；箱体外部侧面底边设有机械安装接口和电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接；

棱镜安装在箱体外壁，激光惯性测量组合装置初始姿态的确定。

箱体外部侧面底边有6个机械安装接口和3个电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接，其中包括高速总线接口、异步串行接口、供电接口和遥测接口。

惯性测量组合本体包括加表组合体、激光陀螺仪和惯性测量组合本体结构件，加速度计安装于加表组合体内，加表组合体嵌入安装在惯性测量组合本体结构件上方，激光陀螺仪安装于惯性测量组合本体结构件内。惯性测量组合本体相对的两个侧面各安装四个减振器，固定连接在箱体的内壁上。

二次电源电路通过供电接口接收一次电源输入，并将接收到的一次电源转换为二次电源电压信号输出给陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路，二次电源各路相互独立，分别为各路惯性仪表以及两路数据处理及接口电路供电。

陀螺功能电路对应配套的五路激光陀螺分为独立的五路，每一路均包括激光陀螺高压电路、激光陀螺稳频电路、激光陀螺抖动电路和激光陀螺解调电路。激光陀螺高压电路接收二次电源电路输出的电源电压信号，并将接收到的电源电压信号转换成激光陀螺点亮所需要的电压传输给激光陀螺，使激光陀螺产生激光和维持激光，同时保证激光陀螺正常工作。

激光陀螺稳频电路采集激光陀螺的光强信号，并将信号进行处理形成激光陀螺腔长的驱动信号，控制激光陀螺腔长动态保持稳定。激光陀螺抖动电路对激光陀螺的抖轮进行抖动控制，以消除激光陀螺锁区。激光陀螺解调电路将陀螺两路交流信号转化为含有陀螺正转、负转信息的脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

I/F转换电路采集石英加速度计产生的模拟电流信号，并将采集到的模拟电流信号转换为数字脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

数据处理及接口电路采用双路热备份冗余设计，两互为备份的数据处理及接口电路能够各自独立工作，按照2KHz的采样频率采集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内的脉冲增量；进行解抖滤波处理，按照数据传输协议形成激光陀螺和石英加速度计脉冲输出，最后通过接口电路传输给外部控制系统，供箭载计算机进行姿态计算和制导计算。

数据处理及接口电路包括独立的高速总线接口电路和异步串口接口电路，两种数据接口可单独或同时向控制系统传输测量数据，每种接口都配置有双通道实现硬件冗余，确保具备隔离I度故障能力。

高速总线接口电路中的接口连接采用变压器耦合方式，完成惯性测量组合装置作为远程终端的功能，进行数据传输。

异步串行接口电路包括请求信号电路和数据发送电路，请求信号电路采用光耦隔离设计，接收箭载计算机发出的请求信号后，形成中断，惯测组合数据处理及通信响应中断，通过异步串行接口向箭载计算机发送激光陀螺和加速度计脉冲数据；

数据发送电路采用异步串行数据接口，将逻辑电平转换成异步串行接口传输的电位差，进行数据串行传输，箭上冗余箭载计算机通过接口电路完成数据接收。

本发明提供了一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，采用激光陀螺仪和加速度计作为惯性敏感器件，结合仪表配套功能电路和数据处理及接口电路完成激光陀螺和加速度计脉冲和相关模拟量数据的采集和运算处理。

采用了多表冗余、双路数据处理及接口电路、各路仪表和数据处理及接口电路电气隔离、高速总线接口和异步串行接口、抗辐照设计、光学瞄准棱镜等技术创新和改进，从整体上消除了Ⅰ、Ⅱ类单点故障，相比现有的技术方案，在单机可靠性、环境适应性和接口通用性等方面进行了提升。可单独应用于成熟型号的运载火箭或运载火箭上面级，也可应用于搭载上面级飞行器状态的全箭导航制导和控制，减少箭上同类惯性测量组合装置的配置数量，实现激光惯性测量组合装置的通用化、模块化。同时，还可以大幅度降低系统级的应用成本，提升运载火箭电气系统集成度和运载火箭的有效载荷。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，包括箱体、惯性测量组合本体，二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路、数据处理及接口电路、母板电路及棱镜，

箱体为左右两个部分，一侧为惯性测量组合本体区域，另一侧为电子箱；

惯性测量组合本体区域用于安装惯性组合体，电子箱区域用于安装二次电源电路、陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路；

惯性测量组合本体仪表以及各电路板通过内部电缆与箱体底部母板电路进行电气一体化连接；箱体外部侧面底边设有机械安装接口和电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接；

棱镜安装在箱体外壁，激光惯性测量组合装置初始姿态的确定。

2.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，箱体外部侧面底边有6个机械安装接口和3个电气连接接口，机械安装接口用于将激光惯性测量组合装置固定安装于火箭仪器舱内，电气连接接口用于通过箭上电缆网与箭载计算机连接，其中包括高速总线接口、异步串行接口、供电接口和遥测接口。

3.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，惯性测量组合本体包括加表组合体、激光陀螺仪和惯性测量组合本体结构件，加速度计安装于加表组合体内，加表组合体嵌入安装在惯性测量组合本体结构件上方，激光陀螺仪安装于惯性测量组合本体结构件内。

4.根据权利要求3所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，惯性测量组合本体相对的两个侧面各安装四个减振器，固定连接在箱体的内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，二次电源电路通过供电接口接收一次电源输入，并将接收到的一次电源转换为二次电源电压信号输出给陀螺功能电路、I/F转换电路和数据处理及接口电路，二次电源各路相互独立，分别为各路惯性仪表以及两路数据处理及接口电路供电。

6.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，陀螺功能电路对应配套的五路激光陀螺分为独立的五路，每一路均包括激光陀螺高压电路、激光陀螺稳频电路、激光陀螺抖动电路和激光陀螺解调电路。

7.根据权利要求6所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，激光陀螺高压电路接收二次电源电路输出的电源电压信号，并将接收到的电源电压信号转换成激光陀螺点亮所需要的电压传输给激光陀螺，使激光陀螺产生激光和维持激光，同时保证激光陀螺正常工作。

8.根据权利要求6所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，激光陀螺稳频电路采集激光陀螺的光强信号，并将信号进行处理形成激光陀螺腔长的驱动信号，控制激光陀螺腔长动态保持稳定。

9.根据权利要求6所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，激光陀螺抖动电路对激光陀螺的抖轮进行抖动控制，以消除激光陀螺锁区。

10.根据权利要求6所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，激光陀螺解调电路将陀螺两路交流信号转化为含有陀螺正转、负转信息的脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

11.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，I/F转换电路采集石英加速度计产生的模拟电流信号，并将采集到的模拟电流信号转换为数字脉冲信号输出到数据处理及接口电路和遥测接口。

12.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，数据处理及接口电路采用双路热备份冗余设计，两互为备份的数据处理及接口电路能够各自独立工作，按照2KHz的采样频率采集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内的脉冲增量；进行解抖滤波处理，按照数据传输协议形成激光陀螺和石英加速度计脉冲输出，最后通过接口电路传输给外部控制系统，供箭载计算机进行姿态计算和制导计算。

13.根据权利要求1所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，数据处理及接口电路包括独立的高速总线接口电路和异步串口接口电路，两种数据接口可单独或同时向控制系统传输测量数据，每种接口都配置有双通道实现硬件冗余，确保具备隔离I度故障能力。

14.根据权利要求13所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，高速总线接口电路中的接口连接采用变压器耦合方式，完成惯性测量组合装置作为远程终端的功能，进行数据传输。

15.根据权利要求13所述的一种适用于运载火箭基础级和上面级的通用型激光惯组，其特征在于，异步串行接口电路包括请求信号电路和数据发送电路，请求信号电路采用光耦隔离设计，接收箭载计算机发出的请求信号后，形成中断，惯测组合数据处理及通信响应中断，通过异步串行接口向箭载计算机发送激光陀螺和加速度计脉冲数据；

数据发送电路采用异步串行数据接口，将逻辑电平转换成异步串行接口传输的电位差，进行数据串行传输，箭上冗余箭载计算机通过接口电路完成数据接收。

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