旋转弹惯性测量装置的研究

戴潜 姚宏瑛

一、引言

作为末端反导的重要发展方向，旋转弹的控制装置和弹体结构简单，且弹体的滚转可以改善发动机推力偏心、质量偏心、弹体外形工艺误差等干扰所造成的影响，因此各国都投入大量人力和物力进行研究。如法国研制的“Milan”和德国研制的“HOT”等反坦克导弹，前苏联的“SAM-7”和美国的“FIM-92”以及其改进型“RIM116”等地对空导弹，我国的“红箭-73”和“HQ-9”等。现阶段该系列导弹日益朝着低成本小型化高精度的方向发展，如“HQ-9”的弹径为470mm，而“HQ-10”的弹径却仅为120mm，因此对旋转弹上惯性测量装置的尺寸以及精度要求也愈加严格。

惯性测量装置的主要功能是输出弹体三个轴上的惯性测量信息，一般由速率陀螺、加速度及相应的电子电路构成。对于旋转导弹，弹体上的惯性测量装置除了三轴惯性测量信息外还需要输出弹旋轴角位置，而弹旋角位置基准的测量主要有两种方案：一是通过地磁传感器测量，但当导弹纵轴与地磁场矢量重合时，会出现探测盲区。另一种也是本文采用的方法是通过速率陀螺积分得到，但由于旋转弹绕自身纵轴高速旋转，需要大动态范围和具有一定精度的陀螺，这对陀螺的各项性能，尤其是标度因数的重复性、线性度、温度等特性要求非常高，而由于对弹上惯性测量装置尺寸的“小型化”要求，我们只得放弃选用精度较高的光纤陀螺和激光陀螺，而选用体积小的MEMS陀螺，由于发达国家在精密仪器上对我国的技术出口封锁，以及国内MEMS陀螺精度普遍较低的特点，这显然是不能满足要求的。为了解决上述问题，我们提出了在惯性测量装置内构建一个“消旋平台”来隔绝旋转弹体高速旋转的影响，不再直接使用速率陀螺仪测量弹体旋转速度，而是依靠这个“消旋平台”，在其上放置高精度小尺寸的角度传感器，来完成对输出弹旋轴角位置的测量。

二、 消旋平台工作原理

“消旋平台”实则运用了速率陀螺仪的“空间测速机”功能，通过敏感其相对于惯性空间的绕弹体旋转轴的转速，由智能芯片按照控制算法计算出相应的控制量，经功率放大器输出至与“消旋平台”相连的力矩电机，使电机反转，从而达到“消旋平台”在惯性空间内相对静止的特性。这种方法虽被广泛运用于地基、车载舰载、机载以及各种航天设备中，但是由于尺寸的限制，我们只得同时在“消旋平台”的结构设计上作出改进以及在力矩电机控制算法方面提出更加稳定的新方案。捷联惯导安装固定在稳定平台上。在发射准备阶段，捷联惯导根据外界信息实现初始对准，确定捷联解算起点和初始航向、姿态。发射过程中，捷联惯导进入导航状态，并实时读取角速率传感器信息，实时解算平台位置和弹体航向、姿态、速度、以及运动角速率等信息。 稳定平台由旋转解耦单元驱动，驱动信号实时保持平台与平台滚转运动负反馈。当弹体进入发射工况时，出现三种滚转运动：弹体在膛线和气动力作用下的滚转运动；平台相对于惯性空间的滚转运动：平台在轴承摩擦力的作用下与弹体的同趋势滚转运动。旋转解耦单元根据控制计算机的指令驱动电机相应模块，使得平台出现某种转动，从而保持平台相对于惯性空间稳定。

三、系统组成

1、捷联惯导 。捷联惯导采用MEMS惯性器件IMU和必要的处理电路构成，具有体积小、可靠性高等特点。由于采用了半捷联方案，对惯性器件的量程和线性度指标要求大幅度降低，目前有成熟的MEMS惯性器件可供使用。

2、稳定平台。稳定平台主要由银合金支撑结构、精密轴承和滑环组成，由于捷联惯导面定在稳定平台上，因此稳定平台对捷联惯导的导航精度影响良大，本方案的稳定平台采用双端精密轴承支撑设计。选用定制的精密轴承，轴承滚子和外圈之间间隙做到最小化，将飞行过程中稳定平台所受到的冲击降到最低，最大限度保证捷联惯导的导航精度。

3、旋转解耦单元。旋转解耦单元主要有微小型驱动电机和电机驱动电路构成。电机、磁钢、编码器码盘、滑环引针与弹体固联，，电机绕组、编码器电路和滑环与稳定平台固连，依靠仅具有滚转自由度的平台和数字稳定平台来实现速度隔离和稳定。三轴惯性传感器安装在稳定平台上，平合相对弹体的角信号由弹体上的相对角度传感器测量惯性传感器测量的滚转角信号数据与相对角度传感器的数据进行融合后就得到了弹体的姿态信息，这些信息通过滑环送入弹载计算机进行处理。

4、角速率传感器 。角速率传感器主要有微小型光电码盘和光电编码器读取电路构成。光电码盘采用中空环形结构，与弹体壳体固联，读取电路与稳定平台固联，读取信号直接接入解算处理电路。

四、可行性分析

4.1 捷联解算

作为捷联惯导的核心部件，本设计采用MEMS惯性器件组成的IMU，目前国内外许多公司与单位在MEMS惯性器件研制方面取得了飞速的发展，产品性能逐渐稳定，为基于MEMS惯性器件的捷联惯性系统的应用提供了坚实的基础。设计方案中惯性捷联算法成熟可靠，在多个项目中得到成熟的应用。 另外，针对微机械惯性器件的稳定性差，给捷联解算带来计算误差的问题，本设计方案中有较为成熟的误差补偿技术。主要采用建立比较精确的误差模型，以及系统级标定技术，对各项误差因子，标度因子、交叉耦合、温度系数和刻度系数等误差项进行补偿。目前的技术案可以卖现陀螺全温线性度优于1000ppm，一次启动零位稳定性优于30°/h的技术指标。由于采用半捷联方案，在工作时段平均平台转速可以控制在不大于10°/s，对于短时间应用（不大于30S）捷联解算可以达到设计指标，方案可行。