一种激光捷联惯性测量组合装置的制作方法

本发明涉及一种激光捷联惯性测量组合装置，属于飞行器速度、姿态测量技术领域。

背景技术：

激光捷联惯性测量组合装置是运载火箭、导弹武器等飞行器控制系统的关键单机，其功能是利用激光陀螺仪及石英加速度计作为惯性敏感部件，给出飞行器沿三个轴(o1x1、o1y1、o1z1)的视加速度以及绕轴角运动的角速度，供飞行器上计算机进行姿态计算和制导计算，以便对飞行器飞行进行稳定控制和制导控制。

现有技术中，飞行器的激光捷联惯性测量组合装置，采用精度高的rlg90型激光陀螺和精度一般的rlg50型激光陀螺配置为主。采用rlg90型激光陀螺配置的组合装置体积大于400mm×200mm×200mm，重量大于18kg，虽然其精度高，但体积和重量太大；采用rlg50型激光陀螺配置的组合装置体积大于260mm×175mm×170mm，重量大于9.5kg，体积和重量一般，但其精度较低。现有组合装置的缺点已影响到未来飞行器整体性能的进一步提升。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种激光捷联惯性测量组合装置。

本发明技术解决方案是：

一种激光捷联惯性测量组合装置，该组合装置包括上盖、箱体、下盖、二次电源电路、i/f转换电路、导航计算机电路、惯性组合体和高低压电路；

下盖固定安装在箱体的底端；

上盖固定安装在箱体的顶端；

箱体的中间带有一隔板，该隔板将该箱体的内腔分为上下两部分，上面部分作为电子箱区域，下面部分作为惯性本体区域；

惯性本体区域用于安装惯性组合体和高低压电路，且惯性组合体位于高低压电路的上面；

电子箱区域用于安装二次电源电路、i/f转换电路和导航计算机电路，二次电源电路、i/f转换电路并排安装在导航计算机电路的上面，二次电源电路、i/f转换电路均固定连接在上盖的内表面。

箱体的侧面有两个接口，其中一个作为总线接口，另外一个作为供电接口。

上盖的外表面有散热槽，上盖通过螺钉与箱体固定连接；总线接口通过1553总线通讯方式将陀螺脉冲和石英加速度计脉冲信息进行输出，供电接口作为28v的一次电源的输入接口；下盖的外表面有散热槽，下盖通过螺钉与箱体固定连接。

惯性组合体包括抖动电路、四个减振器、稳频电路、加表组合体、三个激光陀螺和组合本体。

加表组合体包括三个石英加速度计和加表本体；加表组合体为一长方体，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，镂空部分与石英加速度计相匹配且用于安装石英加速度计。

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；前表面的中心位置安装抖动电路，前表面的左上角和右上角各安装一个减振器，左侧面的中心位置安装稳频电路，组合本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，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，镂空部分与激光陀螺相匹配且用于安装三个激光陀螺，后表面的左下角和右下角各安装一个减振器。

激光陀螺为90型激光陀螺，惯性组合体中的四个减振器分别通过螺钉固定连接在箱体的内壁上。

二次电源电路通过螺钉固定于上盖内表面，i/f转换电路通过螺钉固定于上盖内表面，位于二次电源电路的一侧；惯性组合体与箱体之间由四个减振器连接，高低压电路安装在下盖上，并通过螺钉与下盖固定连接。

二次电源电路通过供电接口接收电源输入，并将接收到的电源转换为电源电压信号输出给导航计算机电路，导航计算机电路将接收到的电源电压信号分别传输给抖动电路、稳频电路、i/f转换电路和高低压电路；抖动电路采集激光陀螺的抖轮的反馈信号，并将采集到的反馈信号有效值供导航计算机电路进行监测，同时抖动电路根据接收到的反馈信号生成驱动信号传输给激光陀螺的抖轮进行抖动；

稳频电路采集激光陀螺的直流光强信号，并将采集到的直流光强信号进行处理生成激光陀螺的腔长的驱动信号，使激光陀螺的腔长动态地保持不变；稳频电路将采集到的直流光强信号作为模拟量供导航计算机电路进行监测；

高低压电路接收导航计算机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；

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传输给导航计算机电路；

激光陀螺产生的交流光强信号传输给导航计算机电路。

导航计算机电路用于接收激光陀螺产生的交流光强信号和i/f转换电路输出的数字脉冲信号，并根据接收到的交流光强信号和数字脉冲信号进行运算处理，并将得到的运算处理结果通过总线接口进行输出。

二次电源电路转换的电源电压信号为+5v、±15v及隔离+15v。

有益效果

(1)本组合装置采用惯性组合体和电气系统一体化集成设计，将激光陀螺、石英加速度计、电路板综合布局，突破其中的关键技术，研制新型小型化、轻质化、高精度、高可靠的激光捷联惯性测量装置，以满足我国军事领域对小型轻质化高精度惯性测量装置的迫切需求。

(2)该组合装置体积为174.5mm×174.5mm×230mm，远小于采用同样惯性仪表配置的激光捷联惯性测量组合装置；

(3)该组合装置重量为9.6kg，远小于采用同样惯性仪表配置的激光捷联惯性测量组合装置；

(4)该组合装置重量陀螺精度优于0.005°/h、石英加速度计精度优于2×10-5g0，精度高于采用同样惯性仪表配置的激光捷联惯性测量组合装置。

(5)整机热防护：该激光捷联惯性测量组合装置通过合理布局热源，提高了整体的散热性能，同时使热源对本体组合的影响降低且均匀化。将if转换电路、二次电源电路安装在上盖，高低压电路安装在下盖，计算机电路板安装在箱体隔板上，这些电路板都可以经箱体、安装耳进行高效率的传导散热；惯组上盖、下盖和箱体局部设计密集散热槽加强对流换热，并散热槽方向进行合理设计；抖动电路、稳频电路发热量较小，为充分利用空间安装在惯性本体组合上，且元件面正对外箱体侧壁，可以通过辐射及空气对流/传导等方式进行散热；惯性本体组合位于激光捷联惯性测量组合装置中央，位于上部和下部的电路系统对其加热比较均匀，降低了惯性本体组合区域的温度梯度。

(6)石英加速度计数字温控及温度补偿：由于石英加速度计的零偏和标度因数受温度影响较大，为了进一步提高仪表性能，满足惯性导航精度要求，需要采用温度控制或温度补偿措施。选用石英加速度计数字温度控制方法和温度误差建模补偿方法，石英加速度计温度控制系统以温度传感器ds18b20、微处理器dsp与fpga为硬件平台来实现。石英加速度计温度误差补偿技术通过在石英加速度计上合理配置温度传感器pt1000铂电阻进行测温，采用多项式法，确定温度对石英加速度计零位和标度因数的影响，通过在不同温度点使用快速标定测试的方法得到各个温度点下石英加速度计的零位和标度因数数值，采用多项式最小二乘法拟合获得石英加速度计温度补偿模型的系数。根据多次仿真与试验摸底，综合考虑惯组硬件计算能力与补偿精度等因素后，将石英加速度计的零位与标度因数惯组温度的模型阶数选取为3阶模型。

(3)石英加速度计高温段模型40℃～60℃的建立方法需要借助惯组温控功能，将加表组合体温度控制点在40℃～60℃范围内每隔5℃设定一个温度控制点，在每个温度控制点对石英加速度计进行温度稳定后的标定测试。高温段采用温控方法对加表表头温度进行控制，相比低温段与常温段快速标定得到的石英加速度计零位与标度因数更为精确，所建立的模型更准确。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的惯性组合体的结构示意图；

图3为本发明的装置中的电气关系示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种激光捷联惯性测量组合装置，该组合装置包括上盖1、箱体4、下盖5、二次电源电路6、i/f转换电路7、导航计算机电路8、惯性组合体9和高低压电路10；

惯性组合体9包括抖动电路11、四个减振器12、稳频电路13、加表组合体14、三个激光陀螺15和组合本体；激光陀螺15为90型激光陀螺；

加表组合体包括三个石英加速度计和加表本体；加表组合体为一长方体，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，镂空部分与石英加速度计相匹配且用于安装石英加速度计，即右侧面的中心镂空部分与适应石英加速度计相匹配且安装一个石英加速度计，下表面面的中心镂空部分与适应石英加速度计相匹配且安装一个石英加速度计，后表面面的中心镂空部分与适应石英加速度计相匹配且安装一个石英加速度计；

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；前表面的中心位置安装抖动电路11，前表面的左上角和右上角各安装一个减振器12，左侧面的中心位置安装稳频电路13，组合本体的的中心带有镂空部分，中心镂空部分与加表组合体14相匹配且用于安装加表组合体14，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，镂空部分与激光陀螺15相匹配且用于安装三个激光陀螺15；即右侧面的镂空部分安装一个激光陀螺15，下表面的镂空部分安装一个激光陀螺15，后表面的镂空部分安装一个激光陀螺15；后表面的左下角和右下角各安装一个减振器12；

箱体4的侧面有两个接口，其中一个作为总线接口2，另外一个作为供电接口3；

箱体4的中间带有一隔板，该隔板将该箱体4的内腔分为上下两部分，上面部分作为电子箱区域，下面部分作为惯性本体区域，惯性本体区域用于安装惯性组合体9和高低压电路10，且惯性组合体9位于高低压电路10的上面；惯性组合体9中的四个减振器12分别通过螺钉固定连接在箱体4的内壁上；电子箱区域用于安装二次电源电路6、i/f转换电路7和导航计算机电路8，二次电源电路6、i/f转换电路7并排安装在导航计算机电路8的上面，二次电源电路6、i/f转换电路7均通过螺钉固定连接在上盖1的内表面；

下盖5固定安装在箱体4的底端；

上盖1固定安装在箱体4的顶端；

二次电源电路6用于将输入的28v电源转换成+5v、+15v、-15v、隔离+15v的电源电压；

上盖1的外表面有散热槽，用于整体散热，安装于箱体4的上方，并通过螺钉与箱体4固定连接；

总线接口2位于箱体4侧壁上，总线接口2通过1553总线通讯方式将陀螺脉冲和石英加速度计脉冲信息输出给外部(控制系统)；

供电接口3位于箱体4侧壁上，供电接口3作为28v的一次电源的输入接口。

箱体4的中间有一个隔板，隔板用于将惯性本体组合与二次电源电路6、i/f转换电路7及导航计算机电路8隔开，以减小电路对惯性组合体的直接热影响；

下盖5的外表面有散热槽，用于整体散热，安装于箱体4的下方，并通过螺钉与箱体4固定连接；

二次电源电路6通过螺钉固定于上盖1内表面；其通过不同型号的电源模块生成二次直流电源，为抖动电路11、稳频电路13、高低压电路10、i/f转换电路7、导航计算机电路8提供其所需供电电源，以保证陀螺仪、石英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，高低压电路所需的隔离+15v；

i/f转换电路7通过螺钉固定于上盖1内表面，位于二次电源电路6的一侧；i/f转换电路7用于将石英加速度计输出的模拟电流信号转换为数字脉冲信号，并传输至导航计算机电路8；

导航计算机电路8安装于箱体4的隔板的上方，其功能分四个方面：一是数据采集，采集激光陀螺的交流光强信号、采集i/f转换电路7输出的数字脉冲信号和需监测的模拟量；二是数据运算处理，对采集到的激光陀螺信号和数字脉冲信号进行运算处理；三是数据传输，将运算处理的结果通过1553总线输出给外部的控制系统，四是对石英加速度计进行温度控制和温度补偿，以提升石英加速度计的参数精度；

惯性组合9体安装于箱体4的隔板的下方，与箱体4之间由四个减振器12连接，通过减振器12给惯性组合体9减振，惯性组合体9的信号电缆从隔板与箱体4侧壁开的长方形口穿过，与导航计算机电路8连接；

高低压电路10位于惯性组合体9下方，安装在下盖5上，并通过螺钉与下盖5固定连接，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；

抖动电路11安装于惯性组合9体侧壁上，其主要实现激光陀螺抖动，从而消除激光陀螺锁区的影响；

稳频电路13安装于惯性组合体9侧壁上，其作用就是控制激光陀螺的腔长，使腔长动态地保持不变，从而使光强和标度因数不变；

加表组合体14将三个石英加速度计安装在加表本体上，加表组合体14上有三个正交石英加速度计安装基准面，每个石英加速度计分别通过与三个螺钉紧固在加表组合体14上；

三个激光陀螺15正交安装在惯性组合体9上，每个激光陀螺通过四个m3螺钉(带弹簧垫圈、平垫)紧固；惯性组合体9和三个激光陀螺之间分别有对应的安装基准面。

如图3所示，二次电源电路6通过供电接口3接收电源输入，并将接收到的电源转换为+5v、±15v、隔离+15v的电源电压信号输出给导航计算机电路8，导航计算机电路8将接收到的电源电压信号分别传输给抖动电路11、稳频电路13、i/f转换电路7和高低压电路10；抖动电路11采集激光陀螺15的抖轮的反馈信号，并将采集到的反馈信号的有效值供导航计算机电路8进行监测，同时抖动电路11根据接收到的反馈信号生成驱动信号传输给激光陀螺15的抖轮进行抖动；

稳频电路13采集激光陀螺15的直流光强信号，并将采集到的直流光强信号进行处理生成激光陀螺15的腔长的驱动信号，使激光陀螺15的腔长动态地保持不变；稳频电路13将采集到的直流光强信号作为模拟量供导航计算机电路8进行监测；

高低压电路10接收导航计算机电路8输出的电压信号，并将接收到的电压信号转换成激光陀螺15点亮所需要的电压传输给激光陀螺15使激光陀螺15产生激光和维持激光，同时保证激光陀螺15正常工作；

i/f转换电路7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传输给导航计算机电路8；

激光陀螺15产生的交流光强信号传输给导航计算机电路8。

导航计算机电路8用于接收激光陀螺15产生的交流光强信号和i/f转换电路7输出的数字脉冲信号，并根据接收到的交流光强信号和数字脉冲信号进行运算处理，并将得到的运算处理结果通过总线接口2传输出去，即传输给外部控制系统，运算处理结果供飞行器上计算机进行姿态计算和制导计算，以便对飞行器飞行进行稳定控制和制导控制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

该激光捷联惯性测量组合装置上电后，二次电源电路将接收到的电源(+28v±4v)转换为+5v、±15v、隔离+15v的电源电压信号输出给导航计算机电路8，导航计算机电路8将接收到的电源电压信号分别传输给抖动电路11、稳频电路13、i/f转换电路7和高低压电路10，使各电路工作。

高低压电路10接收导航计算机电路8输出的隔离+15v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15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)传输给激光陀螺15使激光陀螺15产生激光和维持激光，同时保证激光陀螺15正常工作；

抖动电路采集激光陀螺的抖轮的反馈信号(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)供导航计算机电路进行监测，同时抖动电路根据接收到的反馈信号生成驱动信号(特征：频率是抖轮谐振频率，峰峰值为±70v的方波)传输给激光陀螺的抖轮进行抖动控制；

稳频电路13采集激光陀螺15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激光陀螺15的腔长的驱动信号(特征：电压值为0v～300v)，使激光陀螺15的腔长动态地保持不变；稳频电路13将采集到的直流光强信号(特征：电压值为-5v～0v)作为模拟量供导航计算机电路8进行监测；

i/f转换电路7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)传输给导航计算机电路8；

激光陀螺15产生的交流光强信号(特征：最大频率为4mhz的正弦波)传输给导航计算机电路8。

导航计算机电路8采用“dsp+fpga”设计方案，dsp芯片采用ti公司dsp芯片smj320c6713，外部存储器系统包括sram和flash。导航计算机电路8接收激光陀螺15产生的交流光强信号和i/f转换电路7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，最后通过1553总线通讯方式将脉冲增量整形化数据传输出去，即传输给外部控制系统，激光陀螺和石英加速度计脉冲增量整形化数据供飞行器上计算机进行姿态计算和制导计算，以便对飞行器飞行进行稳定控制和制导控制。