胡 兵，黨 峰，王寶林

（中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，華陰714200）

0 引言

導航系統(tǒng)是現(xiàn)代武器實現(xiàn)精確制導、精確打擊的核心裝置,對導航系統(tǒng)動態(tài)定位精度的校準需求貫穿于武器系統(tǒng)設計、研發(fā)、部署、運行的全生命周期?；鸺猎囼炇菍崿F(xiàn)導航系統(tǒng)高動態(tài)校準的最佳方法之一,能夠考核其在高速度、高加速度、大過載環(huán)境下的動態(tài)性能指標。相比于其它地面試驗方法,火箭橇試驗更切近實際載體的飛行狀態(tài)［1-2］。隨著我國先進慣導技術的快速發(fā)展,以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能的不斷提升,其高動態(tài)條件下的定位精度校準都需要通過火箭橇試驗來實現(xiàn)。

基于火箭橇的導航系統(tǒng)動態(tài)校準技術在國外已發(fā)展多年［3-7］。美國組建了中央慣性制導實驗室,利用火箭橇進行慣導系統(tǒng)的專業(yè)測試,其早期洲際導彈和戰(zhàn)術導彈的慣導系統(tǒng)都進行過全面的火箭橇試驗校準?！昂推奖Ｐl(wèi)者”洲際導彈的GPS導航也進行過火箭橇試驗,以測試GPS導航能夠達到的精度水平,并進行誤差項分離。我國的導航系統(tǒng)動態(tài)校準火箭橇試驗尚處在起步階段,目前已在兵器靶場開展了零星的驗證試驗［2］,尚無通用化的試驗設施,相關的試驗標準和體系也未建立。

導航系統(tǒng)高動態(tài)校準火箭橇試驗平臺（以下簡稱校準平臺）的構建是試驗體系建設的基礎,統(tǒng)一、標準化的試驗設施是保證校準數(shù)據(jù)有效性和一致性的前提。校準平臺經(jīng)多次試驗驗證,可有效保證試驗過程的安全性、彈道設計的準確性,并降低試驗成本。本文介紹了最高速度2Ma、最大航向過載30g的校準平臺研制過程,下一步將在此平臺上開展更高速度的多套、多類型導航系統(tǒng)校準火箭橇試驗研究。

1 平臺關鍵技術

基于火箭橇的導航系統(tǒng)校準原理如圖1所示［8-9］。在火箭橇軌道一側建立位置標系統(tǒng),其間隔距離S1、S2、S3、…、Sn經(jīng)精確大地測量。利用火箭橇作為載體,將被校導航系統(tǒng)安裝在橇車上,橇車一側安裝光電探測組件,由一對發(fā)射—接收激光管組成。當光電探測組件隨高速運行的火箭橇與位置標系統(tǒng)交匯時,位置標遮擋其光電感應通道,探測組件產(chǎn)生脈沖信號,同時高精度測時單元記錄各位置標的信號間隔時間T1、T2、T3、…、Tn, 則火箭橇系統(tǒng)速度的瞬時值為

對應時間為

以處理后的位置、速度與時間的高精度動態(tài)關系數(shù)據(jù)為基準真值,與被校導航系統(tǒng)同步測量的動態(tài)運行數(shù)據(jù)對比,即可實現(xiàn)對其動態(tài)定位性能的高精度校準。

圖1 導航系統(tǒng)校準火箭橇試驗原理Fig.1 Principle diagram of rocket sled test of navigation system calibration

校準平臺是被校導航系統(tǒng)的運動載體,既要安全可靠的沿火箭橇試驗軌道高速運動、模擬真實載體的實際飛行環(huán)境,又要滿足不同類型導航系統(tǒng)多樣化的參數(shù)指標和試驗環(huán)境要求。校準平臺設計的關鍵技術及指標主要有以下幾點：

1）通用校準平臺,可實現(xiàn)多套、多類型導航系統(tǒng)及天線、其他儀器設備的安裝。

2）結合不同的推力模塊,校準平臺可有效模擬多種真實載體空中運動的速度、加速度等彈道環(huán)境,最大速度2Ma,最大航向過載30g,具備重復試驗能力,能夠可靠回收。

3）綜合慣導、衛(wèi)星導航系統(tǒng)設備的振動環(huán)境要求,校準平臺振動環(huán)境均方根過載值小于12g。

4）導航系統(tǒng)及其接收天線的安裝誤差、光電探測組件的安裝誤差、火箭橇運動過程中變形和振動等結構參數(shù)會影響校準平臺精度。其中,安裝誤差可在試驗前和試驗后精確測量,變形和振動誤差需在設計中控制,其誤差變化范圍應小于10mm。

2 平臺設計

校準平臺采用翼型火箭橇構型,以滿足設備安裝空間需求,平臺俯視圖如圖1所示。與雙軌火箭橇相比,翼型火箭橇可有效減少氣動阻力。校準平臺采用模塊化設計思路,整體由底盤、儀器艙、整流艙和推力接口組成,如圖2所示。

底盤安裝在主軌滑靴上,光電探測組件安裝在副軌滑靴上,兩者通過側翼連接,側翼減少校準平臺側擺,改善振動環(huán)境。底盤設計有水平動量置換式水戽斗,火箭橇運行過程中,布設在軌道上的水袋與水戽斗交匯,戽斗通道中涌入水流,與校準平臺發(fā)生動量互換,形成剎車力。底盤后方設計有火箭橇通用推力接口,通過安裝不同的推力模塊和發(fā)動機數(shù)量,可靈活滿足不同校準產(chǎn)品彈道的速度、加速度需求。

圖2 校準平臺結構示意圖Fig.2 Structure diagram of calibration platform

儀器艙和整流艙安裝在通用底盤上,可拆卸。整流艙采用長頭錐結構,以降低氣動阻力,提供氣動壓力,減小運行過程中的振動。儀器艙內(nèi)部安裝時空位置記錄裝置、被校導航系統(tǒng)、力學環(huán)境參數(shù)測試裝置、電源等相關設備,儀器艙采用框架蒙皮結構,分上下兩層共四個艙室,并預留兩個可擴展艙室,各艙室安裝面板可根據(jù)需要方便拆卸,最大安裝零件尺寸為400mm×400mm×800mm,可滿足現(xiàn)有多數(shù)導航系統(tǒng)的整機安裝。儀器艙上封板根據(jù)天線尺寸和接口個性化設計,最大可安裝直徑400mm的天線。

3 仿真分析

在ANSYS中對不同工況下校準平臺靜強度進行仿真分析,實體模型采用SOLID185單元類型,對滑靴內(nèi)表面施加位移約束。獲得了最大速度時刻（680m/s）的平臺應力如圖3所示,最大應力約250MPa,集中在滑靴連接處,未超過使用材料的屈服強度,校準平臺的結構強度能夠滿足火箭橇試驗需求。

光電探測組件安裝在副軌滑靴上,天線安裝在主軌儀器艙上,被校導航系統(tǒng)安裝在儀器艙內(nèi)部。如圖4所示,分析了不同仿真工況下校準平臺變形引起的光電組件與天線、儀器艙安裝板的相對變形,其最大變形位移約5mm,滿足校準精度的誤差控制范圍要求。

在ANSYS CFX軟件中進行不同推力模塊下校準平臺的氣動參數(shù)仿真分析,如圖5所示。對局部結構進行了優(yōu)化［10］,通過關鍵速度點數(shù)值模擬得到了空氣阻力、升力的仿真值,為精確彈道控制提供氣動參數(shù)。

圖3 校準平臺應力云圖Fig.3 Stress nephogram of calibration platform

圖4 校準平臺應變云圖Fig.4 Strain nephogram of calibration platform

圖5 校準平臺流場壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram of calibration platform

通過仿真分析,驗證了校準平臺在2Ma速度下的運行和回收安全性,平臺變形控制滿足設計要求,同時獲得的氣動參數(shù)值是校準試驗精確彈道設計的基礎。

4 試驗驗證

基于所研制的校準平臺開展火箭橇驗證試驗,試驗中推力模塊采用兩級串聯(lián)接力。校準平臺安裝了電源、遙測設備、時間統(tǒng)一系統(tǒng)、光電探測記錄儀等多套設備,試驗搭載一套GPS動態(tài)差分定位裝置作為被校系統(tǒng)。平臺儀器艙內(nèi)部及光電探測組件位置安裝振動與過載傳感器,監(jiān)測校準平臺運行過程中的振動與過載環(huán)境,振動傳感器測試量程選擇為±100g,響應頻率為0kHz～3kHz；過載傳感器量程選擇為±25g,響應頻率為0Hz～10Hz。

試驗過程如圖6所示,校準平臺運行正常并安全回收。光電探測和計時系統(tǒng)獲取了火箭橇通過位置標的精確時間間隔,與大地測量獲取的位置標精確空間位置相結合,解算出全程精確時空位置的時間-位移曲線,如圖7所示。校準平臺運行的最大航向過載為11g,最大剎車過載為-10g,最大速度為306m/s,運行全程約為4.5km。

以獲取的時空位置數(shù)據(jù)為基準真值,對比GPS裝置位移測量數(shù)據(jù),結果如表1所示。在校準平臺運行的前8s,該GPS裝置衛(wèi)星信號接收失常,分析原因是加速度較大,造成信號不穩(wěn)；9s之后,加速度較小時,信號穩(wěn)定,動態(tài)定位測試誤差最大為 7.7mm［11］。

圖6 驗證試驗現(xiàn)場圖Fig.6 Site drawing of validation test

圖7 驗證試驗時空位置曲線Fig.7 Space-time curves of validation test

表1 某GPS產(chǎn)品試驗校準結果Table 1 Calibration test results of a GPS product

儀器艙及光電探測組件位置的振動時域數(shù)據(jù)如圖8所示。光電探測組件振動時域最大值約為25g,RMS值約為5g,其安裝位置由于受到滑靴與軌道運動的約束,振動曲線上下不對稱。儀器艙振動時域最大值約為10g,儀器艙振動RMS值約為2.5g,遠小于設計指標,儀器艙內(nèi)部增加減振裝置后,可進一步改善振動環(huán)境。

圖8 驗證試驗振動環(huán)境Fig.8 Vibration environment of validation test

驗證試驗全面檢驗了校準平臺中橇體結構、動力系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、校準系統(tǒng)的性能,基本滿足設計指標要求,試驗獲取的彈道數(shù)據(jù)、時空位置數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)為平臺和校準系統(tǒng)的進一步優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

5 結論

針對國內(nèi)基于火箭橇的導航系統(tǒng)高動態(tài)校準試驗缺乏通用試驗設施的現(xiàn)狀,本文提出并研制了火箭橇校準平臺,并開展了驗證試驗。試驗結果表明,所研制的校準平臺基本能夠滿足導航系統(tǒng)高動態(tài)校準要求。后續(xù)通過結合不同的推力模塊和減振裝置,改變校準平臺的彈道參數(shù)和振動環(huán)境,可有效模擬更多類型導航系統(tǒng)飛行中的高動態(tài)環(huán)境。下一步,作為通用平臺和標準化的試驗設施,本文所研制的校準平臺有望推廣應用于北斗、GPS、慣導等各類導航系統(tǒng)的高動態(tài)校準、標定火箭橇試驗中,促進導航系統(tǒng)校準火箭橇試驗技術和體系的快速完善。