張燕萍, 師祥利, 尚俊云, 張 波, 褚萬(wàn)利

（中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第十六研究所, 西安 710100）

0 引言

眾所周知, 慣性技術(shù)因其具有不受外界干擾、完全利用自身感知能力、 可以全天候自主感知載體六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)信息的優(yōu)點(diǎn), 是目前最為重要的導(dǎo)航技術(shù)手段之一。 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具備體積小、 質(zhì)量小、 抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)、 可靠性高、工作時(shí)間和儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、 成本低廉、 反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列特點(diǎn), 捷聯(lián)式慣性測(cè)量組合（Inertial Measurement Unit, IMU）是控制系統(tǒng)中用于導(dǎo)航制導(dǎo)的核心部件, 其精度和可靠性決定了運(yùn)載火箭的制導(dǎo)性能, 結(jié)構(gòu)尺寸制約了武器系統(tǒng)/運(yùn)載火箭的大?。?-3］。 近年來(lái), 因其具備寬動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、 高靈敏度、 抗沖擊、 抗振動(dòng)的顯著優(yōu)勢(shì),光纖慣組得到了長(zhǎng)足發(fā)展。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,光纖陀螺儀成本不斷降低, 性能持續(xù)提高, 光纖慣組將在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

武器系統(tǒng)/運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)電氣設(shè)備由IMU、彈/箭載計(jì)算機(jī)、 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、 電動(dòng)伺服舵機(jī)等單機(jī)組成。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)電氣設(shè)備采用聯(lián)邦式架構(gòu)（分離式設(shè)計(jì)）, 各單機(jī)之間采用外部總線進(jìn)行信息交互, 各部組件之間如電源、 機(jī)箱等相互獨(dú)立, 其連接方式為電纜連接, 該設(shè)計(jì)架構(gòu)簡(jiǎn)單易行, 但并未綜合考慮單機(jī)性能、 系統(tǒng)性能和成本間的關(guān)系, 且數(shù)字化程度不高, 單機(jī)間接口不規(guī)范, 從而導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、 成本高, 通用性差、維修性低。

隨著武器系統(tǒng)/運(yùn)載火箭功能需求的增加, 對(duì)控制系統(tǒng)提出了小型化、 低成本、 通用化、 標(biāo)準(zhǔn)化、 高集成一體化的需求［4］。 通過(guò)實(shí)現(xiàn)重要單機(jī)模塊化設(shè)計(jì)、 控制系統(tǒng)集成一體化設(shè)計(jì), 以降低武器系統(tǒng)/運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)尺寸和研發(fā)周期以及提高武器系統(tǒng)/運(yùn)載火箭的有效載荷。 國(guó)際上最具代表性的有美國(guó)的 “航天發(fā)射系統(tǒng)” （SLS） 火箭、SpaceX 公司“獵鷹” （Falcon） 系列火箭和歐洲的“阿麗亞娜6 號(hào)” （Ariane 6）系列火箭, 均開展了控制系統(tǒng)集成一體化研究, 將模塊化組合化的綜合電子架構(gòu)設(shè)計(jì)思路作為降低發(fā)射成本、 提高有效載荷的重要手段［5］。 Ariane 6 運(yùn)載火箭［6-7］采用綜合電子架構(gòu), 實(shí)現(xiàn)了控制、 測(cè)量功能的集成。 未來(lái),控制系統(tǒng)將采用高集成的通用模塊, 在保持原有高可靠性、 高可測(cè)試性的基礎(chǔ)上, 向著更加輕質(zhì)、智能的集成一體化方向發(fā)展［4］。 目前, 國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)最新研究表明, 采用系統(tǒng)集成和一體化設(shè)計(jì)方法, 可以降低運(yùn)載火箭成本, 提升有效載荷, 充分發(fā)揮每個(gè)單機(jī)的功能, 達(dá)到設(shè)備多功能集成的目的［8］。 在國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上, 長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)綜合電子架構(gòu)的單機(jī)模塊化板卡［9］。 文獻(xiàn)［4］提出了一種箱體化的GNC（Guidance Navigation and Control）控制組合系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法, 該設(shè)計(jì)將慣性測(cè)量、 衛(wèi)星定位、 伺服功率驅(qū)動(dòng)等模塊與基本CPU模塊、 供電模塊、 接口模塊按照綜合電子架構(gòu)進(jìn)行了集成, 提升了GNC 系統(tǒng)的智能化水平。

目前, 以慣組為中心, 尤其是以光纖慣組為中心, 基于多個(gè)VPX 功能模塊［10］四周腔體均布,集成控制、 測(cè)量、 安全等功能的慣組一體化尚未見報(bào)道。 因此, 為了滿足運(yùn)載火箭的輕量化、 集成化發(fā)展需求, 本文提出了一種基于光纖慣組的系統(tǒng)集成一體化（以下簡(jiǎn)稱慣組一體化技術(shù)）設(shè)計(jì)方法, 并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證方面開展了研究。 一方面, 該方法可以減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量,降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本; 另一方面, 將控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊通過(guò)VPX 總線形式和IMU 系統(tǒng)集成,增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性、 可靠性, 便于系統(tǒng)的拆裝和維護(hù), 對(duì)控制系統(tǒng)集成一體化設(shè)計(jì)提供了新思路和新方法。

1 慣組一體化設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

慣組一體化設(shè)計(jì)的總體思路是將控制系統(tǒng)中的光纖慣組作為中心模塊, 對(duì)其它各部件進(jìn)行功能分解及重組, 合并相同功能模塊, 形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊, 各模塊之間采用背板進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)。 慣組一體化采用多核單處理器的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu), 完成組合導(dǎo)航和制導(dǎo)控制任務(wù)解算; 采用多腔對(duì)稱分布一體化設(shè)計(jì)架構(gòu), 光纖慣組位于其正中位置,保證慣性儀表具有良好的動(dòng)態(tài)、 力學(xué)環(huán)境特性,其余功能模塊集成到同一個(gè)機(jī)箱內(nèi), 分布在光纖慣組周圍的四個(gè)腔內(nèi), 具有良好的熱學(xué)、 電磁兼容性能。 慣組一體化設(shè)計(jì)可大幅減少系統(tǒng)內(nèi)部冗余器件、 部件間交聯(lián)接插件等硬件資源, 有利于模塊間進(jìn)行互換, 便于安裝使用, 達(dá)到降低成本、減小體積、 提高系統(tǒng)可靠性的目的; 中心模塊光纖慣組可以根據(jù)精度需求進(jìn)行調(diào)配, 其余各功能模塊可以根據(jù)控制系統(tǒng)需求進(jìn)行增減, 形成的標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊均可以在其它單機(jī)產(chǎn)品上復(fù)用。 慣組一體化的總體設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。

圖1 慣組一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理Fig.1 Design principle of integrated IMU system

1.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述慣組一體化設(shè)計(jì)方法, 盡可能縮小控制系統(tǒng)產(chǎn)品體積, 減少各組成部分直接“有線（電纜）” 連接。 以某型號(hào)運(yùn)載火箭應(yīng)用需求為例,將光纖慣組、 異構(gòu)計(jì)算機(jī)模塊、 接口模塊、 時(shí)序控制模塊、 射頻調(diào)制模塊、 電源模塊、 遙測(cè)采編模塊等通過(guò)VPX 背板全部集成。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),采用VPX 總線設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)各設(shè)備間信息的互連互通和供配電能力, 同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的通用化設(shè)計(jì)和互換性設(shè)計(jì)能力, 通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)了光纖慣組模塊、 異構(gòu)計(jì)算機(jī)等模塊的集成互連。慣組一體化硬件設(shè)計(jì)平面布局如圖2 所示。

圖2 慣組一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平面布局Fig.2 Plane layout diagram of integrated IMU system

慣組一體化工作原理為: 光纖慣組用于感測(cè)整個(gè)箭體三個(gè)軸向的角速度和視速度, 以數(shù)字脈沖形式發(fā)送給異構(gòu)計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行導(dǎo)航和姿態(tài)解算; 異構(gòu)計(jì)算機(jī)模塊可接收地面測(cè)發(fā)控指令并完成相應(yīng)控制, 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)控制; 電源模塊將彈上電池或地面電源轉(zhuǎn)換為一體化內(nèi)部各模塊使用的一次或二次電源; 時(shí)序控制模塊負(fù)責(zé)整箭的轉(zhuǎn)配電以及時(shí)序控制; 射頻調(diào)制模塊接收解算衛(wèi)星定位信號(hào)并發(fā)送至異構(gòu)計(jì)算機(jī)模塊, 由異構(gòu)計(jì)算機(jī)模塊完成組合導(dǎo)航解算; 上述功能模塊均通過(guò)VPX 背板連接, 完成供配電及信號(hào)收發(fā)功能。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)箭載軟件按組合導(dǎo)航、 飛行控制等功能分解、 合并, 按照數(shù)據(jù)流劃分為不同計(jì)算任務(wù),合并各單機(jī)核心處理器, 設(shè)計(jì)了基于“通信核+主控核+ 實(shí)時(shí)解算核” 多核單處理器架構(gòu)方式,采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)管理,實(shí)施搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制, 確保在單處理器架構(gòu)下高效、 協(xié)調(diào)地完成組合導(dǎo)航、 制導(dǎo)控制及伺服控制等功能。 該嵌入式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)序控制、在線迭代導(dǎo)航與制導(dǎo)實(shí)時(shí)解算, 確保了實(shí)時(shí)高可靠的運(yùn)行, 同時(shí)減少了各模塊處理器的數(shù)量, 提高了集成化水平。

軟件一體化設(shè)計(jì)可大幅減少軟件代碼, 減小部件間信息傳輸延遲, 提升系統(tǒng)性能。 慣組一體化系統(tǒng)中, 各功能模塊作為一體化軟件的不同任務(wù), 各功能模塊間信息采用軟件變量傳遞, 在目前高速處理器情況下幾乎無(wú)時(shí)間延遲。 而傳統(tǒng)分立系統(tǒng)各功能模塊間普遍采用數(shù)據(jù)總線傳遞信息,時(shí)間延遲較大。

1.4 集成設(shè)計(jì)

慣組一體化內(nèi)部各模塊電氣接口打破了傳統(tǒng)通信方式, 采用了符合VITA 標(biāo)準(zhǔn)的VPX 和DP2A 3U 型高集成連接方案, 實(shí)現(xiàn)了多路射頻接口、 時(shí)序信號(hào)、 高速差分、 1553B 總線、 高速以太網(wǎng)、0.1A ～30A 電流模擬信號(hào)的互聯(lián)和傳輸, 接口統(tǒng)一簡(jiǎn)單, 標(biāo)準(zhǔn)化程度大幅提高, 有利于整合箭上電纜網(wǎng)布局, 實(shí)現(xiàn)了通用化、 小型化。

2 慣組一體化關(guān)鍵設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

限于篇幅原因, 主要對(duì)慣組一體化、 光纖慣組及背板進(jìn)行闡述。

2.1 慣組一體化實(shí)現(xiàn)

慣組一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)外形圖如圖3 所示,各功能模塊連接示意圖如圖4 所示。 這種慣組一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)各功能模塊的高度集成,具有結(jié)構(gòu)緊湊、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)靈活等特點(diǎn), 各模塊采用VPX 通用總線, 方便更換和維修, 提高了產(chǎn)品集成度、 可靠性和測(cè)試性。 與傳統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品相比,可以有效降低控制系統(tǒng)體積、 質(zhì)量和設(shè)計(jì)成本,具有較好的應(yīng)用前景。

圖3 慣組一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of integrated IMU technology

圖4 慣組一體化產(chǎn)品各組成模塊連接示意圖Fig.4 Diagram of functional modules connection for integrated IMU products

2.2 光纖慣組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

光纖慣組主要由光纖陀螺儀、 石英撓性加速度計(jì)、 計(jì)算機(jī)電路、 I/F 轉(zhuǎn)換電路和臺(tái)體組成。 作為獨(dú)立功能模塊, 其通過(guò)總線形式與背板進(jìn)行電氣連接。 光纖慣組位于慣組一體化的中間位置,根據(jù)控制系統(tǒng)不同精度應(yīng)用需求, 選擇不同精度慣性儀表實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量、 導(dǎo)航和控制功能。 以中精度級(jí)別光纖慣組為例, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示, 具備定位基準(zhǔn)和定位插拔功能, 易于安裝和固定。

圖5 光纖慣組外形示意圖Fig.5 Diagram of optical fiber IMU

2.3 背板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

背板位于一體化機(jī)箱內(nèi)部, 用于電源和信號(hào)的對(duì)外轉(zhuǎn)接、 提供各功能模塊電源通路及各功能模塊間信號(hào)的互連。

背板具有八個(gè)功能槽位, 功能槽位在背板的布置如圖6 所示。 光纖慣組位于背板上方, 通過(guò)矩形電連接器與背板連接, 通過(guò)兩個(gè)射頻連接器實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的電氣接口。

圖6 背板插槽示意圖Fig.6 Diagram of backplane slot

根據(jù)VITA46 標(biāo)準(zhǔn), 在背板設(shè)置定位導(dǎo)銷, 相鄰導(dǎo)向銷安裝位置距離及邊界的導(dǎo)向銷安裝位置距離可以進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。 導(dǎo)向銷與安裝在該位置的功能模塊對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向座角度應(yīng)保持一致, 不同槽位對(duì)應(yīng)的定位導(dǎo)銷角度按照0°、 45°、 90°、 270°和315°五種角度進(jìn)行控制。

背板采用八槽互聯(lián)全網(wǎng)狀拓樸結(jié)構(gòu), 各模塊均包含交換器件, 模塊之間可以直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信, 背板與各功能模塊通過(guò)符合VPX 標(biāo)準(zhǔn)的連接器連接, 與后I/O 板采用四個(gè)相同的CRM 板間連接器, 各模塊之間采用高速串行以太網(wǎng)連接。

3 慣組一體化試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)運(yùn)載火箭的使用要求, 慣組一體化產(chǎn)品需要對(duì)其功能性能、 電氣接口、 可靠性、 環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證: 功能性能方面, 對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試, 結(jié)果滿足指標(biāo)要求; 電氣接口方面, 通過(guò)和運(yùn)載火箭匹配試驗(yàn), 驗(yàn)證接口協(xié)調(diào)正確; 可靠性驗(yàn)證主要針對(duì)慣組一體化產(chǎn)品半實(shí)物仿真試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明; 環(huán)境適應(yīng)性主要包括力學(xué)環(huán)境、 熱學(xué)環(huán)境和電磁兼容。 其中, 力學(xué)環(huán)境包含了環(huán)境應(yīng)力篩選、 例行試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn),主要通過(guò)對(duì)慣組一體化減振特性、 角振動(dòng)特性、沖擊響應(yīng)譜、 六自由度振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析;熱學(xué)環(huán)境則重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)集成一體化所帶來(lái)的熱問題進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證; 電磁兼容根據(jù)系統(tǒng)電磁環(huán)境條件進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 慣組一體化熱學(xué)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

慣組一體化設(shè)計(jì)以光纖慣組為核心, 其位于箱體中心, 周圍四個(gè)腔多個(gè)功能模塊勻布, 加之光纖慣組本身對(duì)溫度變化比較敏感, 因此光纖慣組應(yīng)用環(huán)境比較惡劣。 同時(shí), 運(yùn)載火箭實(shí)際地面發(fā)射準(zhǔn)備有常溫2h 熱待機(jī)的應(yīng)用工況, 并要求慣組一體化內(nèi)部光纖慣組內(nèi)臺(tái)體溫度不能大于45℃?；诖? 慣組一體化設(shè)計(jì)采用了復(fù)合熱控技術(shù),并對(duì)原理樣機(jī)在常溫2h 熱待機(jī)條件下的溫度特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)過(guò)程中, 將慣組一體化置于溫箱內(nèi), 在溫箱溫度達(dá)到25℃并保溫2h 后給慣組一體化通電, 對(duì)光纖慣組和機(jī)箱上的溫度測(cè)試點(diǎn)每5ms 進(jìn)行一次采樣, 通電時(shí)間為2h, 試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。 由圖7 可知, 光纖慣組內(nèi)臺(tái)體在常溫環(huán)境全載工作2h 后溫度達(dá)到了38.88℃, 小于45℃, 能夠滿足慣組一體化使用要求。

圖7 慣組一體化內(nèi)臺(tái)體溫度變化曲線Fig.7 Temperature variation curves of the inner-platform in the integrated IMU products

為了進(jìn)一步驗(yàn)證慣組一體化產(chǎn)品熱學(xué)特性,在常溫下對(duì)光纖慣組（慣組一體化原理樣機(jī)中的光纖慣組內(nèi)臺(tái)體） 進(jìn)行了2h 通電試驗(yàn)驗(yàn)證, 結(jié)果如圖8 所示。 由圖8 可知, 光纖慣組溫度變化曲線與圖7 慣組一體化中光纖慣組內(nèi)臺(tái)體溫度變化曲線一致, 通電2h 后產(chǎn)品內(nèi)部溫度值不大于31℃, 與圖7 慣組一體化內(nèi)臺(tái)體溫度變化相當(dāng), 驗(yàn)證了慣組一體化熱學(xué)設(shè)計(jì)的合理性。 同時(shí), 對(duì)光纖慣組精度和慣組一體化產(chǎn)品精度進(jìn)行了對(duì)比分析, 結(jié)果如表1 所示。 通過(guò)表1 可以看出, 二者精度相當(dāng),進(jìn)一步驗(yàn)證了慣組一體化系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 光纖慣組內(nèi)臺(tái)體溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curves of the inner-platform in the optical fiber IMU

表1 光纖慣組和慣組一體化產(chǎn)品精度對(duì)比Table 1 Accuracy comparison of optical fiber IMU and integrated IMU products

3.2 慣組一體化減振設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

以三套產(chǎn)品線振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果為例, 慣組一體化產(chǎn)品減振特性試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 通過(guò)表2 可以看出, 慣組一體化產(chǎn)品減振特性能夠滿足系統(tǒng)減振器指標(biāo)要求值。

表2 慣組一體化產(chǎn)品減振特性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of vibration reduction characteristics for integrated IMU products

3.3 慣組一體化角振動(dòng)特性試驗(yàn)驗(yàn)證

為滿足使用要求, 慣組一體化產(chǎn)品采用帶阻和低通級(jí)聯(lián)的多階IIR 濾波器技術(shù), 進(jìn)一步提高了姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。 慣組一體化產(chǎn)品角頻率特性如圖9 ～圖11 所示, 可以看出, 慣組一體化產(chǎn)品的幅頻和相頻特性滿足任務(wù)技術(shù)指標(biāo)要求, 證明了慣組一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的正確性。

圖9 X 方向角振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of X-direction angular vibration

圖10 Y 方向角振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of Y-direction angular vibration

圖11 Z 方向角振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test results of Z-direction angular vibration

3.4 慣組一體化沖擊響應(yīng)譜特性試驗(yàn)驗(yàn)證

在運(yùn)載火箭實(shí)際飛行時(shí), 慣組一體化產(chǎn)品內(nèi)部光纖慣組安裝處X向需承受12000g大量級(jí)沖擊加速度。 分析慣組一體化內(nèi)部光纖慣組承受沖擊響應(yīng)譜特性, 對(duì)光纖慣組比較敏感的石英撓性加速度計(jì)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)分析, 結(jié)果如圖12 所示。仿真結(jié)果表明,X向加速度計(jì)安裝處響應(yīng)量級(jí)為81.00g, 小于加速度計(jì)能夠承受的最大量級(jí)。 對(duì)慣組一體化產(chǎn)品進(jìn)行了沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn), 結(jié)果如圖13 所示,X向加速度計(jì)安裝處響應(yīng)量級(jí)為68g,與仿真分析基本一致, 試驗(yàn)過(guò)程中慣組一體化產(chǎn)品性能穩(wěn)定, 滿足實(shí)際使用要求。

圖12 X 向沖擊響應(yīng)譜仿真圖Fig.12 Simulation of X-direction shock response spectrum

圖13 X 向沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Test results of X-direction shock response spectrum

3.5 慣組一體化六自由度試驗(yàn)驗(yàn)證

為考核慣組一體化在六自由度振動(dòng)環(huán)境下的導(dǎo)航精度, 按照六自由度試驗(yàn)條件對(duì)慣組一體化產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證, 結(jié)果如表3 所示。 通過(guò)表3 可以看出, 慣組一體化產(chǎn)品能夠滿足使用要求。

表3 慣組一體化產(chǎn)品六自由度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of 6-DOF for integrated IMU products

3.6 慣組一體化電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中的電磁環(huán)境, 開展了電磁兼容試驗(yàn), 試驗(yàn)項(xiàng)目如表4 所示。 電磁兼容試驗(yàn)的順利通過(guò), 表明了慣組一體化電磁兼容設(shè)計(jì)的合理性。

表4 慣組一體化電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目Table 4 Test lists of EMC for integrated IMU products

3.7 慣組一體化半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)慣組一體化產(chǎn)品開展了半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,光纖慣組內(nèi)臺(tái)體溫度特性仿真結(jié)果如圖14 所示, 溫度特性與3.1 節(jié)結(jié)果一致。 同時(shí), 慣組一體化產(chǎn)品仿真結(jié)果如圖15 所示, 該數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明了慣組一體化設(shè)計(jì)方法可以適應(yīng)運(yùn)載火箭實(shí)際使用要求。

圖14 慣組一體化內(nèi)臺(tái)體溫度半實(shí)物仿真曲線Fig.14 Temperature semi-physical simulation curves of the inner-platform in the integrated IMU products

圖15 慣組一體化半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)Fig.15 Semi-physical simulation data of the integrated IMU products

3.8 慣組一體化試驗(yàn)合理性分析

根據(jù)運(yùn)載火箭的使用要求, 開展了慣組一體化產(chǎn)品系列地面試驗(yàn)驗(yàn)證, 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,慣組一體化產(chǎn)品能夠覆蓋運(yùn)載火箭實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要求, 試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。 具體試驗(yàn)項(xiàng)目及滿足情況如表5 所示。

4 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭對(duì)控制系統(tǒng)電氣設(shè)備提出的輕質(zhì)化、 智能化和集成一體化的發(fā)展要求, 本文提出了一種基于VPX 架構(gòu)的光纖慣組系統(tǒng)集成一體化設(shè)計(jì)方法。 該方法以光纖慣組為中心模塊, 其余多個(gè)功能模塊四周腔體內(nèi)勻布, 各標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立功能模塊采用VPX 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 通過(guò)多項(xiàng)地面試驗(yàn), 驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法可以滿足控制系統(tǒng)應(yīng)用需求, 亦具有高集成、 小體積、 低成本、 標(biāo)準(zhǔn)化、 通用性強(qiáng)的特點(diǎn), 相同功能的產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比較, 可以降低35%。 結(jié)果表明: 該技術(shù)為控制系統(tǒng)單機(jī)一體化設(shè)計(jì)提供了新思路和新方法, 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。