基于国产器件的小型化弹道惯性测量装置

谢秋辰 刘伟钊 李蓉

摘要 针对目前惯性器件封装体积大制约其在炮弹自主弹道测量系统应用的问题，设计了基于国产器件的小型化弹道惯性测量装置。将国产压阻式加速度传感器、国产微机械陀螺仪、接口电路及12通道弹载记录器集成为六面结构体，实现惯性测量装置体积减小到20 cm³。转台实验及炮射试验证明，在10分钟的实验周期内该小型化惯性测量装置姿态角速度输出误差为0.5%。

【关键词】常规弹药 自主弹道测量 惯性测量装置 小型化 国产器件

精确打击已经成为现代战争的基本打击方式，制导弹药已经成为现代弹药的发展趋势，非制导弹药也在朝着精确打击的方向发展。通过对现存常规非制导弹药进行改造，对于提升常规弹药精确打击效果具有重要的军事意义和现实的经济意义。惯性测量组合是一种不依赖任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，利用加速度传感器和陀螺仪构成惯性测量装置作为信息探测单元，应用于常规弹药的自主弹道测量系统，对于提高常规弹药打击精度具有重要意义。

目前惯性测量装置的信号检测、处理、数据存储、控制模块及计算机接口的技术比较成熟，对于软件设计技术、精度分析也展开了研究。目前惯性测量装置多采用ADXL系列加速度传感器、MPU6050等国外器件，对于实现常规弹药制导化具有不利影响。常规弹药受其体积限制要求惯性测量装置小型化要求很高，目前对于常规弹药制导化改造所要求的惯性测量装置小型化设计关注较少。如何基于国产惯性器件实现惯性测量装置小型化设计，成为目前对常规弹药制导化研究的难题。本文针对目前惯性器件封装体积大制约其在常规弹药自主弹道测量系统中应用的问题，设计了基于国产器件的小型化弹道惯性测量装置。

1 国产器件和常规弹药用惯性测量装置

1.1 国产器件

应用于常规弹药的弹道惯性测量装置，具有抗高过载、体积小、高精度、低成本、温度范围广等特殊要求。受弹内空间限制，常规弹药对于惯性器件的体积有苛刻的要求。目前国产惯性器件分为战术级、速率级。战术级国产惯性器件包括六自由度惯性测量装置、三轴器件、单轴器件。

战术级六自由度惯性测量装置，采用微机械陀螺仪和加速度计，加速度计量程±lOg，陀螺仪量程±3000/s，全密封设计，集成后的体积为l800cm³。战术级三轴陀螺仪，量程±300°/s，体积l5cm³，全密封设计，抗过载lOOOOg。

小体积国产单轴加速度传感器和国产陀螺仪则种类较多，国产单轴微机械陀螺仪零偏≯10° m，量程大于300°/s，抗过载能力2000g，体积≯1Cffl3，单轴加速度计量程土10g，体积≯1cm³，抗过载能力20000g，工作温度-40～85℃，在体积、抗过載、量程、温度己满足战术级武器应用。

小体积战术级国产惯性器件大多为单轴器件，集成化程度低，需采用多个单轴器件组合为六自由度惯性测量装置。集成化程度较高的三轴器件，需采用加速度计、接口电路组合为惯性测量装置，组合后体积将更大，只应用于大口径火炮炮弹中，难以大量应用于各式口径火炮炮弹。

大量应用于民用无人机的小体积单片六自由度速率级惯性器件，抗过载能力低，精度差，难以应用于常规弹药。

1.2 常规弹药用惯性测量装置

常规弹药用惯性测量装置由加速度计和陀螺仪构成，获得运动物体的综合惯性测量参数，实时提供包含运动物体姿态和位置信息的六个独立惯性参数信息给惯性制导系统。

常规弹药用惯性测量装置设计是采用单轴加速度计、单轴陀螺，焊接到印刷电路板，再将各个电路板按照一定的组合方式集成，设计原理图如图1所示。这种设计方式可以将惯性器件、接口电路集成，功能扩展性强。但是各种器件集成后的的系统往往体积过大，必须研究小体积集成封装技术，才能将其应用于炮弹中。

惯性测量装置由3个陀螺仪和3个加速度计分别安装在运动载体3个正交面上，敏感轴两两相互正交，分别测量3个方向的加速度a_x、ay^y、a^z与角速度ω_x、ω_y、ω_z。目前惯性测量装置的空间结构如图2所示的三面体正交安装结构。3个陀螺仪在空间上尽量靠拢，其敏感轴相互垂直且正交与一点，3个加速度计安装方式与陀螺类似，敏感轴方向与对应的陀螺敏感轴方向一致。

2 基于国产器件的小型化弹道惯性测量装置

小型化弹道惯性测量装置设计原理见图3。与图1相比，小型化惯性测量装置同样包括惯性器件和接口电路。不同之处在于，图l中的常规弹药用惯性测量装置是作为惯性导航控制的参数测量器件，获取和调理的数据，输入导航计算机的数据解算模块进行解算。而图3中把接口电路和弹载记录器集成在惯性测量装置，可作为独立完成弹道测量功能的部件，应用于常规弹药。

为了减小体积，首先将三面体结构改装为六面体结构，分别将6个惯性器件表面贴装到六个面，顶面、前面、左侧面分别安装三个陀螺仪，底面、后面、右侧面分别安装三个加速度传感器。六面结构体相互支撑，六面结构体中部安装12通道高精度记录器，缩小电路板体积的同时提高了电路板结构稳定性，实现电路板的高度集成。电路板中的各惯性器件可进行替换，使惯性测量装置具有结构高度集成、功能可拓展的特点。最终完成的惯性测量装置为结构体单面为2.8cm的立方体，体积为22cm3。惯性测量装置的安装结构如图4所示。

小型化弹道惯性测量装置选用国产单轴惯性器件，体积小、抗高过载，量程大。国外战术级惯性测量装置将多个惯性器件封装为单片六自由度芯片，在使用过程中需根据芯片性能指标设计接口电路，集成后的结构体单面结构在2cm以上，与基于国产器件的小型化惯性测量装置体积相当。

为了提高抗过载能力，从器件、电路结构、系统三方面对惯性测量装置采取缓冲加固措施。采用小体积、低功耗、抗过载能力强的电子元器件，简化电路设计减小电路体积，同时可为灌封材料留出更多空间。对惯性器件的安装采用六面体结构设计，同时中部集成弹载记录器，六面体相互支撑提高结构稳定性。采用侵彻引信用灌封材料对惯性测量装置六面体结构进行封装，在该惯性测量装置安装在测试体后进行二次封装，使得二次封装后的惯性测量装置系统能经受试验过程中高过载冲击。

集成在惯性测量装置中的记录器可实时存储2个六自由度惯性测量装置同步输出的12通道数据，记录时间为10分钟，采样率250KHz。陀螺仪输出载体坐标系三个坐标轴方向的角速度值，加速度传感器输出沿载体坐标系三个坐标轴方向的加速度值，采集的信号经过调理，通过信号控制模块，经数据融合最终存储到记录器，为进一步的姿态解算提供支持。

3 实验验证

本节利用三轴转台，对小型化弹道惯性测量装置测量数据的准确性进行了实验验证。将惯性测量装置和测试电源安装在三轴转台夹具上，并将夹具固定。在转台实验控制计算机上设置转动角速度。转台启动的同时接通惯性测量装置电源开关，弹载记录器实时存储加速度计和陀螺仪数据，在完成一次测试后利用计算机读取实验数据，对实验数据利用MATLAB进行仿真分析。记录器可进行多次数据读取和擦除操作，实现重复使用。转台实验现场如图5所示。

为了检验惯性测量装置的性能，对惯性测量装置的三个陀螺分别进行转台实验，每次实验的时间为10分钟。惯性测量装置的滚转轴按照每秒0°～+l00°～O°～ -100°～0°～+200°～0°～-200°～0°～+300°～0°～ -300°～O°的角速度变化进行转台实验，每次转动60s，停顿20s。俯仰轴和方位轴按照每秒0°～+50°～0°～-50°～O°～+100°～0°～ -100°～0°～+300°～0°～-300°～O°的角速度变化进行了转台实验，每次转动40s，停顿20s。实验结果如图6所示。

对三个轴进行转台测试的姿态角输出数据进行统计和分析，结果见表1。

通过表1可以看到，姿态角输出均值和设定转速有0.5%的差值，说明在转台实验中陀螺基线漂移。陀螺的灵敏度变大，导致计算的姿态角输出与输入形成误差。在各个姿态角不同转速的转台实验中，姿态角输出信号叠加了0.75±0.1°的随机噪声。由于滚转轴在每个转速下的持续时间为60s，而其它两个轴在每个转速下的持续时间为40s。通过对滚转轴和其他两个轴的姿态角输出随机噪声对比发现，随机噪声并未随着时间的延长而显著增大。说明小型化惯性测量装置姿态角的漂移和随机噪声与姿态角输出具有规律性的量值关系，可通过误差补偿对该量值进行修正，使该小型化惯性测量装置具备更高的精度。转台实验验证了该小型化惯性测量装置可以完整记录弹体飞行程中的弹道参数。

4 结论

本文设计了基于国产器件的小型化弹道惯性测量装置。将国产压阻式加速度传感器、国产微机械陀螺仪、接口电路及12通道弹载记录器集成为六面结构体，实现惯性测量装置体积减小到lOcff13。转台实验及炮射试验证明，在10分钟的实验周期内该小型化惯性测量装置姿态角速度输出误差为0.5%。下一步拟对小型化弹道解算系统进行研究，为实现常规弹药自主弹道测量提供支持。

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