Trägheitsnavigationslösung aus Glasfaser in der Luft

Ein hochpräzises Navigationssystem ist die Kernausrüstung der Flugzeugnavigationssteuerung und des präzisen Angriffs seines Waffensystems.Zu den gängigen Systemen gehören Plattform- und Strapdown-Systeme. Mit der Entwicklung der Strapdown-Trägheitstechnologie und des optischen Kreisels wurde Strapdown mit seinen Vorteilen hoher Zuverlässigkeit, geringem Gewicht und geringer Größe, geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten weit verbreitet in der Luft eingesetzt^[1-4]Derzeit ist das luftgestützte Strapdown-Navigationssystem eine Kombination aus einem Laser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem und einem Glasfaser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem. Darunter das LN-100G von Northrop Grumman, das Laser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem H-764G von Honeywell und die LN-251-Faser von Northrop Grumman Optische Gyro-Strapdown-Navigationssysteme sind in der amerikanischen Kampfflugzeugflotte weit verbreitet^[1]Die Northrop Grumman Company entwickelte das LN-251-Navigationssystem für Hubschrauber mit dem wichtigen Symbol des hochpräzisen Glasfaserkreisels und entwickelte anschließend das LN-260 zur Anpassung an die Flugzeugnavigation. Das LN-260 wurde von der US Air Force für das ausgewählt Avionik-Upgrade der multinationalen F-16-Kampfflugzeugflotte. Vor dem Einsatz wurde das LN-260-System getestet, um eine Positionsgenauigkeit von 0,49 Seemeilen (CEP), einen Geschwindigkeitsfehler in Richtung Norden von 1,86 Fuß/s (RMS) und einen zu erreichen Geschwindigkeitsfehler in östlicher Richtung von 2,43 Fuß/s (RMS) in einer hochdynamischen Umgebung. Daher kann das optische Strapdown-Trägheitsnavigationssystem die betrieblichen Anforderungen des Flugzeugs in Bezug auf Navigations- und Führungsfähigkeit vollständig erfüllen^[1].

Im Vergleich zum Laser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem bietet das Glasfaser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem die folgenden Vorteile: 1) Es benötigt keinen mechanischen Jitter, vereinfacht die Systemstruktur und die Komplexität des Vibrationsreduzierungsdesigns, reduziert das Gewicht und den Stromverbrauch und verbessert die Zuverlässigkeit des Navigationssystems;2) Das Präzisionsspektrum des faseroptischen Kreisels deckt die taktische Ebene bis zur strategischen Ebene ab, und das entsprechende Navigationssystem kann auch ein entsprechendes Navigationssystemspektrum bilden, das alles vom Lagesystem bis zum Navigationssystem für Langstrecken- und Langstrecken-Navigationssysteme abdeckt. Langstreckenflugzeug;3) Das Volumen des faseroptischen Gyroskops hängt direkt von der Größe des Faserrings ab.Mit der ausgereiften Anwendung von Fasern mit feinem Durchmesser wird das Volumen von faseroptischen Gyroskopen mit der gleichen Genauigkeit immer kleiner, und die Entwicklung von Licht und Miniaturisierung ist ein unvermeidlicher Trend.

Gesamtdesignschema

Das luftgestützte Glasfaser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem berücksichtigt die Systemwärmeableitung und die fotoelektrische Trennung vollständig und übernimmt das „Drei-Hohlraum“-Schema^[6,7], einschließlich IMU-Hohlraum, elektronischer Hohlraum und sekundärer Leistungshohlraum.Der IMU-Hohlraum besteht aus der IMU-Körperstruktur, einem Sensorring aus optischen Fasern und einem flexiblen Quarz-Beschleunigungsmesser (Quarz plus Messgerät). Der elektronische Hohlraum besteht aus einer fotoelektrischen Kreiselbox, einer Zählerumwandlungsplatine, einem Navigationscomputer und einer Schnittstellenplatine sowie einer Hygieneanleitung Platine; Der sekundäre Energiehohlraum besteht aus einem verpackten sekundären Energiemodul, einem EMI-Filter und einem Lade-Entlade-Kondensator. Die fotoelektrische Gyro-Box und der optische Faserring im IMU-Hohlraum bilden zusammen die Gyro-Komponente sowie den flexiblen Quarz-Beschleunigungsmesser und die Messgerätumwandlungsplatte bilden zusammen die Beschleunigungsmesserkomponente^[8].

Das Gesamtkonzept betont die Trennung der fotoelektrischen Komponenten und den modularen Aufbau jeder Komponente sowie den separaten Aufbau des optischen Systems und des Schaltungssystems, um die Gesamtwärmeableitung und die Unterdrückung von Querinterferenzen sicherzustellen. Um die Debugbarkeit und Montagetechnologie von zu verbessern Beim Produkt werden Steckverbinder verwendet, um die Leiterplatten in der Elektronikkammer zu verbinden, und der optische Faserring und der Beschleunigungsmesser in der IMU-Kammer werden jeweils debuggt.Nach der Bildung der IMU erfolgt die gesamte Montage.

 Die Leiterplatte im elektronischen Hohlraum ist die Gyro-Fotobox von oben nach unten, einschließlich der Gyro-Lichtquelle, des Detektors und der Frontentladungsschaltung; die Tischumwandlungsplatine vervollständigt hauptsächlich die Umwandlung des Beschleunigungsmesser-Stromsignals in das digitale Signal; Navigationslösung und Die Schnittstellenschaltung umfasst eine Schnittstellenplatine und eine Navigationslösungsplatine. Die Schnittstellenplatine vervollständigt hauptsächlich die synchrone Erfassung von Mehrkanal-Trägheitsgerätedaten, die Interaktion mit der Stromversorgung und die externe Kommunikation. Die Navigationslösungsplatine vervollständigt hauptsächlich die reine Trägheitsnavigation und die integrierte Navigationslösung. Die Führungsplatine vervollständigt hauptsächlich die Satellitennavigation und sendet die Informationen an die Navigationslösungsplatine und die Schnittstellenplatine, um die integrierte Navigation abzuschließen. Die sekundäre Stromversorgung und die Schnittstellenschaltung werden über den Stecker verbunden, und die Leiterplatte wird über den Stecker angeschlossen.

Schlüsseltechnologien

1. Integriertes Designschema

Das luftgestützte faseroptische Gyro-Navigationssystem realisiert die Bewegungserkennung des Flugzeugs mit sechs Freiheitsgraden durch die Integration mehrerer Sensoren. Für ein hochintegriertes Design können ein dreiachsiger Gyro und ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser in Betracht gezogen werden, um den Stromverbrauch, das Volumen und das Gewicht zu reduzieren. Für die Glasfaser Bei der Kreiselkomponente kann die Lichtquelle gemeinsam genutzt werden, um das dreiachsige Integrationsdesign auszuführen. Für die Beschleunigungsmesserkomponente wird im Allgemeinen ein flexibler Quarzbeschleunigungsmesser verwendet, und die Umwandlungsschaltung kann nur auf drei Arten entworfen werden. Es gibt auch das Problem der Zeit Synchronisation bei der Multisensor-Datenerfassung.Bei einer hochdynamischen Lageaktualisierung kann die Zeitkonsistenz die Genauigkeit der Lageaktualisierung sicherstellen.

2. Design der photoelektrischen Trennung

Der faseroptische Kreisel ist ein faseroptischer Sensor, der auf dem Sagnac-Effekt zur Messung der Winkelgeschwindigkeit basiert. Unter diesen ist der Faserring die Schlüsselkomponente der empfindlichen Winkelgeschwindigkeit des Faserkreisels.Es ist um mehrere hundert Meter bis mehrere tausend Meter Faser gewickelt. Wenn sich das Temperaturfeld des optischen Faserrings ändert, ändert sich die Temperatur an jedem Punkt des optischen Faserrings mit der Zeit, und die beiden Lichtwellenstrahlen passieren den Punkt Zu unterschiedlichen Zeiten (mit Ausnahme des Mittelpunkts der Glasfaserspule) erfahren sie unterschiedliche optische Wege, was zu einer Phasendifferenz führt. Diese nichtreziproke Phasenverschiebung ist nicht von der durch Rotation verursachten Sagneke-Phasenverschiebung zu unterscheiden.Um die Temperatur zu verbessern Um die Leistung des faseroptischen Gyroskops zu gewährleisten, muss die Kernkomponente des Gyroskops, der Faserring, von der Wärmequelle ferngehalten werden.

Beim photoelektrischen integrierten Gyroskop befinden sich die photoelektrischen Geräte und Leiterplatten des Gyroskops in der Nähe des optischen Faserrings.Wenn der Sensor arbeitet, steigt die Temperatur des Geräts selbst bis zu einem gewissen Grad an und beeinflusst den Lichtwellenleiterring durch Strahlung und Leitung. Um den Einfluss der Temperatur auf den Lichtwellenleiterring zu lösen, verwendet das System eine fotoelektrische Trennung von Das optische Fasergyroskop, einschließlich optischer Pfadstruktur und Schaltungsstruktur, zwei Arten der strukturunabhängigen Trennung zwischen der Faser und der Wellenleiterleitungsverbindung. Vermeiden Sie, dass die Wärme von der Lichtquellenbox die Wärmeübertragungsempfindlichkeit der Faser beeinträchtigt.

3. Design zur Selbsterkennung beim Einschalten

Das Glasfaser-Gyro-Strapdown-Navigationssystem muss über eine Selbsttestfunktion für die elektrische Leistung am Trägheitsgerät verfügen. Da das Navigationssystem eine reine Strapdown-Installation ohne Transpositionsmechanismus übernimmt, wird der Selbsttest von Trägheitsgeräten durch statische Messung in zwei Teilen abgeschlossen, nämlich , Selbsttest auf Geräteebene und Selbsttest auf Systemebene, ohne externe Transpositionsanregung.

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