飛機(jī)要在空中完成對目標(biāo)的探測和跟蹤任務(wù)，需要一個機(jī)載的平臺和搭載一個在該平臺上有探測設(shè)備組成的集成系統(tǒng)，在硬件表現(xiàn)形式上稱之為“吊艙”， 廣泛應(yīng)用于運(yùn)動飛機(jī)火力控制系統(tǒng)、光電偵查系統(tǒng)中。根據(jù)內(nèi)置設(shè)備的功能，機(jī)載吊艙可以分為導(dǎo)航吊艙、瞄準(zhǔn)吊艙、紅外測量吊艙、電子干擾吊艙及電子情報吊艙等。
機(jī)載光電吊艙近10年來在國外發(fā)展很快，特別是在偵察告警、目標(biāo)指示、控制瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航跟蹤等方面得到廣泛地重視。目前機(jī)載吊艙除用于武裝偵察直升機(jī)、無人偵察機(jī)外，還可用于目標(biāo)特性測量、光電制導(dǎo)武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環(huán)保監(jiān)測等民用方面也有廣泛的應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)在機(jī)載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)運(yùn)動的目標(biāo)，這就必須建立陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的作用就是快速而準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)，隔離載體的搖擺。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)框圖
吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)通常采用雙軸陀螺穩(wěn)定平臺方案，結(jié)構(gòu)示意如圖2。其中主體儀器是兩軸支撐的常平架結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)(俯仰環(huán))用于安裝光電載荷，外環(huán)(方位環(huán))垂直安裝在基座上。兩環(huán)的轉(zhuǎn)動軸正交，外環(huán)可作360°連續(xù)轉(zhuǎn)動。兩環(huán)上分別安裝一只單自由度陀螺儀，通過鎖定回路構(gòu)成速率陀螺，用以測量兩環(huán)軸的轉(zhuǎn)動角速度。光電載荷安裝在穩(wěn)定平臺上，通過陀螺穩(wěn)定平臺隔離載機(jī)的振動，獲得相對慣性空間穩(wěn)定的平臺空間，并且在控制指令的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)光電載荷對目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是空間穩(wěn)定，二是能夠跟蹤目標(biāo)。
圖2 雙軸陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖
MEMS(mi-cro-electro-mechanical system)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)，它將微型機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了以微型化、集成化和電子化為主要特征的微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS陀螺就是一種典型的微機(jī)電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械，激光以及光纖陀螺相比，MEMS 陀螺因其體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、瞬間啟動及抗沖擊力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合新型吊艙穩(wěn)定平臺的使用。
作為伺服穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的速度環(huán)敏感器件，MEMS陀螺感受載體在慣性空間的擾動量，并輸出與角速度成比例的電壓信號，通過控制器輸出驅(qū)動電機(jī)對框架施加一個與擾動力矩大小相等、方向相反的平衡力矩，使系統(tǒng)隔離載體在慣性空間的擾動。同時，速度環(huán)反饋控制能夠提高系統(tǒng)位置環(huán)響應(yīng)的頻帶，增加位置環(huán)響應(yīng)的快速性，從而實(shí)現(xiàn)光電探測器或成像系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速跟蹤。為使MEMS陀螺獲得更好的應(yīng)用，通過采用對陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償、噪聲抑制、信號濾波等系統(tǒng)控制技術(shù)，可以使采用MEMS陀螺作為速度反饋器件的光電穩(wěn)定跟蹤平臺獲得更高精度。
西安中星測控有限公司自行研制生產(chǎn)的CS-ARS-12、CS-ARS-14高精度系列MEMS角速率陀螺儀，采用壓電石英材料做成敏感元件，性能穩(wěn)定、使用壽命長，精度可滿足戰(zhàn)術(shù)級武器系統(tǒng)使用，目前廣泛應(yīng)用于慣性測量裝置、高可靠性的汽車電子、導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制、飛行器穩(wěn)定控制、天線穩(wěn)定、攝像、數(shù)碼攝影、機(jī)器人等系統(tǒng)。
