CN103697881A - 一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，特别用于航天器导航、制导与控制的长寿命、高可靠，冗余惯性测量装置，属于惯性测量技术领域。包括三轴正交一轴斜置的本体结构；本体内包含了四只光纤陀螺仪，两份信号处理与接口电路、两份二次电源电路。本发明的两份信号处理与接口电路，互为冗余；两份二次电源电路，互为冗余。可靠性高；在轨使用时，当其中任意不多于一个轴或一个通道发生故障时，依然能够提供三轴姿态角速度，实现冗余配置，保证产品功能正常。

Description

一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置

技术领域

本发明涉及一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，特别涉及一种用于航天器导航、制导与控制的小型化、高可靠、多表冗余光纤陀螺惯测装置，属于惯性测量技术领域。

背景技术

光纤陀螺仪是一种全固态惯性仪表，它具有传统机电仪表所不具备的优点。它是由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺仪，没有任何运动部件。光纤陀螺仪正是以其原理和结构上的优点，使其在许多应用领域具有明显的优势，尤其是在对产品可靠性和寿命要求很高的航天器上，其主要特点表现在以下几个方面：（1）全固态：光纤陀螺仪的部件都是固态的，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；（2）长寿命：光纤陀螺仪所用的关键光学器件都可满足空间应用长寿命要求；（3）高可靠性：光纤陀螺仪结构设计灵活，生产工艺相对简单，可方便地对其进行电路的冗余设计，或者采用冗余陀螺仪构成惯性测量系统，这样可以提高系统的可靠性。

现有技术中光纤陀螺惯测装置多采用三轴方案，这样就可以测量航天器三轴相对于惯性空间的姿态，但此方案一个轴发生故障时均不能提供三轴相对于惯性空间的姿态，可靠性较差，无法实现系统重构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种冗余构型的四轴光纤陀螺惯测装置。保证产品高可靠性，满足长寿命、高可靠性航天器的需求。

本发明的技术解决方案是：一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，其特征在于包括：主份二次电源(1)、主份信号处理与接口电路(2)、X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)、S光纤陀螺仪(6)、备份二次电源(7)、备份信号处理与接口电路（8)，本体结构件（9）；X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)三只正交，S光纤陀螺仪(6)与X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)之间的夹角均为θ，θ=54°±0.1°，四只光纤陀螺仪用于敏感角速度信息并输出；主份二次电源(1)与备份二次电源(7)互为冷备份，用于给四只光纤陀螺仪和信号处理与接口电路供电，当某份二次电源出现故障时，可以切换至另外一份，仍然保证产品功能正常；主份信号处理与接口电路(2)与备份信号处理与接口电路(8)也为冷备份，用于接收和处理光纤陀螺仪输出数据，当某份信号处理与接口电路出现故障时，可以切换另外一份，仍然保证产品功能正常。

所述四只光纤陀螺仪电路均使用ASIC芯片为控制核心单元，该ASIC芯片包括：复位接口模块，完成各寄存器复位；串口模块，通过串口实现陀螺控制所需的参数配置；闭环控制模块，完成光纤陀螺的数字闭环控制功能；输出接口模块，完成陀螺仪角速度信号输出。光纤陀螺仪内使用裸管探测器，检测光源的光功率，并将光功率信息输出；光纤陀螺仪内采用了两路铂电阻作为温度传感器，其中一只铂电阻粘贴于光纤环，检测光纤环温度并输出；一路粘贴于光纤陀螺电路板，检测陀螺仪电路板温度并输出；

所述两份信号处理与接口电路均采用“单片机+ASIC”芯片为控制核心单元，抗辐照能力达到100krad(si)，该ASIC芯片包括：复位接口模块，响应复位请求，完成单片机复位功能；单片机通信接口模块，完成与单片机数据交互功能；可配置分频模块，产生可配置频率的时钟信号；陀螺脉冲计数接口模块，完成4路光纤陀螺仪脉冲计数；模拟量数据采集模块，完成16路模拟量数据采集及模拟开关的时序选通功能；中断管理模块，完成中断管理功能；看门狗模块，完成看门狗定时器功能；32个字节FIFO串口模块，完成角速度、温度和光功率信息的输出；16个字节FIFO串口模块，完成地检数据接收功能。

所述的光纤陀螺惯测装置可靠度R（t）采用下式确定： $R\left(t\right)=e^{-({\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3)t}(1+R_D({\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3)t)*({4e}^{-3{\mathrm{\λ}}_{1}t}-{3e}^{-4{\mathrm{\λ}}_{1}t}).$ λ₁为一只光纤陀螺仪失效率；λ₂为单份信号处理与接口电路失效率；λ₃为单份二次电源电路失效率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明与现有的三轴光纤陀螺惯测装置方案相比，将惯性测量装置内的光纤陀螺仪、二次电源、信号处理与接口电路均进行了冗余化设计：当某只光纤陀螺仪故障时，不影响装置功能；某份二次电源或信号处理与接口电路故障时，通过切换至另外一份二次电源或信号处理与接口电路，仍能保证装置的功能，从而整体提高了装置的可靠性；

（2）光纤陀螺仪内采用了两路温度传感器监测光纤陀螺仪内部温度，采用裸管探测器监测光纤陀螺仪光源的光功率，以上措施均能用于判断陀螺仪健康状态，提高装置的可靠性；

（3）现有的技术采用了FPGA芯片实现高速通讯方案，本发明采用ASIC芯片作为核心控制单元，ASIC芯片为国产器件，抗辐照能力达到100krad(si)，目前抗辐照能力高的FPGA芯片禁运，无法获得。因此，使用ASIC芯片提高了装置可靠性。

附图说明

图1为本发明的组成原理框图；

图2为光纤陀螺仪原理框图；

图3为信号处理与接口电路原理框图；

图4为二次电源电路原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明光纤陀螺惯测装置主份二次电源1、主份信号处理与接口电路2、X光纤陀螺仪3、Y光纤陀螺仪4、Z光纤陀螺仪5、S光纤陀螺仪6、备份二次电源7、备份信号处理与接口电路8，本体结构件9；X光纤陀螺仪3、Y光纤陀螺仪4、Z光纤陀螺仪5三只正交，S光纤陀螺仪6与X光纤陀螺仪3、Y光纤陀螺仪4、Z光纤陀螺仪5之间的夹角均为θ，θ=54.74°，四只光纤陀螺仪用于敏感角速度信息并输出；主份二次电源1与备份二次电源7互为冷备份，用于给四只光纤陀螺仪和信号处理与接口电路供电，当某份二次电源出现故障时，可以切换至另外一份，仍然保证产品功能正常；主份信号处理与接口电路2与备份信号处理与接口电路8也为冷备份，用于接收和处理光纤陀螺仪输出数据，当某份信号处理与接口电路出现故障时，可以切换另外一份，仍然保证产品功能正常;

上述4只光纤陀螺仪的外形均为一直径为108mm，高为54mm的圆柱体，圆柱体采用铁镍合金材料，在圆柱体内部有光路部分和电路部分，如图2所示，其中光路部分包括光源、耦合器、Y波导、光纤环和探测器；光源为波长为1310nm的SLD光源，耦合器为单模光纤耦合器，光纤环采用单模保偏光纤，长度为2218m，绕制方法采用四极对称绕制方法，光纤陀螺仪使用裸管探测器，连接在耦合器的空头端，监测SLD光源的光功率；电路部分由AD转换芯片、DA转换芯片、ASIC芯片组成，电路部分采用ASIC芯片作为核心控制单元，由探测器将光信号转换为电压模拟信号，经过AD芯片转换为数字信号，ASIC芯片串口模块采集该数字信号再传输给闭环控制模块，然后通过ASIC芯片的输出接口模块输出，输出数字信号经过DA芯片转换为电压模拟信号用以控制Y波导电压输入，实现光纤陀螺仪闭环控制。光纤陀螺仪内采用了两只铂电阻作为温度传感器，其中一只铂电阻粘贴于光纤环，检测光纤环温度并输出；一路粘贴于光纤陀螺电路板，检测陀螺仪电路板温度并输出。

如图3所示，上述两份信号处理与接口电路均采用“单片机+ASIC”芯片为控制核心单元，抗辐照能力达到100krad(si)，信号处理与接口电路部分包括EEPROM/PROM、ASIC芯片。该ASIC芯片包括：复位模块；单片机通信模块；脉冲计数模块、模拟量数据采集模块；看门狗模块、32个字节FIFO串口、16个字节FIFO串口。光纤陀螺输出信号经信号处理与接口电路ASIC芯片脉冲计数器后，完成光纤陀螺仪输出信息的采集；温度信号和光功率等模拟量输出经过ASIC芯片模拟量采集模块，完成温度信号和光功率信号采集。上述信号通过ASIC芯片通信模块后流向单片机进行处理，处理完的数据流回ASIC芯片通信模块，再通过32个字节FIFO串口输出。陀螺地检数据通过ASIC芯片16个字节FIFO串口进入ASIC芯片通信模块并流向单片机进行处理，处理完的数据再流向ASIC芯片通信模块，最后通过32个字节FIFO串口输出。复位信号经过ASIC芯片复位模块后完成单片机的复位功能。

主份二次电源和备份二次电源均包括过流保护模块、浪涌抑制模块、输入滤波模块、电源转换电路、输出过流保护模块，主份二次电源与备份二次电源通过一次地和切换电路相连，如图4所示。一次电源经过过流保护模块，防止二次电源短路而对一次电源母线构成危害。再经过浪涌抑制模块，使浪涌电流控制在要求范围内，然后流经输入滤波电路，将电源中高频干扰信号滤除，接着通过电源转换电路将一次电源转化为二次电源，二次电源再经过输出过流保护电路，当输出功率到达保护值时，模块自动保护，当过流情况消除后，能自动恢复正常供电，而后给信号处理与接口电路、光纤陀螺仪供电。主份二次电源和备份二次电源供地连接，通过切换电路可以使两份二次电源中的一份工作，切换电路具有互锁功能，能防止两份二次电源同时工作。

上述构型光纤陀螺惯测装置可靠度计算：

(1)设单只光纤陀螺仪总失效率为λ₁，则四只光纤陀螺仪并联 $R_1=\underset{i=4-m}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n^i{R}^i{(1-R)}^{4-i}={4e}^{-3{\mathrm{\λ}}_{1}t}{-3e}^{-4{\mathrm{\λ}}_{1}t};$

(2)单份信号处理与接口电路总失效率λ₂，单份二次电源电路总失效率为λ₃，切换继电器失效率λ_d，则由信号处理与接口电路、二次电源电路和继电器组成的冷备份系统可靠度R₂（t）为：R₂（t）=e^-λt(1+R_Dλt)，其中λ=λ₂+λ₃；

(3)四轴光纤陀螺惯测装置总可靠度R（t）为：R（t）=R₁（t）·R₂（t）。

Claims (4)

1.一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，其特征在于包括：主份二次电源(1)、主份信号处理与接口电路(2)、X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)、S光纤陀螺仪(6)、备份二次电源(7)、备份信号处理与接口电路（8)，本体结构件（9）；X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)三只正交，S光纤陀螺仪(6)与X光纤陀螺仪(3)、Y光纤陀螺仪(4)、Z光纤陀螺仪(5)之间的夹角均为θ，θ=54°±0.1°，四只光纤陀螺仪用于敏感角速度信息并输出；主份二次电源(1)与备份二次电源(7)互为冷备份，用于给四只光纤陀螺仪和信号处理与接口电路供电，当某份二次电源出现故障时，可以切换至另外一份，仍然保证产品功能正常；主份信号处理与接口电路(2)与备份信号处理与接口电路(8)也为冷备份，用于接收和处理光纤陀螺仪输出数据，当某份信号处理与接口电路出现故障时，切换另外一份，仍然保证产品功能正常。

2.根据权利要求1所述的高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，其特征在于：所述四只光纤陀螺仪电路均使用ASIC芯片为控制核心单元，该ASIC芯片包括：复位接口模块，完成各寄存器复位；串口模块，通过串口实现陀螺控制所需的参数配置；闭环控制模块，完成光纤陀螺的数字闭环控制功能；输出接口模块，完成陀螺仪角速度信号输出。光纤陀螺仪内使用裸管探测器，检测光源的光功率，并将光功率信息输出；光纤陀螺仪内采用了两路铂电阻作为温度传感器，其中一只铂电阻粘贴于光纤环，检测光纤环温度并输出；一路粘贴于光纤陀螺电路板，检测陀螺仪电路板温度并输出。

3.根据权利要求1所述的高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置，其特征在于：所述两份信号处理与接口电路均采用“单片机+ASIC”芯片为控制核心单元，抗辐照能力达到100krad(si)，该ASIC芯片包括：复位接口模块，响应复位请求，完成单片机复位功能；单片机通信接口模块，完成与单片机数据交互功能；可配置分频模块，产生可配置频率的时钟信号；陀螺脉冲计数接口模块，完成4路光纤陀螺仪脉冲计数；模拟量数据采集模块，完成16路模拟量数据采集及模拟开关的时序选通功能；中断管理模块，完成中断管理功能；看门狗模块，完成看门狗定时器功能；32个字节FIFO串口模块，完成角速度、温度和光功率信息的输出；16个字节FIFO串口模块，完成地检数据接收功能。

4.一种高可靠冗余型四轴光纤陀螺惯测装置的可靠度确定方法，其特征在于：所述的光纤陀螺惯测装置可靠度R（t）采用下式确定： $R\left(t\right)=e^{-({\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3)t}(1+R_D({\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3)t)*({4e}^{-3{\mathrm{\λ}}_{1}t}-{3e}^{-4{\mathrm{\λ}}_{1}t}),$ λ₁为一只光纤陀螺仪失效率；λ₂为单份信号处理与接口电路失效率；λ₃为单份二次电源电路失效率。

Images