CN106767801B - 一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统 - Google Patents

一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，在轨使用时，若主惯性测量单元发生故障，可以切换到冗余测量单元继续工作，光纤陀螺惯测系统依然能够提供敏感轴的姿态角速度，可以解决特定方向上的姿态敏感器的高可靠问题；采用适当的标定技术可以实现与陀螺仪相当的精度，绝对误差小于3×10‑5°/s，相对误差小于5×10‑4；采用高抗辐照能力芯片的陀螺仪和具有抗辐照加固片的结构设计，有效提高了产品的抗辐照能力。

Description

一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统
技术领域
本发明涉及一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，属于惯性测量技术领域。
背景技术
航天器作为高新科技发展的标志，在我国的国防建设中扮演着极为重要的角色。未来高技术条件下的局部战争对信息的获取能力提出了很高的要求，航天的姿态稳定度是有效地执行瞄准、对接等各项任务的前提和保障，其中惯性仪表又是姿态控制系统的关键敏感器，它直接影响姿态控制系统的精度和性能。航天器通常采用陀螺仪组成的惯性测量装置与光学敏感器(如红外地平仪、太阳敏感器和星敏感器等)共同组成卫星的姿态测量系统。利用陀螺短时间测量精度高和光学敏感器没有累积误差的特性，二者相辅相成，共同得到持续的高精度姿态和姿态角速率测量信息。
光纤陀螺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。它是仅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，没有任何运动部件。光纤陀螺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)高精度：国外高精度光纤陀螺精度已达0.00038°/h；(2)全固态：光纤陀螺的部件都是固态的，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；(3)长寿命：光纤陀螺所用的关键光学器件都可满足空间应用15年的长寿命要求；(4)高可靠性：光纤陀螺结构设计灵活，生产工艺相对简单，可方便地对其进行电路的冗余设计，或者采用冗余光纤陀螺构成惯性测量系统，这样可以提高系统的可靠性。
现有技术中光纤陀螺惯测系统多采用三轴设计方案，这样就可以测量航天器三轴相对于惯性空间的姿态，但此设计方案不能较好的满足航天器在某特定轴向上对姿态敏感器的高可靠需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，通过单轴冗余设计，以满足航天器在特定方向上对姿态敏感器的高可靠要求。
本发明的技术解决方案是：
一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，包括主惯性测量单元、冗余惯性测量单元和本体，每份惯性测量单元包括陀螺仪、二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块，
陀螺仪安装在本体两侧，二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块均安装在本体上，
二次电源模块与可为其供电的外界电源控制系统连接，
在正常工作模式下，外界电源控制系统将加电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统；
若主惯性测量单元处于非正常工作模式，则外界电源控制系统将断电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，同时外界电源控制系统将加电指令发送给冗余惯性测量单元的二次电源模块，
二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统。
所述的整合方法为：信号处理与接口电路模块按照固定的周期采集角速度信号、温度信号和数字量电流信号，将数字量电流信号叠加到角速度信号中，并将处理后的角速度信号发送给外界姿态控制分系统。
所述的标定方法为：通过常温标定试验，计算出数字量电流信号的一次项和零次项系数，并且计算出角速度信号的一次项和零次项系数，通过温度建模试验，计算出角速度信号与温度相关的零次项系数，信号处理与接口电路模块中利用标定出的各个系数对数字量电流信号和角速度信号进行处理。
所述的温度建模方法为：将惯测系统放入温箱中加电工作，在一定温度范围内使温箱内的温度均匀变化，记录惯测系统的角速度信号输出，采用插值法计算出各温度点下的角速度信号零次项系数。
陀螺仪内置有芯片，芯片对电离总剂量的防护能力大于100krad(S i)。
陀螺仪内置芯片抗单粒子翻转能力大于50MeVcm2/mg。
陀螺仪内置芯片静电防护能力不小于2000V。
还包括下盖，下盖与信号处理与接口电路模块相邻，信号处理与接口电路模块上装有单片机，下盖与信号处理与接口电路模块之间设置有抗辐射加固片，为单片机提供抗辐射保护。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的单轴冗余惯性测量单元有效提高了系统的可靠性，在轨使用时，若主惯性测量单元发生故障，可以切换到冗余测量单元继续工作，光纤陀螺惯测系统依然能够提供敏感轴的姿态角速度，可以解决特定方向上的姿态敏感器的高可靠问题；
(2)本发明的电流式陀螺地检技术是一种新的光纤陀螺地检方案，采用适当的标定技术可以实现与陀螺仪相当的精度，绝对误差小于3×10-5°/s，相对误差小于5×10-4；采用高抗辐照能力芯片的陀螺仪和具有抗辐照加固片的结构设计，有效提高了产品的抗辐照能力。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明信号处理与接口电路模块的原理图；
图4为本发明地检电路接插件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步叙述。
一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，如图1所示，包括主惯性测量单元、冗余惯性测量单元和本体，每份惯性测量单元包括陀螺仪、二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块，
如图2所示，陀螺仪安装在本体两侧，二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块均安装在本体上，
二次电源模块与可为其供电的外界电源控制系统连接，还包括下盖，下盖与信号处理与接口电路模块相邻，信号处理与接口电路模块上装有单片机，下盖与信号处理与接口电路模块之间设置有抗辐射加固片，为单片机提供抗辐射保护。
在正常工作模式下，外界电源控制系统将加电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统；
若主惯性测量单元处于非正常工作模式，则外界电源控制系统将断电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，同时外界电源控制系统将加电指令发送给冗余惯性测量单元的二次电源模块，
二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统。
上述的整合方法为：信号处理与接口电路模块按照固定的周期采集角速度信号、温度信号和数字量电流信号，将数字量电流信号叠加到角速度信号中，并将处理后的角速度信号发送给外界姿态控制分系统。
上述的标定方法为：通过常温标定试验，计算出数字量电流信号的一次项和零次项系数，并且计算出角速度信号的一次项和零次项系数，通过温度建模试验，计算出角速度信号与温度相关的零次项系数，信号处理与接口电路模块中利用标定出的各个系数对数字量电流信号和角速度信号进行处理。
温度建模方法为：将惯测系统放入温箱中加电工作，在一定温度范围内(惯测系统工作温度范围外扩10℃)使温箱内的温度按照3℃/h的温变率均匀变化，记录观测惯测系统的角速度信号输出，采用插值法计算出各温度点下的角速度信号零次项系数。
陀螺仪内置有芯片，芯片对电离总剂量的防护能力大于100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)能力大于50MeVcm2/mg；静电防护能力(ESD)≥2000V。
实施例
1)总体组成设计：光纤陀螺惯测系统，如图2所示，包括一个本体1和一个上罩2；在本体1两侧有两个光纤陀螺仪5，本体1上还装有二次电源模块4，地检转换电路模块6，信号处理与接口电路模块7，本体1上安装光学基准镜3，在本体1的底部有安装孔，用于固定在航天器结构体上；
二次电源模块4将一次母线电压变换至光纤陀螺组合体内部能够使用的电压，分别为地检转换电路模块6、光纤陀螺仪5、信号处理与接口电路模块7供电；
2块信号处理与接口电路模块7分别接收2个光纤陀螺仪和1块地检转换电路模块6的输出信息，将数字信息整合后发送给控制分系统；
2)电气组成原理：上述2个光纤陀螺仪的外形均为带有4各安装孔的铁镍合金结构件，内部有光路部分和电路部分，其中光路部分包括光源、耦合器、Y波导、探测器和光纤环；光源为SLD光源，耦合器为单模2×2光纤耦合器，光纤环采用四级对称绕制方法；电路部分包括光源驱动电路以及调制解调电路采用差动信号检测方式实现光电信号的检测及滤波，输出与角速度成正比的脉冲信号，同时实现闭环控制，其中调制解调电路采用了抗辐照性能良好的ASIC芯片；
信号处理与接口电路模块的原理框图如图3所示。该模块采用以80C32单片机为核心的中央信息处理单元，接收光纤陀螺仪和地检转换电路输出的脉冲信号和光纤陀螺仪的温度信号，进行数据处理，并将处理后的数据发送至控制分系统；该电路包括单片机、程序存储器(PROM)、A/D、D/A、脉宽变换电路、电平转换电路等单元组成；光纤陀螺仪、地检电路输出信号进入82C54计数，完成光纤陀螺仪、地检信息的采集；温度信号进入A/D变换，完成温度信息的采集。信号处理与接口电路计算两次采样间隔中的角度增量等信息，并进行标定，经过82C54、脉宽变换、电平转换之后将相应的脉冲信号输出给姿态控制分系统。
3)电流式陀螺地检技术：
传统的陀螺仪地面检测是在陀螺仪输出中叠加确定的数字量，而光纤陀螺惯测系统输入的地检信号是电流信号。光纤陀螺惯测系统采用I/F转换技术将电流信号转换成频率信号，分成正负两个通道输出，再通过增加外围接口与陀螺仪的输出进行叠加，实现光纤陀螺惯测系统的地检功能。使用I/F转换电路可以实现电流信号到脉冲信号的转换，但由于I/F转换电路自身存在零位、标度因数非线性等误差，因此，地检电路的标定和测试是需要解决的关键技术。
地检电流的范围为-50mA～+50mA，对应角速度-2°/s～+2°/s。在地检电路标定过程中，合理设定标定步长，并将陀螺数据与地检信号进行分离，实现了精确标定地检电路的零位和正负标定因数。完成标定后将标定系数写入软件，再对地检精度进行验证。
对于地检精度的验证，首先需要确定的是地检电流信号的步长。步长太大，无法验证小速率点下的地检精度；步长太小，对I/F转换电路的分辨率和抗干扰能力提出了太高的要求，因此，必须既满足测试精度要求，又要考虑电路实现成本。经反复试验验证，确定了全量程地检精度验证方法，在<0.1°/s和0.1°/s～2°/s之间各选取了4个速率点，最低速率点为0.005°/s，全面验证了小速率点下的绝对精度和大速率点下的相对精度。最终实现的地检精度为绝对误差<3×10-5°/s，相对误差<5×10-4，与光纤陀螺仪的精度一致。
地检电路只用于地面检测，在卫星发射后不使用。为了使地检电路在轨时不影响光纤陀螺惯测系统的可靠性，在电路上采取了完全独立的设计，见图4。地检使用了独立的接口，测试过程中使用专用的测试插头将对应的两点连接，地检电路可以正常工作；在卫星发射前，使用专用的保护插头，将地检电路的输入点全部接壳，可避免在轨期间地检电路成为孤立导体，提高了光纤陀螺惯测系统的可靠性。
4)从仿真数据分析，可看出主备份信号处理板与陀螺仪受辐照剂量都比较大，而传统的DSP和PFGA芯片抗辐照性能较差，无法满足抗辐照总剂量>100krad(Si)的要求，因此对信号处理与接口电路以及陀螺仪电路进行了重新设计，提出了如下方案：
将陀螺仪电路的FPGA芯片换成ASIC芯片，提高陀螺仪抗辐照性能，解决了陀螺仪电路抗辐照较差的问题。
ASIC芯片的主要性能指标如下：
输入电压范围+5V±5％，静态功耗<0.5mW，动态功耗<0.30W；输入频率：11.0592MHz；陶瓷封装：LCC-100；对电离总剂量的防护能力大于100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)能力大于50MeVcm2/mg，具有抗单粒子锁定的功能；ESD≥2000V；能够提供达到CAST规范质量要求的正式产品。这是ASIC芯片首次在光纤陀螺上实现工程应用，ASIC芯片的成功应用，提高了光纤陀螺仪的抗辐照性能，同时具有成本低、可靠性高、技术状态稳定、器件之间匹配性好等优点，已经进行了改进设计并在其他型号上推广应用。
本发明的单轴冗余惯性测量单元有效提高了系统的可靠性，在轨使用时，若主惯性测量单元发生故障，可以切换到冗余测量单元继续工作，光纤陀螺惯测系统依然能够提供敏感轴的姿态角速度，可以解决特定方向上的姿态敏感器的高可靠问题。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于，包括主惯性测量单元、冗余惯性测量单元和本体，每份惯性测量单元包括陀螺仪、二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块，
陀螺仪安装在本体两侧，二次电源模块、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块均安装在本体上，
二次电源模块与可为其供电的外界电源控制系统连接，
在正常工作模式下，外界电源控制系统将加电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的角速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统；
若主惯性测量单元处于非正常工作模式，则外界电源控制系统将断电指令发送给主惯性测量单元的二次电源模块，同时外界电源控制系统将加电指令发送给冗余惯性测量单元的二次电源模块，
二次电源模块收到加电指令后，将外界电源控制系统的供电电压转换成陀螺仪、地检转换电路模块和信号处理与接口电路模块所需的电压，陀螺仪实时将检测到的角速度信号和温度信号发送给信号处理与接口电路模块，地检转换电路模块采集外界输入的模拟量电流信号，并将模拟量电流信号转换成数字量电流信号并发送给信号处理与接口电路模块，信号处理与接口电路模块将采集到的角速度信号、温度信号和数字量电流信号进行整合和标定，将处理后的角速度信号、温度信号和数字量电流信号发送给外界姿态控制分系统。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：所述的整合方法为：信号处理与接口电路模块按照固定的周期采集角速度信号、温度信号和数字量电流信号，将数字量电流信号叠加到角速度信号中，并将处理后的角速度信号发送给外界姿态控制分系统。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：所述的标定方法为：通过常温标定试验，计算出数字量电流信号的一次项和零次项系数，并且计算出角速度信号的一次项和零次项系数，通过温度建模试验，计算出角速度信号与温度相关的零次项系数，信号处理与接口电路模块中利用标定出的各个系数对数字量电流信号和角速度信号进行处理。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：所述的温度建模方法为：将惯测系统放入温箱中加电工作，在一定温度范围内使温箱内的温度均匀变化，记录惯测系统的角速度信号输出，采用插值法计算出各温度点下的角速度信号零次项系数。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：陀螺仪内置有芯片，芯片对电离总剂量的防护能力大于100krad(Si)。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：陀螺仪内置芯片抗单粒子翻转能力大于50MeVcm2/mg。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：陀螺仪内置芯片静电防护能力不小于2000V。
8.根据权利要求1所述的一种高可靠单轴冗余光纤陀螺惯测系统，其特征在于：还包括下盖，下盖与信号处理与接口电路模块相邻，信号处理与接口电路模块上装有单片机，下盖与信号处理与接口电路模块之间设置有抗辐射加固片，为单片机提供抗辐射保护。
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