CN107588764B - 一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件 - Google Patents

Abstract

一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，涉及小卫星惯性测量技术领域；包括壳体、上罩、本体、光源组、陀螺组、Y波导、耦合器、陀螺三路数字电路板、电路板支架、陀螺单路数字电路板、陀螺模拟驱动电路板、信号处理与接口电路板和变压器；上罩固定安装在壳体的上表面；本体固定安装在壳体槽内的中心位置；本体、光源组、陀螺组、Y波导、耦合器、陀螺三路数字电路板、电路板支架、陀螺单路数字电路板、陀螺模拟驱动电路板、信号处理与接口电路板、变压器依次从下至上位于壳体和上罩组成的封闭壳体内。本发明抗力学性能好，减轻结构重量；光电集成一体化设计，降低组件功耗，实现故障检测和隔离，可靠性高。

Description

一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件

技术领域

本发明涉及一种小卫星惯性测量技术领域，特别是一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件。

背景技术

随着航天领域和整个航天生态系统的发展变革，具有投资与营运成本低、应急能力与灵活性强、系统建设周期短等众多优点的小卫星，广泛用于通信、科学、技术试验、军事、教育和对地观测等，在军用及民用领域发展前景十分广阔，小卫星的普及化、商业化及市场争夺已呈现不可阻挡之势。

作为姿态控制系统的关键器件，惯性仪表直接影响系统的精度和性能。小卫星的快速发展对其姿态敏感器的市场需求日渐增大，光纤陀螺组件凭借其体积、功耗、精度、空间环境适应性等多方面的优势得以大量应用。

光纤陀螺是一种利用光纤传感技术测量空间惯性转动的新型全固态传感器，以光导纤维线圈为基础，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播，光传播路径的变化决定敏感元件的角位移。

光纤陀螺的主要特点表现在以下几个方面：(1)全固态，仪器牢固稳定、具有较强的耐冲击和抗加速度的能力；(2)长寿命，无旋转部件和摩擦部件，且光学器件使用寿命较长；(3)高精度，相干光束的传播时间极短，理论上可以瞬间启动，且具有较宽的动态范围；(4)高可靠性，光纤环使得光程增加，检测灵敏度和分辨率相对激光陀螺提高多个数量级，有效克服陀螺的闭锁问题。且易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，可用数字输出。

现有光纤陀螺组件多采用三轴设计方案，没有光纤陀螺的冗余设计，其中任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，无法实现故障检测与隔离。同时，光电模块分离，在满足精度等技术指标要求的前提下，组件体积重量相对较大；光源、二次电源和信号处理电路板无备份，存在单点故障的情况，可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，抗力学性能好，减轻结构重量；光电集成一体化设计，降低组件功耗，实现故障检测和隔离，可靠性高。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，包括壳体、上罩、本体、光源组、陀螺组、Y波导、耦合器、陀螺三路数字电路板、电路板支架、陀螺单路数字电路板、陀螺模拟驱动电路板、信号处理与接口电路板和变压器；其中，壳体为顶部带有凹槽的矩形结构；上罩的平面尺寸与壳体相同，上罩固定安装在壳体的上表面；本体、光源组、陀螺组、Y波导、耦合器、陀螺三路数字电路板、电路板支架、陀螺单路数字电路板、陀螺模拟驱动电路板、信号处理与接口电路板、变压器位于壳体和上罩组成的封闭壳体内；本体固定安装在壳体槽内的中心位置；光源组固定安装在本体的底部；陀螺组固定安装在本体的侧壁和底部；Y波导固定安装在本体的上表面；耦合器固定安装在Y波导的上表面；陀螺三路数字电路板固定安装在耦合器的上表面；电路板支架固定安装在陀螺三路数字电路板的上表面；陀螺单路数字电路板固定安装在电路板支架的上表面；陀螺模拟驱动电路板固定安装在陀螺单路数字电路板的上表面；信号处理与接口电路板固定安装在陀螺模拟驱动电路板的上表面；变压器固定安装在上罩的下表面。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述光纤陀螺组件还包括9针接插件、31针接插件、基准镜接地桩；其中，9针接插件和31针接插件固定安装在上罩的侧壁；基准镜固定安装在壳体的底部侧壁上；接地桩为圆柱形结构，轴向垂直的固定安装在壳体的底部侧壁。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述光源组包括两个SLD光源；两个SLD光源对称固定安装在本体的下表面。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述陀螺组包括4个陀螺；其中1个陀螺水平固定安装在本体的下表面；另外3个陀螺固定安装在本体的侧壁上。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述3个固定安装在本体侧壁上的陀螺，其中两个陀螺与固定安装在本体下表面的陀螺相互正交，另外一个陀螺倾斜固定安装在本体的侧面；且斜置陀螺与其它三个陀螺的夹角相同。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述信号处理与接口电路板包括2个二次电源和2个信号处理与接口电路。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述两个SLD光源中心波长为1310nm；光纤环长度为520m，直径为42mm。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，所述基准镜尺寸为15mm×15mm×15mm，精度为10”级；接地桩距离壳体底面9-11mm。

在上述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，壳体采用硬铝2A12材料，表面发射率ε_H大于等于0.85。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用了四轴一体光纤陀螺，布局上紧凑设计，减轻结构重量；

(2)本发明采用了光电集成一体化设计，减小组件体积，降低组件功耗；

(3)本发明采用了主备份光源配置，当一只光源发生故障，通过切换指令可以进行光源切换；

(4)本发明采用了二次电源和信号处理与接口电路冷备份，切换光源后，启用相应电源和信号处理与接口电路，提高可靠性；

(5)本发明采用了四轴一体冗余设计方案，在轨使用时，任意不多于三个轴发生故障依然能够提供三轴姿态角速度，实现故障检测和隔离。

附图说明

图1为本发明结构组合后示意图；

图2为本发明爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为结构组合后示意图，由图可知，一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，包括壳体1和上罩2；其中，壳体1为顶部带有凹槽的矩形结构；上罩2的平面尺寸与壳体1相同，上罩2固定安装在壳体1的上表面。

如图2所示为爆炸图，由图可知，光纤陀螺组件还包括本体3、光源组4、陀螺组5、Y波导6、耦合器7、陀螺三路数字电路板8、电路板支架9、陀螺单路数字电路板10、陀螺模拟驱动电路板11、信号处理与接口电路板12和变压器13；本体3、光源组4、陀螺组5、Y波导6、耦合器7、陀螺三路数字电路板8、电路板支架9、陀螺单路数字电路板10、陀螺模拟驱动电路板11、信号处理与接口电路板12、变压器13位于壳体1和上罩2组成的封闭壳体内；本体3固定安装在壳体1槽内的中心位置；光源组4固定安装在本体3的底部；光源组4包括两个SLD光源；两个SLD光源对称固定安装在本体3的下表面。两个SLD光源中心波长为1310nm，耦合器7为单模光纤耦合器，可靠性高、偏振相关损耗小、全温范围内性能稳定；光纤环采用四级对称绕制方法；陀螺数字电路部分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；光纤环长度为520m，直径为42mm。陀螺组5固定安装在本体3的侧壁和底部；Y波导6固定安装在本体3的上表面；耦合器7固定安装在Y波导6的上表面；陀螺三路数字电路板8固定安装在耦合器7的上表面；电路板支架9固定安装在陀螺三路数字电路板8的上表面；陀螺单路数字电路板10固定安装在电路板支架9的上表面；陀螺模拟驱动电路板11固定安装在陀螺单路数字电路板10的上表面；信号处理与接口电路板12固定安装在陀螺模拟驱动电路板11的上表面；变压器13固定安装在上罩2的下表面。

光纤陀螺组件还包括9针接插件14、31针接插件15、基准镜16和接地桩17；其中，9针接插件14和31针接插件15固定安装在上罩2的侧壁；基准镜16固定安装在壳体1的底部侧壁上，尺寸为15mm×15mm×15mm，自身精度为10”级，光纤陀螺组件输入轴相对基准镜法线方向的安装精度优于±10”；接地桩17固定安装在壳体1的底部侧壁上，距离安装底面10mm，尺寸为M3×8，配备2个M3的镀金螺母和两个镀金垫片。

其中，陀螺组5包括4个陀螺；其中1个陀螺水平固定安装在本体3的下表面；另外3个陀螺固定安装在本体3的侧壁上。3个固定安装在本体3侧壁上的陀螺，其中两个陀螺与固定安装在本体3下表面的陀螺相互正交，另外一个陀螺倾斜固定安装在本体3的侧面；且斜置陀螺与其它三个陀螺的夹角相同。

信号处理与接口电路板12包括2个二次电源电路和2个信号处理与接口电路。

光纤陀螺组件外包络尺寸为117±2mm×108mm±2mm×91±2mm，重量为1±0.1kg。

光纤陀螺组件壳体1采用硬铝2A12材料，表面发射率ε_H大于等于0.85。

光纤陀螺组件安装孔17为4个通孔，尺寸为Φ4.5±0.1mm。

光纤陀螺组件安装面表面状态为本色氧化，安装脚厚度为6.5mm，平面度优于0.1/100×100mm，粗糙度优于3.2um。

光纤陀螺组件上罩2上表面印刻坐标系标识，坐标系包括X、Y、Z三轴指向，X轴垂直指向安装面，Y轴位于水平面内，指向接插件14和接插件15反方向，Z轴水平面内垂直Y轴，指向符合右手定则。

光纤陀螺组件包括两份光源、陀螺组5、一份陀螺三路数字电路板、一份陀螺单路数字电路板和两份陀螺模拟驱动电路板。每个单轴陀螺有独立信号处理电路，4个单轴光纤陀螺彼此独立，具有一致性、互换性，从而避免了4路陀螺信号采集、调制解调电路之间的串扰，是降低电磁串扰、保证陀螺精度的重要措施，而且增强了产品的可维修性，降低了装配难度；两份陀螺模拟驱动电路板对应驱动两份光源，实现主备份光源切换；

两份信号处理与接口电路采用ARM板构成光纤陀螺组件的计算机单元，用于接收四轴陀螺的角速度信号，接收温度信号并进行补偿，同时完成与控制系统的CAN接口通讯，将测量信息按通讯协议要求发送给控制系统，以及接收相应的遥控指令；

两份二次电源电路将一次电源变换为光纤陀螺组件所需要的二次电源，为两份信号处理与接口电路板、单路陀螺数字电路板、三路陀螺数字电路板及两份陀螺模拟驱动电路板供电，具备抑制浪涌电流的功能；

陀螺组5包括正交轴X轴、Y轴、Z轴和斜置轴S轴，用于测量载体的三轴角速度信息；

主备份二次电源电路具备抑制浪涌电流的功能，把一次电源变换为光纤陀螺组件所需要的电源，为四轴一体光纤陀螺和主备份信号处理与接口电路供电；

主备份信号处理与接口电路以ARM为中心，对内完成光纤陀螺测量信息和温度信号的采集、接收和处理；对外完成与控制系统的通讯，将测量信息按要求发送给控制系统、接收相应的遥控指令。

主备份光源驱动电路实现对光源的驱动。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：包括壳体(1)、上罩(2)、本体(3)、光源组(4)、陀螺组(5)、Y波导(6)、耦合器(7)、陀螺三路数字电路板(8)、电路板支架(9)、陀螺单路数字电路板(10)、陀螺模拟驱动电路板(11)、信号处理与接口电路板(12)和变压器(13)；其中，壳体(1)为顶部带有凹槽的矩形结构；上罩(2)的平面尺寸与壳体(1)相同，上罩(2)固定安装在壳体(1)的上表面；本体(3)、光源组(4)、陀螺组(5)、Y波导(6)、耦合器(7)、陀螺三路数字电路板(8)、电路板支架(9)、陀螺单路数字电路板(10)、陀螺模拟驱动电路板(11)、信号处理与接口电路板(12)、变压器(13)位于壳体(1)和上罩(2)组成的封闭壳体内；本体(3)固定安装在壳体(1)槽内的中心位置；光源组(4)固定安装在本体(3)的底部；陀螺组(5)固定安装在本体(3)的侧壁和底部；Y波导(6)固定安装在本体(3)的上表面；耦合器(7)固定安装在Y波导(6)的上表面；陀螺三路数字电路板(8)固定安装在耦合器(7)的上表面；电路板支架(9)固定安装在陀螺三路数字电路板(8)的上表面；陀螺单路数字电路板(10)固定安装在电路板支架(9)的上表面；陀螺模拟驱动电路板(11)固定安装在陀螺单路数字电路板(10)的上表面；信号处理与接口电路板(12)固定安装在陀螺模拟驱动电路板(11)的上表面；变压器(13)固定安装在上罩(2)的下表面；

所述光源组(4)包括两个SLD光源；两个SLD光源对称固定安装在本体(3)的下表面；所述两个SLD光源中心波长为1310nm；光纤环长度为520m，直径为42mm；

陀螺组(5)外包络尺寸为117±2mm×108mm±2mm×91±2mm，重量为1±0.1kg；陀螺组(5)安装面表面状态为本色氧化，安装脚厚度为6.5mm，平面度优于0.1/100×100mm，粗糙度优于3.2um。

2.根据权利要求1所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：所述光纤陀螺组件还包括9针接插件(14)、31针接插件(15)、基准镜(16)和接地桩(17)；其中，9针接插件(14)和31针接插件(15)固定安装在上罩(2)的侧壁；基准镜(16)固定安装在壳体(1)的底部侧壁上；接地桩(17)为圆柱形结构，轴向垂直的固定安装在壳体(1)的底部侧壁。

3.根据权利要求2所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：所述陀螺组(5)包括4个陀螺；其中1个陀螺水平固定安装在本体(3)的下表面；另外3个陀螺固定安装在本体(3)的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：所述3个固定安装在本体(3)侧壁上的陀螺，其中两个陀螺与固定安装在本体(3)下表面的陀螺相互正交，另外一个陀螺倾斜固定安装在本体(3)的侧壁；且斜置陀螺与其它三个陀螺的夹角相同。

5.根据权利要求4所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：所述信号处理与接口电路板(12)包括2个二次电源和2个信号处理与接口电路。

6.根据权利要求5所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：所述基准镜(16)尺寸为15mm×15mm×15mm，精度为10”级；接地桩(17)距离壳体(1)底面9-11mm。

7.根据权利要求6所述的一种四轴冗余构型电源和电路板冷备份的光纤陀螺组件，其特征在于：壳体(1)采用硬铝2A12材料，表面发射率εH大于等于0.85。

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