CN109781101A - 运载火箭惯性测量系统及其组件的冗余方法 - Google Patents

运载火箭惯性测量系统及其组件的冗余方法 Download PDF

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黄侃
张伟
张晓飞
舒畅
马超
程越巍
戴龙鹏
彭偲
郭慧婷
郝文倩
闫浩正
刘志方
商家宁
鄢爽平
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Abstract

本申请提供了一种运载火箭惯性测量系统，该测量系统的捷联惯组采用了五轴一体的光纤陀螺，尽可能的减少了冗余方案带来的器件增加对系统带来的影响，降低了惯性测量系统冗余的成本。此外，本申请还提供有一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，该测量方法基于上述运载火箭惯性测量系统，相比于传统的惯性系统的单机冗余，本发明采用器件冗余提高了系统的可靠性；此外，将速率陀螺划入惯性测量系统，通过对比捷联惯组数据，用简单的双冗余实现了一次故障吸收的功能。

Description

运载火箭惯性测量系统及其组件的冗余方法
技术领域
本公开一般涉及惯性测量技术领域，具体涉及一种运载火箭惯性测量系统及其组件的冗余方法。
背景技术
惯性测量装置是导航、制导与控制系统中用于获取运载体运动参数的重要敏感部件，是惯性导航系统的重要组成部分，一般由惯性传感器组件、安装架和相应的电子电路组成。惯性传感器组件通常包括三只单轴陀螺仪或两只双轴陀螺仪和三只单轴加速度计，惯性传感器组件敏感轴通常采用正交布局方式：三只加速度计的敏感轴两两垂直且三轴正交于空间同一点，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两垂直且与对应轴向加速度计的敏感轴相互平行，三只加速度计在空间上尽量靠拢，这种布局方式可以直接测得运载体角速率和比力在三个相互正交轴上的分量；安装架为惯性组件提供定位安装基准，保证惯性组件敏感轴的正交布局；电子电路部分包括惯性组件的部分电路以及必要的惯性组件的信号调理与转换电路。惯性测量单元通过加速度计测量载体运动加速度，通过陀螺仪测量载体运动角速度。惯性测量单元提供的载体运动参数通过导航解算获取载体的位置、姿态和速度等导航、制导与控制系统所需参数。
由于陀螺敏感器属于高精度、相对易损部件，在经受运动体复杂环境及剧烈运动后，容易出现故障、性能降低等健康问题。目前对于惯性陀螺组件的健康状况监测时，鉴于传统的等价关系方法通常只具有分离单个传感器故障的能力，通常采用两种途径：一是途径是利用机内测试设备实时监测陀螺内部的某些状态量，如温度、电流、电压等，根据这些参数来判断该陀螺是否存在故障，该方法没有利用陀螺敏感器的输出信息，只能检测幅度较大的故障。另一种途径是利用姿态敏感器的冗余关系判断陀螺是否存在故障，但该方法的应用也受到一定限制，一方面，该方法只在姿态传感器系统构成冗余关系的条件下有效；另一方面，还需要考虑冗余敏感器的工作状况。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种相比于传统惯性测量系统的单机冗余，采用器件冗余提高了系统可靠性的运载火箭惯性测量系统及其组件的冗余方法。
第一方面，一种运载火箭惯性测量系统，包括：安装于运载火箭头部的捷联惯组和安装于运载火箭尾部的两个速率陀螺；所述捷联惯组包括，第一陀螺和五个加速度计；所述第一陀螺为五轴一体光纤陀螺；两个所述速率陀螺包括，第二陀螺和第三陀螺；所述第二陀螺和第三陀螺均为双轴光纤陀螺且均正交设置；所述五轴一体光纤陀螺共有五条光纤回路；所述五条光纤回路，其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置；所述五个加速度计，其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装；所述五条光纤回路与五个加速度计的投影关系重合。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述五条光纤回路共用一只SLD光源和1个1*5耦合器；所述SLD光源作为1*5耦合器的输入源。
根据本申请实施例提供的技术方案，每条光纤回路分别由：与1*5耦合器相连的1*2耦合器，与1*2耦合器一端输出相连的Y波导，与Y波导相连的光纤环，以及与1*2耦合器另一自由端输出相连的探测器。
第二方面，一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，包括以下步骤：第一陀螺故障诊断，将第一陀螺的五条光纤回路其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置；对第一陀螺进行标定，对投影关系进行修订；采集五个光纤回路的角速度用于光纤轴故障诊断。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括以下步骤：加速度计故障诊断，将五个加速度计其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装；对五个加速度计进行标定，对投影关系进行修订；采集五个加速度计的加速度用于加速度计故障诊断。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括以下步骤：第二陀螺和第三陀螺的故障诊断：当第二陀螺和第三陀螺信息一致且未超出一致性门限时，认为二者均正常；当第二陀螺和第三陀螺信息超出一致性门限时，则将第一陀螺信息分别与第二陀螺和第三陀螺信息进行比较，取二者中与第一陀螺信息相接近的。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括以下步骤：当第二陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第二陀螺，完全用第三陀螺陀螺用于控制。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括以下步骤：当第三陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第三陀螺，完全用第二陀螺陀螺用于控制。
综上所述，本申请提供了一种运载火箭惯性测量系统，该测量系统的捷联惯组采用了五轴一体的光纤陀螺，尽可能的减少了冗余方案带来的器件增加对系统带来的影响，降低了惯性测量系统冗余的成本。
此外，本申请还提供有一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，该测量方法基于上述运载火箭惯性测量系统，相比于传统的惯性系统的单机冗余，本发明采用器件冗余提高了系统的可靠性；此外，将速率陀螺划入惯性测量系统，通过对比捷联惯组数据，用简单的双冗余实现了一次故障吸收的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请实施例中第一陀螺和加速度计安装定向示意图；
图2是本申请实施例中第一陀螺的五条光纤回路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一：
本实施例中具体地公开有一种运载火箭惯性测量系统。
所述运载火箭惯性测量系统，包括：安装于运载火箭头部的捷联惯组和安装于运载火箭尾部的两个速率陀螺。
其中：
所述捷联惯组包括，第一陀螺和五个加速度计；所述第一陀螺为五轴一体光纤陀螺。
所述五轴一体光纤陀螺共有五条光纤回路；所述五条光纤回路，其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置。请参考图1。
O-XsYsZs为惯组测量坐标系(三轴正交)，OX，OY，OZ分别与OXs，OYs，OZs轴重合，OS轴正向与OX，OY，OZ正向之间的夹角分别为Sα，Sβ，Sγ，OT轴正向与OX，OY，OZ正向之间的夹角分别为Tα，Tβ，Tγ；
Gx，Gy，Gz，Gs，Gt为五轴一体光纤陀螺，Gx，Gy，Gz三个正交安装陀螺仪分别沿OX，OY，OZ轴方向，测量正向为箭头所指方向；Gs斜置，沿OS轴方向安装，Gt斜置，沿OT轴方向安装，测量正向为箭头所指方向。
两个所述速率陀螺包括，第二陀螺和第三陀螺；所述第二陀螺和第三陀螺均为双轴光纤陀螺且均正交设置。
所述五个加速度计，其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装。
请参考图1，Ax，Ay，Az，As，At为五个加速度计，Ax，Ay，Az三个加速度计分别沿OX，OY，OZ轴方向，测量正向为箭头所指方向；As斜置，沿OS轴方向安装，At斜置，沿OT轴方向安装，测量正向为箭头所指方向。
基于上述设计，所述五条光纤回路与五个加速度计的投影关系重合。
为搭建上述的运载火箭惯性测量系统，在一些可选的实施例中，所述五条光纤回路共用一只SLD光源和1个1*5耦合器；所述SLD光源作为1*5耦合器的输入源。
基于此设计，测量系统的捷联惯组采用了五轴一体的光纤陀螺，尽可能的减少了冗余方案带来的器件增加对系统带来的影响，降低了惯性测量系统冗余的成本。
具体地，请参考图2，每条光纤回路分别由：与1*5耦合器相连的1*2耦合器，与1*2耦合器一端输出相连的Y波导，与Y波导相连的光纤环，以及与1*2耦合器另一自由端输出相连的探测器。
实施例二：
基于上述运载火箭惯性测量系统，为对其内所涉及的部件进行故障判别，本实施例中针对性地提供有以下方法：
一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，包括以下步骤：第一陀螺故障诊断，将第一陀螺的五条光纤回路其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置；对第一陀螺进行标定，对投影关系进行修订；采集五个光纤回路的角速度用于光纤轴故障诊断。
上述步骤中给出了对第一陀螺的故障诊断方法。
对第一陀螺而言，当其内某一光纤轴发生故障时，其所采集的信息将失去了控制价值，需要利用故障判别方法进行甄别。
具体地，基于实施例一将五条光纤回路如图1所示的设置。
设置后，对第一陀螺进行标定，对投影关系进行修订；具体标定方法参考现有技术即可。
为便于对五个光纤轴进行判断，采集五个光纤回路的角速度即可。
具体地判断公式如下所示：
其中：
Δt1为：每次故障诊断的时间间隔
εGs，εGt，εGxy，εGxz，εGyz为：误差阈值
δωi为：视角速度增量(i＝x、y、z、s、t)
Ksx，Ksy，Ksz，Ktx，Kty，Ktz为投影系数。
式1-5
基于上述判断公式：
1、五个公式都满足，说明五个光纤轴都工作正常；
2、公式1-1、1-2、1-3、1-4不满足，公式1-5满足，说明x轴的光纤轴故障。
3、公式1-1、1-2、1-3、1-5不满足，公式1-4满足，说明y轴的光纤轴故障。
4、公式1-1、1-2、1-4、1-5不满足，公式1-3满足，说明z轴的光纤轴故障。
5、公式1-1、1-3、1-4、1-5不满足，公式1-2满足，说明s轴的光纤轴故障。
6、公式1-2、1-3、1-4、1-5不满足，公式1-1满足，说明t轴的光纤轴故障。
在一些可选的实施例中，还包括以下步骤：加速度计故障诊断，将五个加速度计其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装；对五个加速度计进行标定，对投影关系进行修订；采集五个加速度计的加速度用于加速度计故障诊断。
对加速度计而言，当其内某一加速度计发生故障时，其所采集的信息将失去了控制价值，需要利用故障判别方法进行甄别。
具体地判断公式如下所示：
其中：
Δt1为：每次故障诊断的时间间隔
εAs，εAt，εAxy，εAxz，εAyz为：误差阈值
εωi为：视角速度增量(i＝x、y、z、s、t)。
Ksx，Ksy，Ksz，Ktx，Kty，Ktz为投影系数。
基于上述判断公式：
1、五个公式都满足，说明五个加速度计都工作正常；
2、公式2-1、2-2、2-3、2-4不满足，公式2-5满足，说明x轴加速度计故障。
3、公式2-1、2-2、2-3、2-5不满足，公式2-4满足，说明y轴的加速度计故障。
4、公式2-1、2-2、2-4、2-5不满足，公式2-3满足，说明z轴的加速度计故障。
5、公式2-1、2-3、2-4、2-5不满足，公式2-2满足，说明s轴的加速度计故障。
6、公式2-2、2-3、2-4、2-5不满足，公式2-1满足，说明t轴的加速度计故障。
在一些可选的实施例中，还包括以下步骤：第二陀螺和第三陀螺的故障诊断：当第二陀螺和第三陀螺信息一致且未超出一致性门限时，认为二者均正常；当第二陀螺和第三陀螺信息超出一致性门限时，则将第一陀螺信息分别与第二陀螺和第三陀螺信息进行比较，取二者中与第一陀螺信息相接近的。
基于上述方法能够对第二陀螺和第三陀螺的故障状态进行判断，采用的方法为双冗余以节省硬件。
其中：一致性门限是：误差小于初始设定的阈值。
当第二陀螺和第三陀螺信息一致且未超出一致性门限时，认为二者均正常，即非故障状态，此时，取第二陀螺和第三陀螺的平均值进行控制。
当第二陀螺和第三陀螺信息超出一致性门限时，则将第一陀螺信息分别与第二陀螺和第三陀螺信息进行比较，取二者中与第一陀螺信息相接近的，则另一陀螺被判定为故障状态。
具体地，还包括以下步骤：当第二陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第二陀螺，完全用第三陀螺陀螺用于控制。
具体地，还包括以下步骤：当第三陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第三陀螺，完全用第二陀螺陀螺用于控制。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种运载火箭惯性测量系统，其特征在于，包括：安装于运载火箭头部的捷联惯组和安装于运载火箭尾部的两个速率陀螺；
所述捷联惯组包括，第一陀螺和五个加速度计；所述第一陀螺为五轴一体光纤陀螺；
两个所述速率陀螺包括，第二陀螺和第三陀螺；所述第二陀螺和第三陀螺均为双轴光纤陀螺且均正交设置；
所述五轴一体光纤陀螺共有五条光纤回路；所述五条光纤回路，其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置；
所述五个加速度计，其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装；
所述五条光纤回路与五个加速度计的投影关系重合。
2.根据权利要求1所述的一种运载火箭惯性测量系统，其特征在于：所述五条光纤回路共用一只SLD光源和1个1*5耦合器；所述SLD光源作为1*5耦合器的输入源。
3.根据权利要求2所述的一种运载火箭惯性测量系统，其特征在于：每条光纤回路分别由：与1*5耦合器相连的1*2耦合器，与1*2耦合器一端输出相连的Y波导，与Y波导相连的光纤环，以及与1*2耦合器另一自由端输出相连的探测器。
4.一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一陀螺故障诊断，
将第一陀螺的五条光纤回路其中三条处于正交位置，剩余两条斜置设置；
对第一陀螺进行标定，对投影关系进行修订；
采集五个光纤回路的角速度用于光纤轴故障诊断。
5.根据权利要求4所述的一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，其特征在于，还包括以下步骤：
加速度计故障诊断，
将五个加速度计其中三个处于正交位置，剩余两个斜置安装；
对五个加速度计进行标定，对投影关系进行修订；
采集五个加速度计的加速度用于加速度计故障诊断。
6.根据权利要求4或5所述的一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，其特征在于，
第二陀螺和第三陀螺的故障诊断：
当第二陀螺和第三陀螺信息一致且未超出一致性门限时，认为二者均正常；
当第二陀螺和第三陀螺信息超出一致性门限时，则将第一陀螺信息分别与第二陀螺和第三陀螺信息进行比较，取二者中与第一陀螺信息相接近的。
7.根据权利要求6所述的一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当第二陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第二陀螺，完全用第三陀螺陀螺用于控制。
8.根据权利要求6所述的一种运载火箭惯性测量系统组件的冗余方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当第三陀螺的故障次数超出预定值时，则切除第三陀螺，完全用第二陀螺陀螺用于控制。
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