CN112146651A - 一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合 - Google Patents

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荣义杰
陈家伟
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Abstract

本发明公开了一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，所述陀螺组合包括：主体，其具有第一平面、第二平面和第三平面，其中，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间的相对位置固定；第一MEMS陀螺和第二MEMS陀螺，安装于所述第一平面；第三MEMS陀螺和第六MEMS陀螺，安装于所述第二平面；第四MEMS陀螺和第五MEMS陀螺，安装于所述第三平面；其中，所述第一MEMS陀螺组合的测量轴、所述第三MEMS陀螺组合的测量轴和所述第五MEMS陀螺组合的测量轴中的任意两个相互垂直。本发明为满足微小卫星对星载陀螺组合的体积小、功耗低和高可靠性等要求对陀螺组合进行了小型化、低功耗处理。本发明选用MEMS陀螺作为角速度敏感器件，其具有体积小、高精度、低功耗等特点。

Description

一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合
技术领域
本发明涉及惯性导航领域，具体涉及一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合。
背景技术
星载陀螺组合是安装在卫星上的用于测量卫星旋转角速度的设备。当前卫星用陀螺组合主要有光纤陀螺和振动式陀螺，为满足卫星对精度和可靠性的要求，但光纤陀螺和振动陀螺的体积与功耗都很大。随着微小卫星的发展，卫星对星载陀螺提出了小型化和低功耗等要求。传统的光纤陀螺和振动式陀螺无法满足微小卫星对功耗和体积的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于空间飞行器惯性敏感系统的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，微机械陀螺组合是卫星姿轨控分系统的角速度敏感器件，用于敏感卫星星体的惯性角速度，输出其在星体坐标系上的角速度分量，为卫星各个工作模式和飞行阶段提供连续的三轴惯性角速度信息。微机械陀螺组合在保证中高精度和可靠性的同时，通过优化安装方法和结构设计，实现了陀螺组合的小型化和低功耗。同时，为了面对太空中复杂的辐射环境，微机械陀螺组合采用了高质量等级器件和对薄弱位置进行了贴装铅皮加固处理，并且为了提高组合的可靠性，本组合对角速度敏感器件进行了备份设计，进一步保障了可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，所述陀螺组合包括：
主体，其具有第一平面、第二平面和第三平面，其中，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间的相对位置固定；
第一MEMS陀螺和第二MEMS陀螺，安装于所述第一平面；
第三MEMS陀螺和第六MEMS陀螺，安装于所述第二平面；
第四MEMS陀螺第五MEMS陀螺，安装于所述第三平面；
其中，所述第一MEMS陀螺组合的测量轴、所述第三MEMS陀螺组合的测量轴和所述第五MEMS陀螺组合的测量轴中的任意两个相互垂直。
可选地，所述陀螺组合还包括：
控制单元，其与所述第一MEMS陀螺、所述第二MEMS陀螺、所述第三MEMS陀螺、所述第四MEMS陀螺、所述第五MEMS陀螺和所述第六MEMS陀螺进行通信。
可选地，所述控制单元为反熔丝型FPGA。
可选地，所述陀螺组合还包括：
第二MEMS陀螺，其测量轴与所述第一MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺还包括：
第四MEMS陀螺，其测量轴与所述第五MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺组合还包括：
第六MEMS陀螺，其测量轴与所述第三MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺组合还包括：
电源模块，用于对所述陀螺组合中的各部件进行供电。
可选地，各MEMS陀螺之间、各MEMS陀螺与所述控制单元之间均采用柔性带连接。
可选地，所述控制单元与各MEMS陀螺之间采用SPI通信协议。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：
本发明为满足微小卫星对星载陀螺组合的体积小、功耗低和高可靠性等要求对陀螺组合进行了小型化、低功耗处理。本发明选用MEMS陀螺作为角速度敏感器件，其具有体积小、高精度、低功耗等特点；采用柔性印制板设计，利用胶粘的安装方式，将6个MEMS陀螺固定在三个两两相互垂直的平面上，实现了陀螺组合的小型化设计。为了保证陀螺组合的可靠性，在电路设计上，所有元器件选用了高质量等级器件，其中控制单元反熔丝FPGA具有很高的的抗辐照能力，并且对单粒子不敏感，具有很强的环境适应能力；同时每个敏感轴上两个MEMS陀螺的备份设计保障了陀螺组合的可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例中小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合的结构示意图；
图2为本发明一实施例中小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合的印制板结构示意图；
图3为本发明一实施例中小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合的立体图；
图4为本发明一实施例中小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合的电路原理框图。
具体实施方式
以下结合附图1至4具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1-4所示，本实施例提供的一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，所述陀螺组合包括：
主体，其具有第一平面、第二平面和第三平面，其中，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间的相对位置固定；
第一MEMS陀螺1和第二MEMS陀螺2，安装于所述第一平面；
第三MEMS陀螺3和第六MEMS陀螺6，安装于所述第二平面；
第四MEMS陀螺4和第五MEMS陀螺5，安装于所述第三平面；
MEMS陀螺又称微机械陀螺，是卫星姿轨控分系统的角速度敏感器件，用于敏感卫星星体的惯性角速度，输出其在星体坐标系上的角速度分量，为卫星各个工作模式和飞行阶段提供连续的三轴惯性角速度信息。
其中，所述第一MEMS陀螺1组合的测量轴、所述第三MEMS陀螺3组合的测量轴和所述第五MEMS陀螺5组合的测量轴中的任意两个相互垂直。传统的光纤陀螺和振动式陀螺无法满足微小卫星对功耗和体积的要求，对此，微机械陀螺组合在保证中高精度和可靠性的同时，通过优化安装方法和结构设计，实现了陀螺组合的小型化和低功耗。同时，为了面对太空中复杂的辐射环境，微机械陀螺组合采用了高质量等级器件和对薄弱位置进行了贴装铅皮加固处理，并且为了提高组合的可靠性，本组合对角速度敏感器件进行了备份设计，进一步保障了可靠性。
本发明为满足微小卫星对星载陀螺组合的体积小、功耗低和高可靠性等要求对陀螺组合进行了小型化、低功耗处理。本发明选用MEMS陀螺作为角速度敏感器件，其具有体积小、高精度、低功耗等特点；采用柔性印制板设计，利用胶粘的安装方式，将6个MEMS陀螺固定在三个两两相互垂直的平面上，实现了陀螺组合的小型化设计。为了保证陀螺组合的可靠性，在电路设计上，所有元器件选用了高质量等级器件，其中控制单元反熔丝FPGA具有很高的的抗辐照能力，并且对单粒子不敏感，具有很强的环境适应能力；同时每个敏感轴上两个MEMS陀螺的备份设计保障了陀螺组合的可靠性。
可选地，所述陀螺组合还包括：
控制单元，其与所述第一MEMS陀螺1、所述第二MEMS陀螺2、所述第三MEMS陀螺3、所述第四MEMS陀螺4、所述第五MEMS陀螺5和所述第六MEMS陀螺6进行通信。
可选地，所述控制单元为反熔丝型FPGA。
可选地，所述陀螺组合还包括：
第二MEMS陀螺2，其测量轴与所述第一MEMS陀螺1的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺还包括：
第四MEMS陀螺4，其测量轴与所述第五MEMS陀螺5的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺组合还包括：
第六MEMS陀螺6，其测量轴与所述第三MEMS陀螺3的测量轴平行或重合。
可选地，所述陀螺组合还包括：
电源模块，用于对所述陀螺组合中的各部件进行供电。
可选地，各MEMS陀螺之间、各MEMS陀螺与所述控制单元之间均采用柔性带连接。
可选地，所述控制单元与各MEMS陀螺之间采用SPI通信协议。
图1为MEMS陀螺位置示意图，第一MEMS陀螺1、第二MEMS陀螺2、第三MEMS陀螺3、第四MEMS陀螺4、第五MEMS陀螺5和第六MEMS陀螺6均采用胶粘方式固定在三个两两垂直的平面上。
图2为印制板结构图，第一MEMS陀螺1、第二MEMS陀螺2、第三MEMS陀螺3、第四MEMS陀螺4、第五MEMS陀螺5和第六MEMS陀螺6的布置位置，标有“Flex”的为柔性带区域，MEMS陀螺之间、MEMS陀螺与控制电路之间通过柔性带连接，总装时通过胶粘方式固定在结构上，极大地减少了组合的体积。
图3为陀螺组合结构示意图。
图4为电路原理框图，组合整体采用+5V供电，控制单元FPGA与敏感单元MEMS陀螺之间采用SPI通信协议，陀螺组合与卫星姿轨控系统之间采用卫星上常用RS422通信协议。
微机械陀螺组合的功耗主要分布在MEMS陀螺和控制单元FPGA上，经过测试，MEMS陀螺的功耗在0.16W左右，FPGA的功耗在0.1W左右，陀螺组合的功耗在1.5W左右。对比卫星上常用的光纤陀螺和半球陀螺十几瓦的功耗有了明显的提高。微机械陀螺组合选用高质量等级器件，控制单元的反熔丝FPGA对太空环境中的单粒子和辐照不敏感，每个敏感轴上两个MEMS陀螺的备份设计进一步提高了陀螺组合的可靠性。微机械陀螺组合的精度主要在于其敏感器件MEMS陀螺的精度，本发明选用的MEMS陀螺100秒平滑后精度在0.03度每小时，满足一般卫星需要的中高精度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺组合包括：
主体，其具有第一平面、第二平面和第三平面，其中，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间的相对位置固定；
第一MEMS陀螺和第二MEMS陀螺，安装于所述第一平面；
第三MEMS陀螺和第六MEMS陀螺，安装于所述第二平面；
第四MEMS陀螺第五MEMS陀螺，安装于所述第三平面；
其中，所述第一MEMS陀螺组合的测量轴、所述第三MEMS陀螺组合的测量轴和所述第五MEMS陀螺组合的测量轴中的任意两个相互垂直。
2.如权利要求1所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺组合还包括：
控制单元，其与所述第一MEMS陀螺、所述第二MEMS陀螺、所述第三MEMS陀螺、所述第四MEMS陀螺、所述第五MEMS陀螺和所述第六MEMS陀螺进行通信。
3.如权利要求2所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述控制单元为反熔丝型FPGA。
4.如权利要求1所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺组合还包括：
第二MEMS陀螺，其测量轴与所述第一MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
5.如权利要求1所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺还包括：
第四MEMS陀螺，其测量轴与所述第五MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
6.如权利要求1所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺组合还包括：
第六MEMS陀螺，其测量轴与所述第三MEMS陀螺的测量轴平行或重合。
7.如权利要求2所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述陀螺组合还包括：
电源模块，用于对所述陀螺组合中的各部件进行供电。
8.如权利要求2所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，各MEMS陀螺之间、各MEMS陀螺与所述控制单元之间均采用柔性带连接。
9.如权利要求1所述的小体积低功耗高可靠性的微机械陀螺组合，其特征在于，所述控制单元与各MEMS陀螺之间采用SPI通信协议。
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