CN113008270B - 一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，主要内容基于三通道总线十表光纤惯组，提高了单机可靠性，取消了双八表冗余惯组使用的一体化支架以及方位差瞄准操作，简化操作流程；合成精度测试由箭载计算机作为BC来组织消息，减少地面计算，提升了箭上自主测试能力。

Description

一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法
技术领域
本发明涉及基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，属于运载火箭测试及发射流程设计领域。
背景技术
捷联惯性组合(简称惯组)是现役运载火箭控制系统的重要设备，测量运载火箭的角速率和加速度信息，经积分运算得到运动载体的速度、位置、姿态，提供给控制系统进行导航控制。
我国现役运载火箭通常采用惯组冗余技术提高控制系统的可靠性，如双套六表激光捷联惯组、双套七表激光捷联惯组、双套八表激光/光纤惯组等多种组合方式构成冗余热备份状态。
无论是哪种冗余配置方式，在进行惯组合成精度测试时，均是需依赖地面前置主机采集惯组输出的陀螺和加表脉冲并完成最终的计算结果，箭载计算机不参与惯组合成精度测试，箭载计算机自主测试能力较低。
现役运载火箭捷联惯组对外通信通常采用RS422通信。惯组采用RS422对外通信需要箭测、遥测和地测多个接口，而且通信速率较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲在三通道总线上分别独立传输，箭载计算机作为BC(总线控制器)计算惯组合成精度测试结果，并最终将结果显示在三屏软件的流程屏上。
本发明的技术解决方案是：
一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，包括如下步骤：
步骤一：在测试开始前，地面测试设备通过1553B总线将箭载计算机需要使用的测试程序烧写固化至FLASH中；
步骤二：连接箭地之间电缆，打开地面测发控设备，确认箭上地面准备好后，操作人员在主控微机上选择测试条目；
步骤三：后端主控微机通过TCP网络发送配电指令，对箭上控制系统加电，十表光纤惯组上电并自检合格后，进入惯组预热状态；
步骤四：惯组进入预热阶段后，地面主控微机向箭载计算机发送箭机加载测试程序指令及箭机数据装订指令，箭载计算机完成上述测试程序加载和数据装订操作后，程序跳转，运行测试程序，箭载计算机作为BC开始采集十表光纤惯组输出的脉冲；
步骤五：十表光纤惯组预热至稳定状态，当箭载计算机收到前置主机发送的“惯组精度计算开始”RS422指令后，从装订数据中读取十表光纤惯组加速度计、陀螺标度因数和零位误差，对十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲进行补偿计算，根据一段时间的脉冲增量信息计算XYZ轴和ZST轴陀螺的合成精度以及XYZ轴和ZST轴加速度计的合成精度，根据合成精度结果确认各轴陀螺和加速度计是否正常工作。
十表光纤惯组安装方式如下：
沿OXYZ三轴方向第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪正交安装，第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计正交安装，第四陀螺仪和第四加速度计沿S轴斜置平行安装，第五陀螺仪和第五加速度计沿T轴斜置平行安装。
XYZ轴陀螺的合成精度Δω1计算公式如下：
Figure BDA0002947617380000031
其中，Δθix为误差补偿后十表光纤惯组X轴陀螺仪的角增量，Δθiy为误差补偿后十表光纤惯组Y轴陀螺仪的角增量，Δθiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴陀螺仪的角增量，ωie为地球自转角速度；
XYZ轴加速度计的合成精度ΔG1计算公式如下：
Figure BDA0002947617380000032
其中，ΔWix为误差补偿后十表光纤惯组X轴加速度计的视速度增量，ΔWiy为误差补偿后十表光纤惯组Y轴加速度计的视速度增量，ΔWiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴加速度计的视速度增量，g为当地重力加速度。
ZST轴陀螺的合成精度Δω2计算公式如下：
Figure BDA0002947617380000033
其中，Δθiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴陀螺仪的角增量，Δθis为误差补偿后十表光纤惯组S轴陀螺仪的角增量，Δθit为误差补偿后十表光纤惯组T轴陀螺仪的角增量，ωie为地球自转角速度；
ZST轴加速度计的合成精度ΔG2计算公式如下：
Figure BDA0002947617380000034
其中，ΔWiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴加速度计的视速度增量，ΔWis为误差补偿后十表光纤惯组S轴加速度计的视速度增量，ΔWit为误差补偿后十表光纤惯组T轴加速度计的视速度增量，g为当地重力加速度。
箭载计算机配备3套1553B总线，每套1553B总线对应一个独立CPU，每套1553B总线独立接收十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲，并发送给对应的CPU，3个独立CPU分别根据加速度计陀螺标度因数和零位误差以及接收的十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲，计算十表光纤惯组合成精度，得到三套测试结果。
箭载计算机将三套测试结果下传至地面前置主机；三套惯组合成精度测试结果在三屏显示软件的流程屏上显示，并对比三组测试结果完成验证。
测试时，十表光纤惯组放置在转台上，转台转动能够模拟惯组处于空间中的指定角度，测试不同角度下的惯组精度。
得到陀螺仪和加速度计的合成精度结果后，主控微机分别对十表光纤惯组陀螺和加速度计的合成精度进行判断，判断合格后，发送全自主对准开始指令，进入下一流程或者主控微机控制箭上与地面逆序断电，完成所有测试。
本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：
(1)十表光纤惯组内部陀螺和加表均为5个，均为“三正两斜”配置，十表光纤惯组有多种表头的组合方式，相比八表惯组的“三正一斜”来说，十表光纤惯组能够通过不同表头组合的对比结果开展故障诊断，适应陀螺或者加表一度故障的模式，提高了单机故障适应能力，提高了单机的可靠性。
(2)十表光纤惯组对外通信采用了三总线接口，总线通信模块、供电模块均是独立的，相比于单套总线，每套1553B总线均有独立的接口电路，每套接口电路均配置相同的接口控制软件，惯组合成精度测试时十表光纤惯组的陀螺和加表的输出脉冲信息及最后的合成精度测试结果在每套1553B总线上均独立传输，从而进一步提高了单机的可靠性。
(3)十表光纤惯组惯组合成精度测试为箭上箭载计算机作BC采集三总线上输出的惯组陀螺和加表脉冲，每套总线上惯组脉冲均独立用于惯组合成精度测试，最后在流程屏上显示三通道总线各自计算的合成精度测试结果并比对，提高了惯组合成精度测试结果的可靠性。相比于八表状态，箭载计算机不参与惯组合成精度测试，而由前置主机作BC采集惯组输出脉冲并完成惯组合成精度测试来说，十表光纤惯组的合成精度测试方法减少了对地面设备的依赖，提高了箭载计算机的自主测试能力。
附图说明
图1是惯组合成精度测试箭地信息流图；
图2是十表光纤惯组仪表配置示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步详细描述。
十表光纤惯组作为新研捷联惯性测量单机，将取代现有运载火箭如双八表冗余惯组状态，取消一体化支架，简化操作流程；十表光纤惯组基于三总线接口设计，内部陀螺和加速度计为“三正两斜”配置，均提高了单机的可靠性和适应故障能力。
如图1所示，是运载火箭箭地信息流图，其中惯组合成精度测试流程由主控微机完成；前置主机通过RS422和1553B总线完成和箭机的信息交互；十表光纤惯组安装在转台上，主控微机控制转台控制微机可使惯组处于空间的某个指定角度，从而完成该角度下的惯组合成精度测试。
如图2所示，十表光纤惯组仪表配置如下：
惯组中配置五个陀螺仪和五个加速度计，沿OXYZ三轴方向陀螺仪1，陀螺仪2，陀螺仪3正交安装，加速度计1，加速度计2，加速度计3正交安装，陀螺仪4和加速度计4沿S轴斜置平行安装，陀螺仪5和加速度计5沿T轴斜置平行安装。
基于以上技术，本发明提出了基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，步骤如下：
步骤一：箭机测试软件固化
在测试开始前，将箭机测试软件由地面测试设备通过1553B总线烧写固化至箭机的FLASH中。
步骤二：控制系统箭上、地面状态准备
将箭地电缆连接好，按照测试细则打开地面测发控设备，由系统指挥人员检查确认箭上地面状态准备好后，主控微机操作人员通过主控微机软件选择测试条目。
步骤三：控制系统箭上单机配电
根据系统测试流程，后端主控微机通过TCP网络向前端PLC发送配电指令，PLC接收指令后依序为箭上控制系统十表光纤惯组、箭载计算机加电。十表光纤捷联惯组上电并自检，主控微机判断自检结果合格后，进入惯组预热状态。
步骤四：开始稳定系统程序数据准备
惯组开始预热后，箭载计算机收到前置主机发送的“箭机加载测试程序”RS422指令后，读取固化在FLASH中的箭机测试软件复制到SRAM中；箭载计算机收到前置主机发送的“箭机数据装订”RS422指令后，通过1553B总线从前置主机中读取测试数据，完成稳定系统测试数据装订，装订结束并校对校验和；校对通过后，前置主机通过箭地RS422总线向箭载计算机发送“箭机程序跳转”指令，箭载计算机作为BC开始运行箭机测试软件，组织惯组控制和遥测消息；前置主机作为MT分三个独立通道独立记录整100s加速度计和陀螺的增量信息。
步骤五：惯组合成精度测试
待惯组预热好后，箭机测试软件接收前置主机发送的“惯组精度计算开始”RS422指令后，箭机使用装订数据中的十表光纤惯组的加速度计、陀螺标度因数和零位误差，采集三通道总线上传输的脉冲数据并分别补偿计算，独立记录一段时间内的三通道总线上的加速度计和陀螺脉冲增量信息并据此计算惯组合成精度结果，三路计算结果最终在流程屏中显示。
十表捷联光纤惯组配置的五个陀螺仪和五个石英加速度计，配置如图图2所示。
合成精度测试包括十表惯组的陀螺合成精度和加速度计合成精度，每次捷联采样后，计算五个陀螺和五个加速度计的角速度和视加速度，并分别合成为惯组的角速度和视加速度。
XYZ轴陀螺合成精度计算：
Figure BDA0002947617380000071
ZST轴陀螺合成精度计算：
Figure BDA0002947617380000072
Δω1、Δω2：陀螺合成精度计算结果；
Δθi：误差补偿后，捷联惯组的角增量，下标x,y,z,s,t对应陀螺安装轴。
ωie：地球自转角速度；
XYZ轴加速度计合成精度计算：
Figure BDA0002947617380000081
ZST轴加速度计合成精度结果：
Figure BDA0002947617380000082
ΔG1、ΔG2：加速度计合成精度计算结果；
ΔWi：误差补偿后，捷联惯组的视速度增量，下标x,y,z,s,t对应加速度计安装轴。
g：当地重力加速度；
合成精度主要用于测试各表头的精度与功能，XYZ、ZST两种组合的合成精度测试已经覆盖所有5个表头，如果5表中任意一表有故障，均能在XYZ、ZST的合成精度测试结果中有反映，故为简化起见，箭机只进行XYZ、ZST的合成精度计算。
十表光纤惯组预热至稳定状态(通电约2400秒)，测试流程进入惯组合成精度测试项目。箭载计算机进行合成精度测试时，接收到3套1553B总线消息，由箭载计算机的3个独立CPU分别计算，计算得到的3套合成精度结果至地面前置主机。前置主机工作在MT模式，与箭机同步计算合成精度，计算结果可以相互对照。
合成精度测试过程中，主控微机控制转台转动两个角度，充分考核计算合成精度，考核的角度例如有【90，0，0】、【30，20，30】。考核十表光纤捷联惯组装箭垂直状态和倾斜角度情况下，陀螺加速度计的地速、重力合成结果。
步骤七：后续测试阶段
惯组合成精度测试结束后，测试流程将会进入下一阶段，如初始对准阶段，完成后续测试。
步骤八：全箭断电
在箭载计算机完成惯组合成精度测试或者飞行程序后即箭机停止组织总线消息后，主控微机发送指令对箭上及地面设备进行逆序断电操作。
本发明中，控制系统采用“单十表”光纤惯组冗余，“十表”惯组陀螺和加速度计除正交安装的三表外，还斜置安装了两个表，组成“三正两斜”方案，能够适应表头一度故障模式，并且节省一台控制系统单机，降低控制系统单机重量，提高运载能力。合成精度主要用于测试各表头的精度与功能，并且必须要满足控制系统指标要求。当其中一个表头出现故障时，均在能合成精度测试结果中反映出来。
本发明相比于单套1553B总线惯组单机，十表光纤惯组共含有三路1553B接口电路，每块接口电路配置相同的接口控制软件，提高了单机可靠性。
本发明基于三通道总线十表惯组，提高了单机可靠性，取消了双八表冗余惯组使用的一体化支架以及方位差瞄准操作，简化操作流程；合成精度测试由箭载计算机作为BC来组织消息，减少地面计算，提升了箭上自主测试能力。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在测试开始前，地面测试设备通过1553B总线将箭载计算机需要使用的测试程序烧写固化至FLASH中；
步骤二：连接箭地之间电缆，打开地面测发控设备，确认箭上地面准备好后，操作人员在主控微机上选择测试条目；
步骤三：后端主控微机通过TCP网络发送配电指令，对箭上控制系统加电，十表光纤惯组上电并自检合格后，进入惯组预热状态；
步骤四：惯组进入预热阶段后，地面主控微机向箭载计算机发送箭机加载测试程序指令及箭机数据装订指令，箭载计算机完成上述测试程序加载和数据装订操作后，程序跳转，运行测试程序，箭载计算机作为BC开始采集十表光纤惯组输出的脉冲；
步骤五：十表光纤惯组预热至稳定状态，当箭载计算机收到前置主机发送的“惯组精度计算开始”RS422指令后，从装订数据中读取十表光纤惯组加速度计、陀螺标度因数和零位误差，对十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲进行补偿计算，根据一段时间的脉冲增量信息计算XYZ轴和ZST轴陀螺的合成精度以及XYZ轴和ZST轴加速度计的合成精度，根据合成精度结果确认各轴陀螺和加速度计是否正常工作；
箭载计算机配备3套1553B总线，每套1553B总线对应一个独立CPU，每套1553B总线独立接收十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲，并发送给对应的CPU，3个独立CPU分别根据加速度计陀螺标度因数和零位误差以及接收的十表光纤惯组各轴的陀螺和加速度计输出脉冲，计算十表光纤惯组合成精度，得到三套测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：十表光纤惯组安装方式如下：
沿OXYZ三轴方向第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪正交安装，第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计正交安装，第四陀螺仪和第四加速度计沿S轴斜置平行安装，第五陀螺仪和第五加速度计沿T轴斜置平行安装。
3.根据权利要求2所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：
XYZ轴陀螺的合成精度Δω1计算公式如下：
Figure FDA0003803264010000021
其中，Δθix为误差补偿后十表光纤惯组X轴陀螺仪的角增量，Δθiy为误差补偿后十表光纤惯组Y轴陀螺仪的角增量，Δθiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴陀螺仪的角增量，ωie为地球自转角速度；
XYZ轴加速度计的合成精度ΔG1计算公式如下：
Figure FDA0003803264010000022
其中，ΔWix为误差补偿后十表光纤惯组X轴加速度计的视速度增量，ΔWiy为误差补偿后十表光纤惯组Y轴加速度计的视速度增量，ΔWiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴加速度计的视速度增量，g为当地重力加速度。
4.根据权利要求2所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：
ZST轴陀螺的合成精度Δω2计算公式如下：
Figure FDA0003803264010000031
其中，Δθiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴陀螺仪的角增量，Δθis为误差补偿后十表光纤惯组S轴陀螺仪的角增量，Δθit为误差补偿后十表光纤惯组T轴陀螺仪的角增量，ωie为地球自转角速度；
ZST轴加速度计的合成精度ΔG2计算公式如下：
Figure FDA0003803264010000032
其中，ΔWiz为误差补偿后十表光纤惯组Z轴加速度计的视速度增量，ΔWis为误差补偿后十表光纤惯组S轴加速度计的视速度增量，ΔWit为误差补偿后十表光纤惯组T轴加速度计的视速度增量，g为当地重力加速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：箭载计算机将三套测试结果下传至地面前置主机；三套惯组合成精度测试结果在三屏显示软件的流程屏上显示，并对比三组测试结果完成验证。
6.根据权利要求1所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：测试时，十表光纤惯组放置在转台上，转台转动能够模拟惯组处于空间中的指定角度，测试不同角度下的惯组精度。
7.根据权利要求1所述的一种基于三总线接口的十表光纤惯组合成精度测试方法，其特征在于：得到陀螺仪和加速度计的合成精度结果后，主控微机分别对十表光纤惯组陀螺和加速度计的合成精度进行判断，判断合格后，发送全自主对准开始指令，进入下一流程或者主控微机控制箭上与地面逆序断电，完成所有测试。
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