CN1904554B - 空间应用的低功耗光纤陀螺组合降功耗方法 - Google Patents

Abstract

空间应用的低功耗光纤陀螺组合设计方法，具体如下：(1)将单表光纤陀螺信号处理系统进行降功耗设计，选用低功耗芯片，降低了单表光纤陀螺内部数字处理芯片的工作频率，大大降低了陀螺内部信号处理系统的功耗；(2)将单表光纤陀螺光源温控电路降功耗设计，使光源安装在光纤陀螺的底板上即安装面内侧，从而光源的热量能够迅速通过热传导传至安装基座上，减少了陀螺高温工作时温控电路的热功耗，从而降低了光纤陀螺的功耗；(3)将光纤陀螺组合体的降功耗设计，具体方案为最大限度的增加陀螺安装面与本体安装面、本体安装面与基座安装面的接触面积，从而减少光纤陀螺组合体的热功耗。本发明提高了光纤陀螺的可靠性，保证了光纤陀螺空间应用时的使用寿命。

Description

空间应用的低功耗光纤陀螺组合降功耗方法

技术领域

本发明涉及一种空间应用的低功耗光纤陀螺组合设计方法。

背景技术

近年来，光纤陀螺(FOG)由于其潜在的优势和应用前景而备受重视，已经成为新一代惯性制导测量系统中的主导器件。随着光纤陀螺研究的深入，人们逐步解决了光纤陀螺的各种关键问题，使光纤陀螺性能不断提高。现在光纤陀螺已经实现了集成化和数字化。国外研制的光纤陀螺零位漂移已达到0.001°/h以内，标定因数稳定性优于几个ppm，测量精度达到了0.0003°/h。光纤陀螺整体可以完全满足空间各种应用的需求。

基于光纤陀螺的优点，在空间飞行器上使用高精度光纤陀螺(I-FOG)作为高精度速率积分陀螺，它不仅能使三轴姿态的动态过程测量精度摆脱姿态敏感器带宽的限制，而且没有传统机械陀螺的维护难、稳定性差的问题，小体积、低功耗可以提高空间飞行器的有效载荷。尤其是近10年来国际上已有400多颗小卫星发射入轨，完成各种飞行任务。据多方面材料报到，利用微小卫星组网、编队将是小卫星发展的主要趋势，因此小卫星产业化的前景被各界看好。可以预见，在卫星上使用光纤陀螺进行姿态控制将是卫星姿态控制的一种趋势。

与光纤陀螺的其它应用相比，空间应用时卫星、航天飞行器及各种载荷等的姿态控制至少需要3个光纤陀螺来敏感空间飞行器的姿态信息，光纤陀螺的低功耗设计是非常必要的。光纤陀螺在导弹上应用时，由于光纤陀螺工作时间短，一般光纤陀螺的工作时间也就几分钟，因而对光纤陀螺的功耗要求不高；光纤陀螺在飞机、战车上应用时其能量的来源与空间飞行器的能量来源要容易得多，因而对光纤陀螺的功耗也可以一定的放宽。对于空间应用的光纤陀螺来说低功耗的设计方法是必须解决的问题。空间飞行器的能量来源于太阳能电池，其功率是一定的，而且太阳能电池的充放电次数也是一定的，作为载荷之一的光纤陀螺功耗越低，空间飞行器就能带更多的有效载荷；现在空间飞行器执行飞行任务一般为5到10年甚至更长的时间，光纤陀螺每降低0.1w的功耗，飞行器在执行完飞行任务的整个周期内所节省的能源是相当可观的；光纤陀螺的功耗降低表现为光纤陀螺的热功耗降低，就提高了陀螺的可靠性，同时也就保证了陀螺的使用寿命。目前，国外在这方面是保密的，国内还未见有相似的专利文献和非专利文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种空间应用光纤陀螺低功耗设计方法，采用本方法光纤陀螺组合的功耗大大降低，表现为光纤陀螺组合的发热量大幅度降低，提高了光纤陀螺组合的可靠性，保证了使用寿命。

本发明的技术解决方案：空间应用的低功耗光纤陀螺组合设计方法，其特征在于主要是从单表光纤陀螺和光纤陀螺组合两方面来降低光纤陀螺组合的功耗，具体如下：针对空间应用时姿态控制的特点，在不影响光纤陀螺精度的前提下，选用低功耗芯片，并降低了信号处理电路的工作频率，从而较大的降低了光纤陀螺信号处理系统的功耗；此外，光纤陀螺中另一个功耗较大的部件为光源的温控电路，因为在全温范围内为保证光源性能的稳定性，光源必须工作在一个恒定的温度上，从而需要较大的温控电流，尤其是在高温的条件下.为了降低光源温控电路的功耗，采用了低热阻设计方案即在光源底部贴上散热块并安装在陀螺的底面(安装面)上，因而光源的热量能迅速地通过热传导传至光纤陀螺的安装基座上，较大的降低了光纤陀螺温控电路的功耗.另一方面光纤陀螺组合也采用了低热阻设计：最大限度的增大光纤陀螺安装面与本体安装面，光纤陀螺组合安装面与基座安装面的接触面积，保证光纤陀螺的热量能够迅速通过热传导传至安装基座上而散去，从而降低了光纤陀螺组合的温控电路的功耗.

本发明与现有技术相比的优点在于：低功耗的光纤陀螺组合方案，有利于空间飞行器更有效的配置有限的能源；由于较大的降低了光纤陀螺的功耗，表现为陀螺的发热量大量的减少，因而光纤陀螺热失效的可能性大幅度的降低，提高了光纤陀螺的可靠性，保证了空间应用时的使用寿命。此外，本发明充分考虑到光纤陀螺空间应用时所必需的高可靠和长寿命这一特点，采用低功耗的光纤陀螺组合方案，减少了光纤陀螺的热功耗，提高了可靠性，保证了光纤陀螺能够在空间上成功应用。

附图说明

图1为本发明单表光纤陀螺内部图；

图2为本发明的单表光纤陀螺图；

图3为本发明的本体结构图(1)；

图4为本发明的本体结构图(2)；

图5为本发明的光纤陀螺组合结构(接插件板未画出)。

具体实施方式

如图1所示，单表光纤陀螺降低功耗一是：通过选用低功耗的芯片，把大量以前所采用的±5V供电的芯片改成±3V供电的低功耗芯片，比如采用供电电压为±5V，供电电流为1.7mA的运算放大器AD8012代替了原来供电电压为±5V，供电电流为22mA的运算放大器LT1807，多个运算放大器的替换就给单表光纤陀螺降低功耗将近700mw；二是：降低光纤陀螺信号处理系统工作频率的方法，考虑到空间飞行器的姿态变化是极其缓慢的，并且其姿态变化的范围很小(0°/h-10°/h)，因而可以较大的降低光纤陀螺信号处理系统的工作频率，选用了较低频率的信号处理芯片，所选用的功耗较大的芯片如A/D芯片，D/A芯片，FPGA芯片的功耗都由原来200mw以上降至100mw-150mw。通讯频率由原来的614.4KHz变为38.4KHz，既较大的降低了光纤陀螺的功耗又不会影响飞行器姿态控制的精度；同时为了降低光源温控电流，采用了低热阻设计方案，把光源安装的光纤陀螺的底面(安装面，图2中1的内部)上，保证光源的热量能够迅速的传递到本体上。

如图2所示，光纤陀螺安装面1，其面积为70mm×70mm，如图3、4所示，x轴陀螺的本体安装面2，其面积为75mm×75mm；y轴陀螺的本体安装面3，其面积为75mm×75mm；z轴陀螺的本体安装面5，其面积为75mm×75mm；本体与安装基座的安装面4，其面积为80mm×80mm。

如图5所示，三个陀螺6、7、8的安装面与光纤陀螺组合本体的安装面2、4、5，光纤陀螺组合的安装面3和空间飞行器基座的安装面都是紧密结合，最大程度的增加了它们之间的接触面积，也就是增加了它们之间的散热面积，降低了热阻，保证了三只光纤陀螺的热量能够迅速通过热传导传到飞行器的基座上而散去，因而也从另一方面降低了光纤陀螺温控所需的功耗。

Claims (1)

1.空间应用的低功耗光纤陀螺组合降功耗方法，其特征在于从单表光纤陀螺和光纤陀螺组合两方面来降低光纤陀螺组合的功耗，具体如下：

(1)将单表光纤陀螺信号处理系统进行降功耗处理，在不影响陀螺精度的前提下，选用低功耗芯片，降低单表光纤陀螺内部数字处理芯片的工作频率，降低了陀螺内部信号处理系统的功耗；

(2)将单表光纤陀螺光源温控电路降功耗处理，在光纤陀螺的内部结构中，使光源安装在光纤陀螺的底板上即光纤陀螺的安装面内侧，从而光源的热量能够迅速通过热传导传至光纤陀螺组合体安装基座上，减少陀螺高温工作时温控电路的热功耗，降低光纤陀螺的功耗；

(3)对光纤陀螺组合体进行降功耗处理，降低光纤陀螺组合体的热阻，保证陀螺的热功耗能够迅速通过热传导传至组合体的安装基座上，通过增加陀螺安装面与本体安装面、本体安装面与基座安装面的接触面积，减少光纤陀螺组合体的热功耗。

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