一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置製造方法

2023-05-10 00:58:36 3

一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置製造方法
【專利摘要】本發明包括一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，特別用於太空飛行器導航、制導與控制的長壽命、高可靠，冗餘慣性測量裝置，屬於慣性測量【技術領域】。包括三軸正交一軸斜置的本體結構；本體內包含了四隻光纖陀螺儀，兩份信號處理與接口電路、兩份二次電源電路。本發明的兩份信號處理與接口電路，互為冗餘；兩份二次電源電路，互為冗餘。可靠性高；在軌使用時，當其中任意不多於一個軸或一個通道發生故障時，依然能夠提供三軸姿態角速度，實現冗餘配置，保證產品功能正常。
【專利說明】一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，特別涉及一種用於太空飛行器導航、制導與控制的小型化、高可靠、多表冗餘光纖陀螺慣測裝置，屬於慣性測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光纖陀螺儀是一種全固態慣性儀表，它具有傳統機電儀表所不具備的優點。它是由光學器件和電子器件組成的閉環系統，通過檢測兩束光的相位差來確定自身角速度，因此在結構上它是完全固態化的陀螺儀，沒有任何運動部件。光纖陀螺儀正是以其原理和結構上的優點，使其在許多應用領域具有明顯的優勢，尤其是在對產品可靠性和壽命要求很高的太空飛行器上，其主要特點表現在以下幾個方面:(1)全固態:光纖陀螺儀的部件都是固態的，具有抗真空、抗振動和衝擊的特性；(2)長壽命:光纖陀螺儀所用的關鍵光學器件都可滿足空間應用長壽命要求；(3)高可靠性:光纖陀螺儀結構設計靈活，生產工藝相對簡單，可方便地對其進行電路的冗餘設計，或者採用冗餘陀螺儀構成慣性測量系統，這樣可以提高系統的可靠性。
[0003]現有技術中光纖陀螺慣測裝置多採用三軸方案，這樣就可以測量太空飛行器三軸相對於慣性空間的姿態，但此方案一個軸發生故障時均不能提供三軸相對於慣性空間的姿態，可靠性較差，無法實現系統重構。

【發明內容】

[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種冗餘構型的四軸光纖陀螺慣測裝置。保證產品高可靠性，滿足長壽命、高可靠性太空飛行器的需求。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，其特徵在於包括:主份二次電源(I)、主份信號處理與接口電路(2)、X光纖陀螺儀(3)、Y光纖陀螺儀(4)、Z光纖陀螺儀(5)、S光纖陀螺儀(6)、備份二次電源(7)、備份信號處理與接口電路
(8)，本體結構件(9) ；X光纖陀螺儀(3)、Y光纖陀螺儀(4)、Z光纖陀螺儀(5)三隻正交，S光纖陀螺儀(6)與X光纖陀螺儀(3)、Y光纖陀螺儀(4)、Ζ光纖陀螺儀(5)之間的夾角均為θ，Θ =54° ±0.1°，四隻光纖陀螺儀用於敏感角速度信息並輸出；主份二次電源(I)與備份二次電源(7)互為冷備份，用於給四隻光纖陀螺儀和信號處理與接口電路供電，當某份二次電源出現故障時，可以切換至另外一份，仍然保證產品功能正常；主份信號處理與接口電路(2)與備份信號處理與接口電路(8)也為冷備份，用於接收和處理光纖陀螺儀輸出數據，當某份信號處理與接口電路出現故障時，可以切換另外一份，仍然保證產品功能正常。
[0006]所述四隻光纖陀螺儀電路均使用ASIC晶片為控制核心單元，該ASIC晶片包括:復位接口模塊，完成各寄存器復位；串口模塊，通過串口實現陀螺控制所需的參數配置；閉環控制模塊，完成光纖陀螺的數字閉環控制功能；輸出接口模塊，完成陀螺儀角速度信號輸出。光纖陀螺儀內使用裸管探測器，檢測光源的光功率，並將光功率信息輸出；光纖陀螺儀內採用了兩路鉬電阻作為溫度傳感器，其中一隻鉬電阻粘貼於光纖環，檢測光纖環溫度並輸出；一路粘貼於光纖陀螺電路板，檢測陀螺儀電路板溫度並輸出；
[0007]所述兩份信號處理與接口電路均採用「單片機+ASIC」晶片為控制核心單元，抗輻照能力達到lOOkrad(si),該ASIC晶片包括:復位接口模塊，響應復位請求，完成單片機復位功能；單片機通信接口模塊，完成與單片機數據交互功能；可配置分頻模塊，產生可配置頻率的時鐘信號；陀螺脈衝計數接口模塊，完成4路光纖陀螺儀脈衝計數；模擬量數據採集模塊，完成16路模擬量數據採集及模擬開關的時序選通功能；中斷管理模塊，完成中斷管理功能；看門狗模塊，完成看門狗定時器功能；32個字節FIFO串口模塊，完成角速度、溫度和光功率信息的輸出；16個字節FIFO串口模塊，完成地檢數據接收功能。
[0008]所述的光纖陀螺慣測裝置可靠度R (t)採用下式確定:R(t) = e-(A l(l +RdCA2+Ai) ?)Η4β。λ i 為一隻光纖陀螺儀失效率；λ 2 為單
份信號處理與接口電路失效率；λ 3為單份二次電源電路失效率。
[0009]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0010](I)本發明與現有的三軸光纖陀螺慣測裝置方案相比，將慣性測量裝置內的光纖陀螺儀、二次電源、信號處理與接口電路均進行了冗餘化設計:當某隻光纖陀螺儀故障時，不影響裝置功能；某份二次電源或信號處理與接口電路故障時，通過切換至另外一份二次電源或信號處理與接口電路，仍能保證裝置的功能，從而整體提高了裝置的可靠性；
[0011](2)光纖陀螺儀內採用了兩路溫度傳感器監測光纖陀螺儀內部溫度，採用裸管探測器監測光纖陀螺儀光源的光功率，以上措施均能用於判斷陀螺儀健康狀態，提高裝置的可靠性；
[0012](3)現有的技術採用了 FPGA晶片實現高速通訊方案，本發明採用ASIC晶片作為核心控制單元，ASIC晶片為國產器件,抗福照能力達到lOOkrad(si),目前抗福照能力高的FPGA晶片禁運，無法獲得。因此，使用ASIC晶片提高了裝置可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的組成原理框圖；
[0014]圖2為光纖陀螺儀原理框圖；
[0015]圖3為信號處理與接口電路原理框圖；
[0016]圖4為二次電源電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本發明光纖陀螺慣測裝置主份二次電源1、主份信號處理與接口電路
2、X光纖陀螺儀3、Y光纖陀螺儀4、Z光纖陀螺儀5、S光纖陀螺儀6、備份二次電源7、備份信號處理與接口電路8，本體結構件9 ；Χ光纖陀螺儀3、Y光纖陀螺儀4、Z光纖陀螺儀5三隻正交，S光纖陀螺儀6與X光纖陀螺儀3、Y光纖陀螺儀4、Z光纖陀螺儀5之間的夾角均為θ，Θ =54.74°，四隻光纖陀螺儀用於敏感角速度信息並輸出；主份二次電源I與備份二次電源7互為冷備份，用於給四隻光纖陀螺儀和信號處理與接口電路供電，當某份二次電源出現故障時，可以切換至另外一份，仍然保證產品功能正常；主份信號處理與接口電路2與備份信號處理與接口電路8也為冷備份，用於接收和處理光纖陀螺儀輸出數據，當某份信號處理與接口電路出現故障時，可以切換另外一份，仍然保證產品功能正常；[0018]上述4隻光纖陀螺儀的外形均為一直徑為108mm,高為54mm的圓柱體，圓柱體採用鐵鎳合金材料，在圓柱體內部有光路部分和電路部分，如圖2所示，其中光路部分包括光源、稱合器、Y波導、光纖環和探測器；光源為波長為1310nm的SLD光源,稱合器為單模光纖耦合器，光纖環採用單模保偏光纖，長度為2218m，繞制方法採用四極對稱繞制方法，光纖陀螺儀使用裸管探測器，連接在耦合器的空頭端，監測SLD光源的光功率；電路部分由AD轉換晶片、DA轉換晶片、ASIC晶片組成，電路部分採用ASIC晶片作為核心控制單元，由探測器將光信號轉換為電壓模擬信號，經過AD晶片轉換為數位訊號，ASIC晶片串口模塊採集該數位訊號再傳輸給閉環控制模塊，然後通過ASIC晶片的輸出接口模塊輸出，輸出數位訊號經過DA晶片轉換為電壓模擬信號用以控制Y波導電壓輸入，實現光纖陀螺儀閉環控制。光纖陀螺儀內採用了兩隻鉬電阻作為溫度傳感器，其中一隻鉬電阻粘貼於光纖環，檢測光纖環溫度並輸出；一路粘貼於光纖陀螺電路板，檢測陀螺儀電路板溫度並輸出。
[0019]如圖3所示，上述兩份信號處理與接口電路均採用「單片機+ASIC」晶片為控制核心單元，抗輻照能力達到IOOkrad(Si)，信號處理與接口電路部分包括EEPROM/PROM、ASIC晶片。該ASIC晶片包括:復位模塊；單片機通信模塊；脈衝計數模塊、模擬量數據採集模塊；看門狗模塊、32個字節FIFO串口、16個字節FIFO串口。光纖陀螺輸出信號經信號處理與接口電路ASIC晶片脈衝計數器後，完成光纖陀螺儀輸出信息的採集；溫度信號和光功率等模擬量輸出經過ASIC晶片模擬量採集模塊，完成溫度信號和光功率信號採集。上述信號通過ASIC晶片通信模塊後流向單片機進行處理，處理完的數據流回ASIC晶片通信模塊，再通過32個字節FIFO串口輸出 。陀螺地檢數據通過ASIC晶片16個字節FIFO串口進入ASIC晶片通信模塊並流向單片機進行處理，處理完的數據再流向ASIC晶片通信模塊，最後通過32個字節FIFO串口輸出。復位信號經過ASIC晶片復位模塊後完成單片機的復位功能。
[0020]主份二次電源和備份二次電源均包括過流保護模塊、浪湧抑制模塊、輸入濾波模塊、電源轉換電路、輸出過流保護模塊，主份二次電源與備份二次電源通過一次地和切換電路相連，如圖4所示。一次電源經過過流保護模塊，防止二次電源短路而對一次電源母線構成危害。再經過浪湧抑制模塊，使浪湧電流控制在要求範圍內，然後流經輸入濾波電路，將電源中高頻幹擾信號濾除，接著通過電源轉換電路將一次電源轉化為二次電源，二次電源再經過輸出過流保護電路，當輸出功率到達保護值時，模塊自動保護，當過流情況消除後，能自動恢復正常供電，而後給信號處理與接口電路、光纖陀螺儀供電。主份二次電源和備份二次電源供地連接，通過切換電路可以使兩份二次電源中的一份工作，切換電路具有互鎖功能，能防止兩份二次電源同時工作。
[0021]上述構型光纖陀螺慣測裝置可靠度計算:
[0022](I)設單只光纖陀螺儀總失效率為λ i，則四隻光纖陀螺儀並聯
【權利要求】
1.一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，其特徵在於包括:主份二次電源(I)、主份信號處理與接口電路⑵、X光纖陀螺儀⑶、Y光纖陀螺儀⑷、Z光纖陀螺儀(5)、S光纖陀螺儀(6)、備份二次電源(7)、備份信號處理與接口電路(8)，本體結構件(9) ;X光纖陀螺儀(3)、Y光纖陀螺儀(4)、Z光纖陀螺儀(5)三隻正交，S光纖陀螺儀(6)與X光纖陀螺儀(3)、Y光纖陀螺儀(4)、Z光纖陀螺儀(5)之間的夾角均為θ，Θ =54° ±0.1°，四隻光纖陀螺儀用於敏感角速度信息並輸出；主份二次電源(I)與備份二次電源(7)互為冷備份，用於給四隻光纖陀螺儀和信號處理與接口電路供電，當某份二次電源出現故障時，可以切換至另外一份，仍然保證產品功能正常；主份信號處理與接口電路(2)與備份信號處理與接口電路(8)也為冷備份，用於接收和處理光纖陀螺儀輸出數據，當某份信號處理與接口電路出現故障時，切換另外一份，仍然保證產品功能正常。
2.根據權利要求1所述的高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，其特徵在於:所述四隻光纖陀螺儀電路均使用ASIC晶片為控制核心單元，該ASIC晶片包括:復位接口模塊，完成各寄存器復位；串口模塊，通過串口實現陀螺控制所需的參數配置；閉環控制模塊，完成光纖陀螺的數字閉環控制功能；輸出接口模塊，完成陀螺儀角速度信號輸出。光纖陀螺儀內使用裸管探測器，檢測光源的光功率，並將光功率信息輸出；光纖陀螺儀內採用了兩路鉬電阻作為溫度傳感器，其中一隻鉬電阻粘貼於光纖環，檢測光纖環溫度並輸出；一路粘貼於光纖陀螺電路板，檢測陀螺儀電路板溫度並輸出。
3.根據權利要求1所述的高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置，其特徵在於:所述兩份信號處理與接口電路均採用「單片機+ASIC」晶片為控制核心單元，抗輻照能力達到lOOkrad(si),該ASIC晶片包括:復位接口模塊,響應復位請求,完成單片機復位功能；單片機通信接口模塊，完成 與單片機數據交互功能；可配置分頻模塊，產生可配置頻率的時鐘信號；陀螺脈衝計數接口模塊，完成4路光纖陀螺儀脈衝計數；模擬量數據採集模塊，完成16路模擬量數據採集及模擬開關的時序選通功能；中斷管理模塊，完成中斷管理功能；看門狗模塊，完成看門狗定時器功能；32個字節FIFO串口模塊，完成角速度、溫度和光功率信息的輸出；16個字節FIFO串口模塊，完成地檢數據接收功能。
4.一種高可靠冗餘型四軸光纖陀螺慣測裝置的可靠度確定方法，其特徵在於:所述的光纖陀螺慣測裝置可靠度R (t)採用下式確定:Rit) = e-(^ +t)H4e-u'', λ:為一隻光纖陀螺儀失效率；λ 2 為單份信號處理與接口電路失效率；λ 3為單份二次電源電路失效率。
【文檔編號】G01C19/72GK103697881SQ201310741033
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】王巍, 向政, 張峰, 何熠, 王頌邦, 孟祥濤, 鄭極石 申請人:北京航天時代光電科技有限公司