用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障自動定位方法

孫沂昆，董 薇，譚啟蒙

（1.北京特種工程研究院，北京 100028；2.航天科技五院501 所，湖南長沙 410005）

0 引言

光纖陀螺，即光纖角速度傳感器。世界上第一個光纖陀螺是在20 世紀90 年代研發(fā)的，在實際應用中具有較高的角速度測量精度以及角速度測量效率，被廣泛應用于各個領域中，尤其是軍事領域，其主要用于采集衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，為衛(wèi)星姿態(tài)控制提供精準的數(shù)據(jù)依據(jù)。自從光纖陀螺問世以來，在衛(wèi)星姿態(tài)控制中的地位逐漸提高，但是在技術上還存在一系列問題，其中最主要的問題就是光纖陀螺故障自動定位。

作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的核心部件，光纖陀螺的運行環(huán)境條件比較復雜，任何電子設備在長時間高速運轉過程中都會不可避免地出現(xiàn)一些故障。光纖陀螺的運行質量對于衛(wèi)星姿態(tài)控制精度具有重要影響作用，如果在運行過程中發(fā)生故障。現(xiàn)有的故障定位方法在實際應用中存在較大誤差，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實需求。因此，對用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障自動定位研究十分必要。本文針對用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障的自動定位方法展開研究，結合傳統(tǒng)故障定位方法存在的弊端，設計一種新的故障自動定位方法，為故障的自動定位提供參考依據(jù)。

1 光纖陀螺故障自動定位方法設計

1.1 光纖陀螺故障信號提取

用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺在運行過程中產(chǎn)生的故障類型有很多種，其中包括偏置故障、周期干擾故障、運行邏輯故障、完全阻塞故障以及乘性故障。每種運行狀態(tài)都具有不同的特征，但是在光纖陀螺的運行過程中，無論處于哪種故障狀態(tài)，都會對光源產(chǎn)生的光功率造成損耗。

光纖陀螺在運行過程中主要是由光源控制電路產(chǎn)生光功率，因此將光纖陀螺光源控制電路所產(chǎn)生的光功率作為故障信號。光纖陀螺的核心裝置為角速度探測器，在正常運行狀態(tài)下，角速度探測器的光功率要達到一定的要求。角速度探測器的輸出為光功率轉換后的電壓信號，因此對于光纖陀螺故障信號的提取與光纖陀螺上角速度探測器的電壓信號有直接關系。假設到達光纖陀螺上角速度探測器的光功率為P 計算公式如下：

式中，w為考慮降額的由光源驅動電流得到的光功率；a為光路損耗[1]。

經(jīng)過轉換的角速度探測器輸出電壓信號峰值x 為：

式中，r 為角速度探測器的跨阻抗；q 為角速度探測器的光響應度[2]。通常情況下，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺采用的是SSO 調制，根據(jù)以上計算的經(jīng)過轉換的用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺角速度探測器輸出電壓信號的峰值，計算光纖陀螺角速度探測器輸出的偏置電壓：

式中，x*為角速度探測器輸出的偏置電壓；b 為角速度探測器的無光輸出電壓[3]。

假設正常運行狀態(tài)下光纖陀螺角速度探測器的電壓范圍在x*1～x*2，利用KORA 采集器對超出以上范圍的光纖陀螺故障信號進行采集。利用差分運放對光纖陀螺角速度探測器的偏置電壓進行信號轉換，KORA 采集器的信號位數(shù)為4 位，KORA 采集器對光纖陀螺故障信號的采集主要依靠采集器的碼值，KORA 采集器的碼值與光纖陀螺故障信號的關系如下：

式中，x*1表示使用差分運放轉換后的偏置電壓最小值；x*2表示使用差分運放轉換后的偏置電壓最大值[4]。利用上述公式還可以表示出KORA 采集器的碼值范圍為m1～m2，當KORA 采集器碼值小于m1時，采集器認定光纖陀螺角速度探測器的偏置電壓過小，光源控制電路產(chǎn)生光功率太小，光纖陀螺處于故障狀態(tài)，采集此時的光纖陀螺運行數(shù)據(jù)[5]。當KORA 采集器碼值大于m2時，采集器認定光纖陀螺角速度探測器的偏置電壓過大，光源控制電路產(chǎn)生光功率太大，光纖陀螺處于故障狀態(tài)，采集此時光纖陀螺的運行數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)對光纖陀螺故障信號的提取。

1.2 光纖陀螺故障信號特征分析及故障定位

提取到光纖陀螺故障信號后，對光纖陀螺故障特征進行分析，并對故障進行自動定位。光纖陀螺不同故障，其光功率表現(xiàn)是不同的，可分為偏置故障、周期干擾故障、運行邏輯故障、完全阻塞故障以及乘性故障5 種故障狀態(tài)，加上正常運行狀態(tài)，共有為6 種運行狀態(tài)。在上述的6 種運行狀態(tài)下，光源控制電路所產(chǎn)生的光功率范圍見表1。

表1 不同運行狀態(tài)下光纖陀螺的光功率范圍 mW

按照表1 將提取到的光纖陀螺數(shù)據(jù)進行分類，并將光功率作為特征向量，用標簽{a，b，c，d，e，f}表示光纖陀螺正常運行、偏置故障、完全阻塞、漂移故障、周期干擾、乘性故障6種運行狀態(tài)，將KORA 采集器提取到的光纖陀螺故障信號帶入定位函數(shù)中，對光纖陀螺故障進行定位分析：

式中，W 表示用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障類型；n 表示用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障類型數(shù)量；w1表示提取到的光纖陀螺特征向量；w*表示第n 個光纖陀螺故障類型的特征向量[6]。當提取到的光纖陀螺特征向量與光纖陀螺故障類型的特征向量相一致時輸出故障類型，即可確定光纖陀螺的故障位置，進而實現(xiàn)對光纖陀螺故障自動定位。

2 實驗論證分析

為了驗證此次設計方法的有效性和可靠性，設計對比實驗。以IKJSHD/AS5F5A 型光纖陀螺實驗對象，其尺寸為Φ60 mm×32 mm，頻帶寬度為156.35 Hz，數(shù)據(jù)刷新頻率為1550 Hz，零偏穩(wěn)定性小于0.1，標度因數(shù)非線性度小于65×10-6，啟動時間為0.5 s。利用本文設計的故障自動定位方法與傳統(tǒng)的故障診斷方法，對該光纖陀螺故障進行定位。對光纖陀螺經(jīng)常發(fā)生偏置故障、周期干擾故障、運行邏輯故障、完全阻塞故障以及乘性故障，并包括光纖陀螺正常運行狀態(tài)在內(nèi)，分別取40、45、50、55、60、65 個樣本測試集設置對比實驗，對比結果為兩種方法的定位誤差。實驗使用兩種方法對光纖陀螺故障自動定位70 次，其定位情況見表2。

表2 光纖陀螺故障定位情況

利用YUO 軟件計算每定位10次兩種方法的定位誤差，將其作為檢驗兩種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障自動定位方法精度指標，實驗結果見表3。

表3 兩種方法定位誤差對比

從表3 中數(shù)據(jù)可以得出以下結論：此次設計方法對于光纖陀螺故障定位誤差比較小，最小值小于0.01%，可以忽略不計，證明該方法能夠準確定位光纖陀螺的運行故障；而傳統(tǒng)方法對于光纖陀螺故障定位誤差比較大，隨著故障數(shù)量和定位迭代計算次數(shù)的增加，定位誤差也隨之增加，遠高于本文設計的方法。實驗結果證明，此次設計方法在定位誤差方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，可以實現(xiàn)對光纖陀螺故障的精準定位。

3 結束語

光纖陀螺在衛(wèi)星姿態(tài)控制技術中占據(jù)著重要的地位，其運行狀態(tài)對于衛(wèi)星姿態(tài)控制精度具有重要影響作用。本文結合光纖陀螺故障特征及光纖陀螺故障自動定位的實際需求，設計了一種新的故障自動定位方法，有效提高了用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的光纖陀螺故障自動定位精度，對保證光纖陀螺運行質量具有重要價值，為光纖陀螺的檢修和運維工作提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。由于此次研究時間有限，可能在某些方法存在一些不足之處，今后還需進行進一步地研究、創(chuàng)新與優(yōu)化，為衛(wèi)星姿態(tài)控制提供可靠的技術支撐。