某型機光纖慣導重新對準故障的分析與排除

摘 要：針對某型機在地面開車時光纖慣性導航系統重新對準故障進行了詳細分析，結合光纖慣性導航系統原理，定位于光纖慣導部件電源板內部限流電阻阻值降低導致光纖慣性導航系統發生重新對準故障，對其采取了有效措施并進行充分驗證，可為同類機載產品故障的排除提供參考。

關鍵詞：光纖慣性導航系統；重新對準；電阻

中圖分類號：V351.31" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0052-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.013

0" " 引言

光纖陀螺自20世紀70年代被提出以來，便以其優異的性能引起了人們的廣泛關注。與傳統機電陀螺相比，光纖陀螺作為全固態儀表，具有成本低、壽命長、體積小、動態范圍大、結構設計靈活、生產工藝簡單、應用范圍廣等特點；與激光陀螺相比，光纖陀螺不需要克服“自鎖”用的機械抖動裝置，無超高精度的光學加工要求，無超密封氣體要求，具有裝配工藝簡單、功耗低、可靠性高等優點。因此，基于光纖陀螺的捷聯慣導系統從中低精度應用領域向中高精度應用領域發展，不僅在國防和軍事領域有強大的應用需求，在高鐵等民用領域也有很好的市場前景[1]。

1" " 故障現象

某型機在進行地面開車的過程中（即發動機啟動過程中），當發動機冷轉時（即發動機通電但不點火啟動的狀態），光纖慣性導航系統進入重新對準。

2" " 產品組成及工作原理

光纖慣性導航系統由慣性測量部件、磁航向傳感器及安裝托架組成，產品具有全天候自主導航能力，通過數據總線為其他航空電子系統提供各項導航信息，其組成示意圖如圖1所示。

光纖慣性導航系統通過光纖陀螺和石英加速度計生成載機的角速率和加速度，角速率和加速度信號送給慣性測量部件的主機板，通過捷聯解算對外輸出位置、速度、航向、姿態信息。產品接收來自衛星導航通信系統的衛星定位信息和來自多普勒雷達的速度信息，在不同工作模式下分別使用衛星定位信息中的位置信號和多普勒雷達提供載機的速度信號對系統自身解算出的位置、速度、航向、姿態進行修正，最后以1553B和ARINC429數據信號傳輸格式對外輸出更為精確的位置、速度、航向、姿態信息和三軸加速度、三軸角速率等導航參數。

3" " 故障分析與排查

3.1" " 故障原因分析

慣導系統的對準是指確定慣性導航系統的初始姿態和位置的過程。這一過程對于確保導航系統的準確性和可靠性至關重要，通過準確的初始對準，可以減少導航系統的誤差，提高導航系統的性能。

發生光纖慣導部件重新對準的條件是：

1）光纖慣導部件的啟動信號重新啟動；

2）光纖慣導部件重新供電。

光纖慣導正常地面開車和試飛過程中均未出現重新對準的情況，因此首先排除振動影響和線纜接觸不良的問題，同時該故障僅在發動機冷轉時出現，故對相關的啟動信號和供電信號進行以下測試：

1）使用示波器對機上到光纖慣導部件的啟動信號進行監控測試，發動機冷轉時該信號輸出正常，未出現信號干擾等問題，產品重啟現象與啟動信號無關。

2）當發動機冷轉時，測量機上光纖慣導部件的供電電壓由28.5 V降至14.8 V，持續5 ms后恢復至25 V；根據測試，需重點排查發動機冷轉時供電電壓掉電到重新上電的切換過程對光纖慣性導航系統的影響。

通過光纖慣性導航系統機上測試和返廠檢查情況分析，光纖慣性導航系統本身設計有掉電延時電路（延時掉電100 ms），可在供電短時中斷的情況下保證后級DC-DC模塊等二級電源和后級用電設備供電正常，不會因前端電壓掉電造成產品重啟。

所以，判斷導致地面發動機冷轉時光纖慣導進入重新對準的主要原因是前級瞬時掉電保護電路失效。因此，以瞬時掉電保護電路失效為頂事件，從設計、制造、裝配、外場使用等方面建立故障樹，共7個底事件，如圖2所示。

3.2" " 故障排查定位

3.2.1" " 儲能電容故障

根據機上電源特性要求，光纖慣性導航系統需要在供電中斷的時候保證產品能正常工作，不能出現重啟情況，因此內部采用儲能電容實現掉電延時，掉電延時電路是在瞬時放電時利用儲能電容的靜電容量來實現功率保持，若儲能電容失效則無法對產品進行掉電延時保護，當機上發動機冷轉時，供電電壓出現掉電情況，會導致產品發生重啟。

1）儲能電容耐壓設計不足導致故障（X1）。

儲能電容額定電壓50 V，浪涌電壓55 V。機上輸入電壓28 V，滿足降額設計1.5倍要求，儲能電容電壓耐壓設計合理，因此，排除儲能電容耐壓設計不足導致故障（X1）。

2）儲能電容前端電壓過大導致故障（X2）。

儲能電容額定電壓50 V，浪涌電壓55 V，產品有防雷和濾波浪涌設計，保證進入電源板的電壓能鉗位到36 V。同時機上測試，發動機冷轉，產品重啟時，供電電壓由28.5 V掉到14.8 V，再升到25 V，實測未出現大電壓情況。因此，排除儲能電容前端電壓過大導致故障（X2）。

3）儲能電容自身異常導致故障（X3）。

產品返廠后，對儲能電容進行放電測試。儲能電容在產品下電后，可以繼續保持供電，因此，排除儲能電容自身異常導致故障（X3）。

3.2.2" " 限流電阻失效

為避免上電瞬間的沖擊電流過大影響前端供電設備，增加限流電路實現上電瞬間的電流限制，限流功能主要通過功率電阻實現。根據產品原理設計，功率電阻與儲能電容串聯，上電瞬間可抑制電流增大，起到限流作用，當限流電阻異常時，會導致儲能電容無法正常充放電或者充放電異常，進而導致產品掉電時出現重啟現象。

1）前端電壓過大導致限流電阻燒毀（X4）。

產品有防雷和濾波浪涌設計，保證進入電源板的電壓能鉗位到36 V，同時機上測試，發動機冷轉，產品重啟時，供電電壓由28.5 V掉到14.8 V，再升到25 V，實測未出現大電壓情況，同時觀察故障電阻實物外觀，未出現燒蝕痕跡。因此，排除前端電壓過大導致限流電阻燒毀（X4）。

2）限流電阻自身阻值異常（X5）。

產品返廠后，拆掉限流電阻，使用萬用表進行測試。限流電阻型號為RX21-3W-510ΩJ，阻值為510 Ω，實測在31 Ω左右，限流電阻自身阻值異常。因此，不能排除限流電阻自身阻值異常（X5）。

3.2.3" " 二極管失效

功率電阻的增加能降低產品上電瞬間的沖擊電流，但是放電時也會影響儲能電容的功率輸出，因此利用二極管的反向截止功能，將二極管與功率電阻并聯，在充電瞬間，二極管反向截止，不會影響充電效率，在放電瞬間，二極管正向導通，同樣也不會影響放電效率。而當二極管失效導致短路時，限流電阻無法對啟動電流進行限制，會導致儲能電容充放電異常，進而導致產品掉電時出現重啟現象。

1）二極管耐壓設計不足導致被擊穿（X6）。

二極管使用BZ3C，該二極管反向工作電壓100 V。機上輸入電壓28 V，滿足降額設計1.5倍要求，二極管不會反向導通。因此，排除二極管耐壓設計不足被擊穿（X6）。

2）二極管自身異常導致反向擊穿（X7）。

產品返廠后，使用萬用表對二極管正向導通功能進行測試，二極管正常導通，二極管正向導通功能正常。產品上電，對二極管反向截止功能進行測試，產品上電，二極管后端無電壓，證明二極管反向截止功能正常。因此，排除二極管自身異常導致反向擊穿（X7）。

3.3" " 底事件分析結論

經過分析和試驗，儲能電容選用合理，自身功能正常，電容兩端電壓正常，不會有大電壓，排除儲能電容導致重啟故障；二極管選用合理，自身功能正常，排除二極管失效導致重啟故障；返廠測試，限流電阻為31 Ω（正常值應為510 Ω），限流電阻自身阻值異常。因此，故障定位為限流電阻自身阻值異常導致光纖慣性導航系統進入重新對準。針對限流電阻自身阻值異常的故障，會同廠家進行故障分析，從2011年至今未反饋過限流電阻自身阻值異常類似情況，因此判定該電阻是個例，為小概率事件，即偶發失效導致了限流電阻自身阻值異常。

4" " 機理分析

機上供電28 V直流電源經過光纖慣導內部濾波器到電源板，電源板對輸入的28 V直流電源進行浪涌濾波和瞬時掉電保護處理，處理后的28 V直流電源通過DC-DC模塊轉換為±15 V、+5 V，給主機板、1553B板和慣性組件等后級電路供電。掉電保護電路中，瞬時放電功率保持是利用儲能電容的靜電容量來實現，同時考慮為避免上電瞬間的沖擊電流過大影響前端供電設備，增加限流電路實現上電瞬間的電流限制，若限流電阻阻值降低，將會造成儲能電容充放電異常（冷轉掉電再上電過程中，因限流電阻阻值降低，充電瞬間電流大大增加，能量瞬間流到儲能電容，同時儲能電容充電瞬間，不會對后級放電），造成后級電路供電功率不足，產品重啟。

因此，當發動機冷轉時，機上供電電壓有短時壓降，限流電阻自身阻值異常（X5故障）引起了儲能電容在充電時電流異常，導致儲能電容無法向后級穩定供電，光纖慣導系統進入重新對準。

5" " 解決措施及驗證情況

針對某型機地面發動機冷轉時光纖慣性導航系統進入重新對準的問題，對光纖慣導部件故障件內的限流電阻進行更換，更換完成后，使用程控電源多次模擬發動機冷轉情況，未再出現產品重啟現象；同時，對故障件重新進行高溫、低溫、常溫和跑車測試，產品工作正常。2023年9月6日，使用與裝機件電源板狀態一致的光纖慣導部件在機上進行了9次（一發、二發、三發各3次）發動機冷轉試驗，均未再出現光纖慣導部件重新對準的現象。經過機上試驗驗證，光纖慣導部件進入重新對準問題已解決。該故障是限流電阻偶發失效引起的，非批次性故障，采取入廠檢查、增設檢驗人員二次篩選等糾正措施嚴格保證器件質量，以避免此類故障再次發生。

6" " 結論

某型機在地面發動機冷轉時光纖慣性導航系統進入重新對準的問題，原因為光纖慣導部件電源板內部限流電阻阻值降低，通過對故障件更換合格的限流電阻來解決問題。故障定位準確，機理分析清楚，經試驗驗證，措施有效，可避免后續同類產品發生重新對準的故障。

[參考文獻]

[1] 李明澤，楊永斌，褚鵬蛟.光纖陀螺捷聯慣導系統專利分析研究[J].軍民兩用技術與產品，2020（7）：54-58.

收稿日期：2024-11-28

作者簡介：鐘敏（1984—），男，江西贛州人，碩士，工程師，研究方向：航電儀表。