某型惯性导航系统修理技术研究

易继猛

(凌云科技集团机载设备修理研究所,湖北 武汉 430030)

某型惯性导航系统修理技术研究

易继猛

(凌云科技集团机载设备修理研究所,湖北 武汉 430030)

列出了某型惯性导航系统修理的联试阶段，在双陀螺罗经对准的不同状态码时段，该系统及陀螺平台等主要部件的常见故障。论述了其工作原理，分析了其故障原因，给出了高故障率零组件专用逻辑变换器、积分补偿变换器等的检测方法及合格判据和液浮陀螺组件的角传感器、加速度计、力矩传感器等的自检故障触发值，明确了主要故障点定位和修理方法。

惯性导航系统;陀螺平台;故障;修理

某型惯性导航系统是我军某型引进飞机重要的自主导航系统，它由陀螺平台、数字计算机、自动装置、电子部件、专用电源组合、控制盒和托架等11个部件组成。长期以来，国外对此惯性导航系统的关键技术实施封锁，拒绝出售单件检测设备,国内只有随整机配备的惯导联试设备。修理该惯性导航系统时无法对单个故障件实施通电检测，只能全套惯性导航系统联试。该惯性导航系统设计为程序启动，且在程序启动的各时段检测到计算机、惯性元件或电源等主要部件故障时自动切断电源，待故障消除后才能继续按照设定的启动程序完成“对准”。因此，修理实践中，用带故障的部件联试时，因系统自动切断电源而无法采取持续地在线信号追踪、分析及故障过程保持、故障状态监测等传统检测方法来定位部件的故障零组件，只能依据不完全的联试“现象”来推断各部件的具体故障部位。又因国内外研究该惯性导航系统的公开文献极少，特别是陀螺平台部件中具有高、精、尖技术的核心零组件之液浮陀螺和加速度计，记载其技术参数的文献为空白。故用瞬时监控液浮陀螺的参数来辅助判定故障部件故障点的方法也不能实现。这些客观存在导致该惯性导航系统修理时故障部件的故障点无法定位，系统一旦出现问题,只能送到国外修理，装备完好率无法保障，迫切需要形成自主修理能力。近年来，在试修理实践活动中,立足现有联试设备资源，反复实验、探索、归纳总结和验证，通过观察惯性导航系统在双陀螺罗经对准时的“90”、“80”、“70”、“60”各状态码时段，惯性导航系统和陀螺平台部件中倾斜、俯仰框架和航向环的故障状态，配合简单的技术数据测试，实现了该惯性导航系统主要故障部件的故障点定位，基本掌握了该系统的修理技术，形成了批量修理能力。

1 修理中主要故障现象和故障原因

1.1 双陀螺罗经对准“90”时，陀螺平台倾斜或俯仰框架翻转，系统自动断电，“平台故障”和“系统故障”灯亮

故障现象：选择双陀螺罗经对准，状态码显示“90”时，出现陀螺平台倾斜或俯仰框架翻转，系统自动断电，“平台故障”和“系统故障”灯亮的故障现象。

原理分析：选择双陀螺罗经对准，计算机的输入输出显示器部件显示准备代码“90”时，液浮陀螺马达处于“加速”状态，陀螺平台处于“粗对准”[1]过程。此时，陀螺平台三轴的定向是分别由倾斜、俯仰和航向的角传感器即对应的旋转变压器来决定的。如图1所示，从倾斜、俯仰和航向旋转变压器输出的角度信号输入到电子部件对应的随动放大器放大，然后分别加到两个倾斜、俯仰和航向随动电机的控制端。随动电机带动各自的减速器旋转使平台框架转动，只要旋转变压器有信号输出，随动电机就一直转动直到消除其间的失调角。这样，陀螺平台就被设置到“机体轴系”[2]上。

图1 “90”状态原理图

故障原因及排除方法：按此时框架的随动工作原理，倾斜或俯仰框架翻转似乎只与相应的旋转变压器、随动放大器、随动电机和减速器等陀螺框架水平随动系统的闭环控制回路故障有关。但近30多套产品的修理实践证明，随动控制系统元件的故障率很低。仅发生过一例因随动电机的减速器与框架啮合处的铆接铆钉松动，导致传动不良外，几乎没有发生其它的故障。然而双陀螺罗经对准“90”时，陀螺平台倾斜或俯仰框架翻转，系统自动断电，“平台故障”和“系统故障”灯亮的现象却经常出现。经过探索和研究表明，除了随动系统故障这一显性原因外，还有“故障检测”这一重要的隐性原因。“粗对准”中各框架基本恢复水平的时间很短，应在2～4s时间内就可以完成。在这2～4s时间内安装在航向环架上的两个液浮陀螺组件也应随框架一起迅速处于基本水平位置，随后加到液浮陀螺组件内陀螺马达的电源由36V、375Hz变为50V、500Hz，马达开始加速。同时，液浮陀螺组件内的倾斜、俯仰角传感器ДУy、ДУx输出的4500Hz角度信号送到自动装置部件的故障检测组件。这一检测组件设定：在“粗对准”开始和完成后的2～4s时间内对液浮陀螺角传感器输出的角度信号不作故障检测，2～4s后即启动故障检测功能，当检测到角传感器输出的角度信号大于2300±500mV[3]时，输出零电平“平台故障”信号的同时，输出27V“系统故障”信号，并立即切断液浮陀螺马达电源，系统自动断电。

以上分析表明：双陀螺罗经对准“90”状态时，系统自动断电，“平台故障”和“系统故障”灯亮的原因是陀螺平台内的液浮陀螺组件的角度传感器在框架基本水平时输出的4500Hz角度信号大于2300±500mV，自动装置部件内的故障检测组件检测出液浮陀螺角度传感器故障而发出的故障信号和系统保护性断电。但陀螺平台框架偏转的原因是液浮陀螺组件的角度传感器输出的零位信号过大，导致框架随动而偏转，还是框架因其它控制回路故障而偏转，导致液浮陀螺组件的角度传感器“零位信号”过大，而使系统报故障而断电的原因不明确。在“90”阶段，液浮陀螺组件输出的角度信号是没有加入到框架水平随动系统的，框架的偏转与液浮陀螺组件似乎没有关系。但实际修理中更换了新的液浮陀螺组件，故障现象就消失了。研究发现：液浮陀螺组件中的力矩传感器输出的零值信号过大是框架偏转的故障原因。在自动装置内的力矩传感器放大器没有给液浮陀螺组件施加控制信号时，这一过大的零值信号使液浮陀螺进动[4]，液浮陀螺角度信号发生变化。又因在程序启动的设定上，此时的液浮陀螺角度信号还没有加入到随动系统来平衡这一进动引起的力矩变化，其作用相当于一个常值干扰力矩施加在框架上，引起框架误动作，产生翻转。

1.2 双陀螺罗经对准“80”时，陀螺平台倾斜或俯仰框架快速翻转，系统自动断电，“平台故障”灯亮

故障现象：选择双陀螺罗经对准，状态码显示“80”时，出现陀螺平台倾斜或俯仰框架快速翻转，系统自动断电，“平台故障”灯亮的现象。

原理分析：选择双陀螺罗经对准，输入输出显示器显示准备代码“80”时，陀螺平台已经收到数字计算机给出的“调水平”指令，系统结束“粗对准”状态并进入“调水平”状态。此时，陀螺平台的控制关系已经发生变化，旋转变压器输出的信号被切断，由加速度计输出的信号来控制陀螺平台的状态。如图2所示，系统自动进入“模拟对准”状态。平台上两个加速度计的信号ax、ay反映出陀螺平台相对水平面的偏离[5]，此信号先后加到自动装置中各自的加速度传感器放大器、力矩传感器放大器放大后，施加到陀螺平台部件中对应的液浮陀螺组件的力矩传感器上，液浮陀螺组件产生进动，液浮陀螺内的角传感器ДУx、ДУy的角度信号发生变化。此变化的信号经电子部件中对应的随动放大器放大后，加到对应的两个随动电机的控制端，使陀螺框架转动，直到陀螺平台的X、Y轴于水平面重合为止。方位上如图2所示，陀螺平台通过航向旋转变压器的信号始终保持沿飞机的X轴重合，陀螺平台如果在方位上有漂移，航向旋转变压器的信号就会发生变化，此变化的信号经过自动装置部件中的半导体稳压器进行信号变换，再经过半导体部件放大并相敏整流后送到下液浮陀螺组件的力矩传感器中，下液浮陀螺组件产生进动，其相应的角传感器输出信号，经电子部件中的随动放大器放大后送到陀螺平台航向随动电机。电机使陀螺平台的航向环绕方位轴转动，直到陀螺的Y轴与飞机的X轴重合。当航向旋转变压器的信号减小到0.5V以下时，航向旋转变压器输入到相敏整流器的信号被切断，ДУ-11角传感器的信号直接输入到相敏整流器经随动放大器放大后加到下液浮陀螺组件力矩传感器中。

图2 “80”状态原理图

故障原因及排除方法：“80”状态与“90”状态相比较，陀螺的框架水平随动系统的输入传感器已经切换为加速度计，而且液浮陀螺组件中的力矩传感器、角传感器也已经加入随动控制系统。“90”状态已经通过，证明各随动放大器、随动电机、减速器和框架组件都是没有故障的。系统发生故障应该限定于加速度计、加速度计放大器、力矩放大器、液浮陀螺组件的力矩传感器和角传感器等。加速度计的输出送到自动装置中的检测组件，这一检测组件设定：在“调水平”开始后的10±5s时间内对加速度计输出的信号不作自检测，10±5s后才启动自检功能，当检测到加速度计输入信号大于65±15mV时，输出零电平“加速度计故障”信号和27V高电平“系统故障”信号，并立即切断液浮陀螺马达和系统电源。故障现象中“加速度计故障”信号灯没有亮，可以判定加速度计无故障。此时若更换自动装置后再选择双陀螺罗经对准，故障现象仍然存在，可以判定加速度计放大器和力矩放大器无故障。由此断定应是液浮陀螺组件的力矩传感器或角传感器故障。其输出的4500Hz角度信号≥1800mV，使自动装置中的液浮陀螺自检测电路达到故障触发条件，系统输出“平台故障”信号点亮“平台故障”指示灯的同时切断系统电源。实践中，若观察到倾斜框架较俯仰框架先行快速翻转，应是上液浮陀螺组件故障，更换上液浮陀螺组件可以排除故障；若观察到俯仰框架较倾斜框架先行快速翻转则应是下液浮陀螺组件故障，更换下液浮陀螺组件，故障可以排除。

1.3 双陀螺罗经对准“90”或“80”时，陀螺平台框架不动，但系统自动断电，“系统故障”灯亮

故障现象：选择双陀螺罗经对准，接通系统电源，输入输出显示器显示准备代码“90”或“80”时，陀螺平台框架没有发生翻转，系统出现自动断电，“系统故障”灯亮的故障现象。

故障原因及排除方法：前文已经论述了“90”、“80”时，系统的工作原理和过程。但此时，系统刚加电就自动断开电源，故障部位无法判断。经过研究，系统在刚加入电源时启动了电源的自检测。该自检设定：当外部28V电源电压减小到17+0.5V，延时10±7s后，专用电源组合发出“系统故障”指令；当专用电源组合的+12.6V二次电源电压对地升到14.45+0.4V或降到1.85+0.25V时，发出“专用电源组合故障”信号。有时，当“90”过程延续一段时间，陀螺马达加速过程结束后，“系统故障”灯亮，并自动断电。其故障原因是：专用电源组合在“马达加速”阶段加在陀螺马达的36V、400Hz电源变为了50V、500Hz，但“加速”指令完成后，专用电源组合故障导致陀螺马达电源不能由50V、500Hz变回36V、400Hz。分别更换专用电源组合的У9、У6电源模块，故障可以消除。

1.4 双陀螺罗经对准“70”或“60”时，陀螺平台框架倾斜或翻转，系统自动断电，“平台故障”灯亮

故障现象：选择双陀螺罗经对准，状态码显示“70”或“60”时，出现陀螺平台框架倾斜或翻转，系统自动断电，“平台故障”灯亮的故障现象。

原理分析：双陀螺罗经对准，输入输出显示器显示准备代码“70”或“60”时，如图3所示，此时系统由“模拟对准”自动次序进入“数字对准”的粗、精对准状态。此时航向环上两个加速度计输出的4500Hz交流信号ax、ay输出到自动装置部件中对应的加速度计放大器、积分补偿变换器中放大、变换为与输入成正比的频率信号，此频率信号送到计算机系统进行计算后,再输出到自动装置部件中的专用逻辑变换器变换为力矩控制电流信号,再加到相应的液浮陀螺的力矩传感器。航向通道中，从旋转变压器粗通道输出的信号送到自动装置部件中进行变换、选通后,经航向积分补偿变换器变换为与输入成正比的频率信号,并送入计算机系统计算出角速度信号,再送到自动装置中的专用逻辑变换器进行信号变换，变换后的电流信号再加到液浮陀螺组件力矩传感器中。

故障原因及排除方法:从系统在“70”“60”的工作原理可以看出，相对于“80”状态，主要增加的环节是自动装置中的专用逻辑变换器和三个积分补偿变换器，以及计算机系统。“80”状态已经通过，故障的原因只能是自动装置中的专用逻辑变换器、积分补偿变换器和计算机系统三者中的一件或一件以上故障。修理实践活动中，可以通过分别测量积分补偿变换器的输出是否满足下列条件来判定积分补偿变换器损坏与否：在输入为零电平时输出的脉冲数不应超过5次脉冲/100s；在输入信号为2±0.001V时，“X”和“Y”积分补偿变换器输出为10471±15个脉冲/100s；在“X”、“Y”和“Z”通道输出信号±0.2±0.001V时，在“调整”状态10s内脉冲数为3270±200个[6]。对于专用逻辑变换器可以通过测量下列参数是否合格来判定其损坏与否：在输出端接入77±0.015Ω的负载，测量X、Y、Z三个专用逻辑化转换器在输入电压等于零时的输出值应不大于±77μV；在输入信号为0.15mV时，X、Y专用逻辑化转换器输出应为±154.00±0.076mV，在Z专用逻辑化转换器输出应为±155.11±0.076mV。修理实践中，计算机系统在这一状态很少见故障，因为若是计算机系统故障，“90”或“80”状态就不可能通过，积分补偿变换器故障较多，一般通过更换积分补偿变换器可以排除故障。

图3 “70”“60”状态原理图

2 结论

在某惯性导航系统修理技术研究实践中,对与陀螺平台部件配套使用的数字计算机、自动装置、电子部件、专用电源组合等部件展开研究和技术攻关，给出了陀螺平台部件中角传感器、加速度计、力矩传感器和专用电源组合对直流电源和二次电源的“自检故障”触发值，以及自动装置部件中故障率最高的专用逻辑变换器、积分补偿变换器的测试方法和合格判定数据。通过双陀螺罗经“对准”过程“90”、“80”、“70”、“60”灯状态码时段出现的主要故障现象及故障原因研究，为瞬时监测液浮陀螺中各传感器技术状态，进一步推算、判定各部件故障部位提供了依据。基于这些研究，辅助简单的测试，立足仅有联试设备资源，能完成某惯性导航系统修理实践中95%以上的故障部件的故障点定位和修理。

[1] 梅硕基. XX飞机XX惯性导航系统技术使用指南[Z]. 北京:中国人民解放军空军航空工程部, 1992.

[2] 张宗麟.惯性导航与组合导航[M].北京:航空工业出版社，2000.

[3] Саша. БЛОК ЭЛЕКТРОНИКЕ БЭ-3 Технические Условия 6В2.309.007ТУ[M].СССР,1986.

[4] 郭秀中.惯导系统陀螺仪理论[M].北京:国防工业出版社,1996.

[5] 何铁春, 周世勤.惯性导航加速度计[M].北京:国防工业出版社,1983.

[6] Саша. БЛОК АВТОМАТИКИ БА-20 Технические Условия 6В2.393.012ТУ[M].СССР,2002.

[编校：杨 琴]

The Research of a Certain Type of Inertial Navigation System Repair Technology

YI Jimeng

(InstituteofAirborneEquipmentRepairofLingyunScience&TechnologyGroup,ltd,WuhanHubei430030)

The paper lists, in the joint-test stage of a certain type of inertial navigation system repair, common faults of the system and the main parts such as gyro platform at the different status code aligned by double gyrocompass. And also, it discusses its working principle, analyses the fault reasons, test methods and qualified criteria for a special logic converter of high failure rate components and an integral compensation converter, as well as self-checking fault trigger value of an angle sensor, an accelerometer, an torque sensor and the like in the liquid floated gyro components. Furthermore, it defines positioning and repairing methods for the main fault points.

inertial navigation system; Gyro platform; fault; repair

2014-12-02

易继猛(1972- )，男，湖北松滋人，高级工程师，研究方向为机载设备修理技术。

V249.322

A

1671-9654(2015)01-047-05