用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障自动定位方法

孙沂昆，董 薇，谭启蒙

（1.北京特种工程研究院，北京 100028；2.航天科技五院501 所，湖南长沙 410005）

0 引言

光纤陀螺，即光纤角速度传感器。世界上第一个光纤陀螺是在20 世纪90 年代研发的，在实际应用中具有较高的角速度测量精度以及角速度测量效率，被广泛应用于各个领域中，尤其是军事领域，其主要用于采集卫星姿态数据，为卫星姿态控制提供精准的数据依据。自从光纤陀螺问世以来，在卫星姿态控制中的地位逐渐提高，但是在技术上还存在一系列问题，其中最主要的问题就是光纤陀螺故障自动定位。

作为卫星姿态控制系统中的核心部件，光纤陀螺的运行环境条件比较复杂，任何电子设备在长时间高速运转过程中都会不可避免地出现一些故障。光纤陀螺的运行质量对于卫星姿态控制精度具有重要影响作用，如果在运行过程中发生故障。现有的故障定位方法在实际应用中存在较大误差，已经无法满足现实需求。因此，对用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障自动定位研究十分必要。本文针对用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障的自动定位方法展开研究，结合传统故障定位方法存在的弊端，设计一种新的故障自动定位方法，为故障的自动定位提供参考依据。

1 光纤陀螺故障自动定位方法设计

1.1 光纤陀螺故障信号提取

用于卫星姿态控制的光纤陀螺在运行过程中产生的故障类型有很多种，其中包括偏置故障、周期干扰故障、运行逻辑故障、完全阻塞故障以及乘性故障。每种运行状态都具有不同的特征，但是在光纤陀螺的运行过程中，无论处于哪种故障状态，都会对光源产生的光功率造成损耗。

光纤陀螺在运行过程中主要是由光源控制电路产生光功率，因此将光纤陀螺光源控制电路所产生的光功率作为故障信号。光纤陀螺的核心装置为角速度探测器，在正常运行状态下，角速度探测器的光功率要达到一定的要求。角速度探测器的输出为光功率转换后的电压信号，因此对于光纤陀螺故障信号的提取与光纤陀螺上角速度探测器的电压信号有直接关系。假设到达光纤陀螺上角速度探测器的光功率为P 计算公式如下：

式中，w为考虑降额的由光源驱动电流得到的光功率；a为光路损耗[1]。

经过转换的角速度探测器输出电压信号峰值x 为：

式中，r 为角速度探测器的跨阻抗；q 为角速度探测器的光响应度[2]。通常情况下，用于卫星姿态控制的光纤陀螺采用的是SSO 调制，根据以上计算的经过转换的用于卫星姿态控制的光纤陀螺角速度探测器输出电压信号的峰值，计算光纤陀螺角速度探测器输出的偏置电压：

式中，x*为角速度探测器输出的偏置电压；b 为角速度探测器的无光输出电压[3]。

假设正常运行状态下光纤陀螺角速度探测器的电压范围在x*1～x*2，利用KORA 采集器对超出以上范围的光纤陀螺故障信号进行采集。利用差分运放对光纤陀螺角速度探测器的偏置电压进行信号转换，KORA 采集器的信号位数为4 位，KORA 采集器对光纤陀螺故障信号的采集主要依靠采集器的码值，KORA 采集器的码值与光纤陀螺故障信号的关系如下：

式中，x*1表示使用差分运放转换后的偏置电压最小值；x*2表示使用差分运放转换后的偏置电压最大值[4]。利用上述公式还可以表示出KORA 采集器的码值范围为m1～m2，当KORA 采集器码值小于m1时，采集器认定光纤陀螺角速度探测器的偏置电压过小，光源控制电路产生光功率太小，光纤陀螺处于故障状态，采集此时的光纤陀螺运行数据[5]。当KORA 采集器码值大于m2时，采集器认定光纤陀螺角速度探测器的偏置电压过大，光源控制电路产生光功率太大，光纤陀螺处于故障状态，采集此时光纤陀螺的运行数据，以此实现对光纤陀螺故障信号的提取。

1.2 光纤陀螺故障信号特征分析及故障定位

提取到光纤陀螺故障信号后，对光纤陀螺故障特征进行分析，并对故障进行自动定位。光纤陀螺不同故障，其光功率表现是不同的，可分为偏置故障、周期干扰故障、运行逻辑故障、完全阻塞故障以及乘性故障5 种故障状态，加上正常运行状态，共有为6 种运行状态。在上述的6 种运行状态下，光源控制电路所产生的光功率范围见表1。

表1 不同运行状态下光纤陀螺的光功率范围 mW

按照表1 将提取到的光纤陀螺数据进行分类，并将光功率作为特征向量，用标签{a，b，c，d，e，f}表示光纤陀螺正常运行、偏置故障、完全阻塞、漂移故障、周期干扰、乘性故障6种运行状态，将KORA 采集器提取到的光纤陀螺故障信号带入定位函数中，对光纤陀螺故障进行定位分析：

式中，W 表示用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障类型；n 表示用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障类型数量；w1表示提取到的光纤陀螺特征向量；w*表示第n 个光纤陀螺故障类型的特征向量[6]。当提取到的光纤陀螺特征向量与光纤陀螺故障类型的特征向量相一致时输出故障类型，即可确定光纤陀螺的故障位置，进而实现对光纤陀螺故障自动定位。

2 实验论证分析

为了验证此次设计方法的有效性和可靠性，设计对比实验。以IKJSHD/AS5F5A 型光纤陀螺实验对象，其尺寸为Φ60 mm×32 mm，频带宽度为156.35 Hz，数据刷新频率为1550 Hz，零偏稳定性小于0.1，标度因数非线性度小于65×10-6，启动时间为0.5 s。利用本文设计的故障自动定位方法与传统的故障诊断方法，对该光纤陀螺故障进行定位。对光纤陀螺经常发生偏置故障、周期干扰故障、运行逻辑故障、完全阻塞故障以及乘性故障，并包括光纤陀螺正常运行状态在内，分别取40、45、50、55、60、65 个样本测试集设置对比实验，对比结果为两种方法的定位误差。实验使用两种方法对光纤陀螺故障自动定位70 次，其定位情况见表2。

表2 光纤陀螺故障定位情况

利用YUO 软件计算每定位10次两种方法的定位误差，将其作为检验两种用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障自动定位方法精度指标，实验结果见表3。

表3 两种方法定位误差对比

从表3 中数据可以得出以下结论：此次设计方法对于光纤陀螺故障定位误差比较小，最小值小于0.01%，可以忽略不计，证明该方法能够准确定位光纤陀螺的运行故障；而传统方法对于光纤陀螺故障定位误差比较大，随着故障数量和定位迭代计算次数的增加，定位误差也随之增加，远高于本文设计的方法。实验结果证明，此次设计方法在定位误差方面优于传统方法，可以实现对光纤陀螺故障的精准定位。

3 结束语

光纤陀螺在卫星姿态控制技术中占据着重要的地位，其运行状态对于卫星姿态控制精度具有重要影响作用。本文结合光纤陀螺故障特征及光纤陀螺故障自动定位的实际需求，设计了一种新的故障自动定位方法，有效提高了用于卫星姿态控制的光纤陀螺故障自动定位精度，对保证光纤陀螺运行质量具有重要价值，为光纤陀螺的检修和运维工作提供可靠数据依据。由于此次研究时间有限，可能在某些方法存在一些不足之处，今后还需进行进一步地研究、创新与优化，为卫星姿态控制提供可靠的技术支撑。