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面向商業(yè)航天的基于新型固態(tài)諧振陀螺的敏感器設(shè)計(jì)

2020-03-01 06:43:30李建朋付明睿何樹悅喬永昌
關(guān)鍵詞:諧振子固態(tài)慣性

李建朋,夏 悅,付明睿,何樹悅,喬永昌

(1.北京控制工程研究所,北京 100190;2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.北京軒宇空間科技有限公司,北京 100190)

面對(duì)商業(yè)航天市場(chǎng)的快速發(fā)展,特別是以美國(guó)SpaceX 公司的星鏈計(jì)劃(Starlink)為代表的商業(yè)航天項(xiàng)目的興起,對(duì)用于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的慣性姿態(tài)敏感器的需求日益增加。面向商業(yè)航天的慣性姿態(tài)敏感器和傳統(tǒng)宇航單機(jī)產(chǎn)品區(qū)別較大,商業(yè)航天市場(chǎng)要求慣性姿態(tài)敏感器首先具備低成本、小型化的基本特性,其次單機(jī)產(chǎn)品需要具備姿態(tài)控制系統(tǒng)所需要的性能和空間應(yīng)用所要求的環(huán)境適應(yīng)性,例如具備一定的抗輻照能力,最后單機(jī)產(chǎn)品還要求本質(zhì)上具備高可靠和長(zhǎng)壽命的潛質(zhì)。

商業(yè)航天市場(chǎng)具有一定的特殊性,與傳統(tǒng)宇航市場(chǎng)相比,商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的需求巨大,并要求低成本、小型化;與軍用、民用市場(chǎng)相比,商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的可靠性和抗輻照特性有較嚴(yán)格的要求。因此,針對(duì)面向商業(yè)航天市場(chǎng)的慣性姿態(tài)敏感器設(shè)計(jì),作者認(rèn)為應(yīng)該遵循以下原則:

(1) 低成本設(shè)計(jì)

商業(yè)航天市場(chǎng)的價(jià)格敏感性決定面向商業(yè)航天市場(chǎng)的慣性姿態(tài)敏感器產(chǎn)品必須具備成本優(yōu)勢(shì)。低成本的慣性姿態(tài)敏感器產(chǎn)品不應(yīng)該是機(jī)械式的降低每個(gè)部件的成本或者犧牲產(chǎn)品可靠性等手段來達(dá)到成本降低的目的,而應(yīng)該是以設(shè)計(jì)為抓手,通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和選擇合適的方案來降低成本。例如,本文研究的新型固態(tài)諧振陀螺產(chǎn)品,將從陀螺的選擇和控制方案的設(shè)計(jì)兩方面綜合實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)。

(2) 元器件選擇

商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)單機(jī)產(chǎn)品可靠性和抗輻照能力的要求,決定面向商業(yè)航天市場(chǎng)的單機(jī)產(chǎn)品的元器件不能隨意選取商用元器件,而應(yīng)該有所取舍。雖然元器件在產(chǎn)品成本中占比較大,但是也不能為了降低成本而全面降低元器件的等級(jí),應(yīng)該按重要程度分級(jí)降級(jí)使用。本文研究的新型固態(tài)諧振陀螺慣性姿態(tài)敏感器產(chǎn)品采用元器件分級(jí)原則:核心處理器、電源和對(duì)外接口芯片選用高等級(jí)的器件,其他的元器件選用普軍級(jí)或工業(yè)級(jí)器件,但是均有輻照指標(biāo)。

(3) 批量化模式

與其他商品一樣,以設(shè)備自動(dòng)化代替人員密集實(shí)現(xiàn)批量化的生產(chǎn)模式必然降低產(chǎn)品的成本,但是單機(jī)產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)也必須是面向批量化生產(chǎn)模式。本文將采用易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的數(shù)字控制方案,提出的自適應(yīng)起振及自測(cè)試方法均是面向批量化的生產(chǎn)方式。

(4) 最優(yōu)化SWaP

陀螺的C-SWaP(Cost-Size Weight and Power)特性是決定慣性姿態(tài)敏感器產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的本質(zhì)因素,選取合適的陀螺是敏感器產(chǎn)品的基礎(chǔ)。本文將提到的新型固態(tài)諧振陀螺具有極好的C-SWaP 特性,應(yīng)該是面向商業(yè)航天市場(chǎng)的優(yōu)選方案。

綜上所述,針對(duì)商業(yè)航天的特殊需求,本文將首先介紹一種新型固態(tài)諧振陀螺,該陀螺具備極好的C-SWaP(Cost-Size Weight and Power)特性,原理上具有高可靠、長(zhǎng)壽命的基本特性,非常適合商業(yè)航天應(yīng)用;其次,針對(duì)該新型固態(tài)諧振陀螺的控制問題以及綜合考慮商業(yè)航天的特點(diǎn),開展一種面向商業(yè)航天的全數(shù)字控制技術(shù)研究,包含3 種關(guān)鍵的控制與測(cè)試方法;然后,以研究的控制方法為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)基于新型固態(tài)諧振陀螺的慣性姿態(tài)敏感器,并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

1 新型固態(tài)諧振陀螺

作為與半球諧振陀螺相同技術(shù)型譜的金屬筒狀科氏振動(dòng)陀螺(M-CVG)是一種新型全固態(tài)諧振陀螺,具有精度體積比較高、低成本、大動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)[1-2],金屬筒狀科氏振動(dòng)陀螺(下文簡(jiǎn)稱新型固態(tài)諧振陀螺)是半球諧振陀螺技術(shù)在低成本、小型化、批量化方向發(fā)展的產(chǎn)物。

半球諧振陀螺是目前性能最高的軸對(duì)稱殼諧振陀螺,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的穩(wěn)定控制、航天器導(dǎo)航、深海導(dǎo)航等領(lǐng)域[3-4]。然而,其高昂的價(jià)格不滿足商業(yè)航天領(lǐng)域低成本的需求。半球諧振陀螺的敏感結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱的半球形殼體,采用高品質(zhì)因數(shù)的熔融石英材料加工而成,半球形殼體內(nèi)外表面鍍金屬化涂層,用于振動(dòng)檢測(cè)和靜電力控制,采用高真空度封裝,陀螺制造成本昂貴。

然而,新型固態(tài)諧振陀螺采用較低Q 值(約104)的金屬材料而不是高Q 值(約107)的熔融石英,同時(shí)用筒狀結(jié)構(gòu)代替半球型結(jié)構(gòu),這些改變使得金屬筒狀科氏振動(dòng)陀螺的加工可以采用通用的機(jī)械加工技術(shù),有效地降低加工難度,提高了成品率,同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),降低成本。金屬材料比石英材料具有更大的質(zhì)量,可以有效避免諧振子加工過程中表面加工缺陷對(duì)陀螺的影響,同時(shí)較大的質(zhì)量可以有利于抑制外界振動(dòng)影響[5]。經(jīng)過上述設(shè)計(jì),該新型固態(tài)諧振陀螺具備了低成本、小型化、批量化的特性,也覆蓋了商業(yè)航天市場(chǎng)的需求。

該陀螺與半球諧振陀螺具有相同的特征,陀螺噪聲性能不受量子效應(yīng)限制,噪聲性能與布朗噪聲相關(guān),具有很好的噪聲特性[6-7]。在相同的體積下,該陀螺在代表陀螺精度水平的隨機(jī)漂移指標(biāo)上可以覆蓋1 °/h~0.01 °/h 的范圍,對(duì)比當(dāng)前MEMS 陀螺具有較大的性能優(yōu)勢(shì);對(duì)比中等精度的光纖陀螺、機(jī)械陀螺,具有十分明顯的重量和成本優(yōu)勢(shì),該陀螺的市場(chǎng)定位如圖1所示。

圖1 新型固態(tài)諧振陀螺的市場(chǎng)定位Fig.1 The market positioning of the M-CVG

1.1 基本結(jié)構(gòu)

該新型固態(tài)諧振陀螺主要由筒狀諧振子、安裝基座、密封殼體三個(gè)部件組成[5]。這些部件均采用不同材質(zhì)的金屬材料加工而成。新型固態(tài)諧振陀螺的核心部件如圖2所示,以Innalabs 公司的陀螺為例。陀螺采用真空密封,一般真空度大約為5×10-4atm,保證筒狀諧振子的Q 值達(dá)到20000 以上。創(chuàng)新地采用壓電陶瓷作為陀螺的檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)裝置,該裝置有電路噪聲低和角速率敏感噪聲低的優(yōu)勢(shì)[8,9]。根據(jù)陀螺精度要求與使用工況,陀螺可選擇不同直徑規(guī)格的諧振子,例如Φ43、Φ25 和Φ17 等。本文研究的慣性姿態(tài)敏感器選用Φ25 直徑的諧振子,可在體積、精度和使用工況方面達(dá)到最優(yōu)。

圖2 Innalabs 公司陀螺核心部件示意圖Fig.2 The core components of Innalabs’ CVG

1.2 工作原理

新型固態(tài)諧振陀螺是利用筒狀諧振子唇緣上的2階振動(dòng)駐波來工作。筒狀諧振子受激產(chǎn)生四波幅振動(dòng),它具有四個(gè)波腹和四個(gè)波節(jié)。當(dāng)陀螺載體不旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,波腹和波節(jié)的位置保持不變;而當(dāng)基座旋轉(zhuǎn)時(shí),駐波要發(fā)生進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)角與旋轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)為K。當(dāng)基座繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)? 度,半球駐波進(jìn)動(dòng)θ=K?。通過檢測(cè)振型位置的變化就可以測(cè)算出基座的旋轉(zhuǎn)角度。

與半球諧振陀螺一樣,新型固態(tài)諧振陀螺也具有兩種工作模式,分別為力平衡工作模式和全角工作模式。在全角模式下,陀螺是一種速率積分陀螺,通過檢測(cè)振型自由進(jìn)動(dòng)的角度,得到陀螺的輸入角速度。該模式下,陀螺的標(biāo)度因數(shù)非常穩(wěn)定,一般在高角速率的場(chǎng)合應(yīng)用。在力平衡模式下,陀螺是一種速率陀螺,激勵(lì)電極控制諧振子波節(jié)和波腹相對(duì)于殼體的位置保持不變,激勵(lì)電極產(chǎn)生的平衡力的大小與陀螺輸入角速度成正比,根據(jù)平衡力可以計(jì)算出陀螺的輸入角速度。該模式下,陀螺噪聲低,零偏穩(wěn)定性好,但測(cè)量角速率范圍較小,一般在低角速率、高精度的場(chǎng)合應(yīng)用。

然而,新型固態(tài)諧振陀螺采用壓電陶瓷作為激勵(lì)和檢測(cè)電極,壓電陶瓷電極的激勵(lì)效率比半球諧振陀螺的靜電電極激勵(lì)效率高,僅采用力平衡工作模式就可以獲得高動(dòng)態(tài)特性,因此新型固態(tài)諧振陀螺主流工作模式為力平衡工作模式[10]。該工作模式下振動(dòng)駐波被閉環(huán)控制回路固定在特定的位置,如圖3所示,當(dāng)外界有角速率輸入時(shí),該振動(dòng)駐波在科氏力的作用下將會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng),閉環(huán)控制回路此時(shí)將利用壓電陶瓷電極產(chǎn)生反作用力,抵消產(chǎn)生的科氏力,使諧振子上的駐波保持固定;控制回路施加的反作用力與外界角速率成比例關(guān)系,通過反作用力可知獲得外界角速率的量值,從而實(shí)現(xiàn)角速率的測(cè)量。

圖3 新型固態(tài)諧振陀螺工作模態(tài)及原理示意圖Fig.3 The operating modal and principle of the M-CVG

2 控制技術(shù)研究

在力平衡工作模式下,陀螺控制電路有4 個(gè)控制回路,分別為幅度控制回路,用來維持和控制諧振子的振動(dòng)幅度;頻率跟蹤回路,用來跟蹤諧振子的自然諧振頻率以及同步陀螺的檢測(cè)和激勵(lì)信號(hào);正交控制回路,用來補(bǔ)償諧振子質(zhì)量微小不平衡引起的誤差;力平衡控制回路,實(shí)現(xiàn)諧振子穩(wěn)定輸出的力再平衡閉環(huán)控制。

商業(yè)航天市場(chǎng)相比傳統(tǒng)航天市場(chǎng)對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的需求特征相差很大,商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的需求量大,要求交付周期短,這對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來極大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn),應(yīng)該在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上做出創(chuàng)新性改變。因此本文以陀螺控制作為切入點(diǎn),研究一種陀螺控制技術(shù)來解決傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的弊端,使其滿足商業(yè)航天的需求。

以模擬器件為主的陀螺控制電路會(huì)存在以下問題:因器件的老化、參數(shù)溫漂等因素帶來陀螺性能的變化;無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提升陀螺的性能;無法實(shí)現(xiàn)體積的微小型化和控制的自主化操作;批量化生產(chǎn)成本高等。因此本文在選擇全數(shù)字控制模式,硬件電路采用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn),核心控制算法采用軟件實(shí)現(xiàn),軟件采用參數(shù)化設(shè)計(jì),最終以軟件參數(shù)配置產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)。本文研究的控制方案可實(shí)現(xiàn)最大程度保證陀螺的全生命周期的性能;在生產(chǎn)上適應(yīng)批量化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)最大限度提升生產(chǎn)效率;面對(duì)未來可能更大規(guī)模的商業(yè)需求,控制電路還可實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模集成,更大程度降低成本、體積和功耗。

本文研究的控制方法以新型固態(tài)諧振陀螺作為被控對(duì)象,基于半球諧振陀螺技術(shù)的新型固態(tài)諧振陀螺的數(shù)學(xué)模型可用式(1)表示。

陀螺全數(shù)字控制方案如圖4所示。在該方案中陀螺輸出兩路信號(hào),一路是0 °電極軸的波腹振動(dòng)信號(hào)(驅(qū)動(dòng)信號(hào)),反映駐波的振動(dòng)信息;另一路是45 °電極軸的波節(jié)信號(hào)(敏感信號(hào)),反映了陀螺在科氏力作用下波節(jié)的進(jìn)動(dòng),這兩路信號(hào)均被陀螺的本征頻率調(diào)制。在該方案中,波腹信號(hào)經(jīng)過數(shù)字解調(diào)后計(jì)算出波腹信號(hào)的幅值與相位,用于幅度控制和頻率跟蹤控制。波節(jié)信號(hào)經(jīng)過數(shù)字解調(diào)后計(jì)算出波節(jié)信號(hào)的幅值與相位,用于正交控制和力反饋控制。

圖4 陀螺全數(shù)字控制方案示意圖及控制電路實(shí)物圖Fig.4 Simplified scheme for the fully digital loop control method (left),physical diagram of control circuit (right)

本文研究的全數(shù)字控制方法有以下3 方面關(guān)鍵技術(shù),分別為基于Kalman 濾波的信號(hào)數(shù)字解算方法、自適應(yīng)陀螺起振方法、在線自動(dòng)測(cè)試技術(shù)。

2.1 基于Kalman 濾波的信號(hào)數(shù)字解算方法

根據(jù)圖4可知,全數(shù)字控制的核心在于數(shù)字解調(diào)算法。本文提出采用卡爾曼(Kalman)濾波算法作為該陀螺的數(shù)字解算方案。

陀螺的輸出信號(hào)可用式(2)表示:

其中,y(t)為陀螺輸出信號(hào),A1為陀螺運(yùn)動(dòng)信號(hào)中同相分量幅值,A2為陀螺運(yùn)動(dòng)信號(hào)中正交分量幅值,n(t)為系統(tǒng)噪聲,ω為陀螺諧振頻率。

數(shù)字解調(diào)算法的作用是將陀螺輸出信號(hào)y(t)中A1和A2提取出來。采用Kalman 濾波進(jìn)行解算的關(guān)鍵是建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。在實(shí)際應(yīng)用中,陀螺的驅(qū)動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于角速率信號(hào)的變化頻率,因此可以假設(shè)在兩個(gè)相鄰的時(shí)間間隔內(nèi),角速率基本保持不變,靠噪聲項(xiàng)驅(qū)動(dòng)其變化[12]。

此品種在我區(qū)僅示范一年,加之今年降雨量較往年減少六成,對(duì)觀察品種特性有所影響,為了進(jìn)一步觀察其品種特性、穩(wěn)定性,建議繼續(xù)在我區(qū)示范觀察。

根據(jù)假設(shè),建立系統(tǒng)的離散系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為:

其中,

式中,x(k)表示陀螺輸出信號(hào)y(t)中的A1和A2,z(k)表示狀態(tài)觀測(cè)量,r(k)表示解調(diào)參考信號(hào),w(k)表示狀態(tài)方程的白噪聲,代表角速率的微小變化,v(k)表示觀測(cè)的白噪聲。

根據(jù)Kalmanl 濾波理論可知:

利用Kalman 濾波方程可求解x(k)的估計(jì)值x?(k),遞推公式為:

選取合適的方差陣Q(k)、R(k),根據(jù)式(6)的遞推公式可解算出陀螺輸出信號(hào)的A1和A2。

2.2 自適應(yīng)陀螺起振方法

面向商業(yè)航天的慣性姿態(tài)敏感器在生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)需要最大限度的減少調(diào)試工序,實(shí)現(xiàn)自主化控制參數(shù)辨識(shí)。在力平衡工作模式下,頻率跟蹤回路是其他3個(gè)控制回路的基礎(chǔ),用于跟蹤諧振子的自然諧振頻率以及同步陀螺的檢測(cè)和激勵(lì)信號(hào)。本文采用基于Kalman 濾波算法的全數(shù)字鎖相環(huán)方法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制。

通常,采用全數(shù)字鎖相環(huán)方法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制需要設(shè)置頻率初值,用于保證陀螺的起振工作。然而由于批次制造導(dǎo)致陀螺的本征諧振頻率分布范圍比較大。逐一測(cè)試陀螺的自然頻率并在頻率跟蹤控制中設(shè)置初始頻率,可以保證每只陀螺的正常工作,但是這會(huì)降低生產(chǎn)效率并增加成本[13]。因此,為了適應(yīng)商業(yè)航天的生產(chǎn)需求,針對(duì)本文研究的新型固態(tài)諧振陀螺控制必須改變目前現(xiàn)狀,本文采用一種自適應(yīng)的陀螺起振方法,實(shí)現(xiàn)自主辨識(shí)陀螺的諧振頻率,自動(dòng)設(shè)置頻率跟蹤控制所需的頻率初值。

本文研究的自適應(yīng)陀螺頻率辨識(shí)方法基于自激振蕩原理,自激振蕩原理本質(zhì)上是一個(gè)正反饋環(huán)路系統(tǒng),工作原理與正弦波振蕩電路類似,如圖5所示,它沒有輸入信號(hào),是一個(gè)帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。

圖5 自激振蕩基本原理圖Fig.5 Basic principle diagram of self-excited oscillation

自激振蕩電路的起振條件是選頻網(wǎng)絡(luò)選擇的信號(hào)在環(huán)路中滿足以下條件:

其中,G為環(huán)路增益,φ為環(huán)路相位。

新型固態(tài)諧振陀螺的諧振子真空封裝在腔體內(nèi),驅(qū)動(dòng)模態(tài)Q 值在20000~50000 之間,陀螺本身就是一個(gè)具有很好選頻特性的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)陀螺處于諧振時(shí),輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與輸出驅(qū)動(dòng)檢測(cè)信號(hào)相位差為-90°+ψ。因此,為了保證控制環(huán)路滿足公式條件,只需在控制電路中補(bǔ)償相位,使其滿足式(7)條件即可。

自適應(yīng)陀螺起振方案如圖6所示,在數(shù)字控制電路中,首先進(jìn)行數(shù)字移相90 °,使控制環(huán)路滿足自激相位條件;然后調(diào)整環(huán)路增益,使其滿足環(huán)路增益條件;最后當(dāng)陀螺自激振蕩起來后,由于陀螺本身的選頻特性,環(huán)路振蕩的信號(hào)就是頻率控制回路正常工作的頻率初值,采用基于Kalman 濾波的頻率算法解算出陀螺當(dāng)前工況的本征諧振頻率,并設(shè)置到頻率控制環(huán)路中,保證陀螺正常工作。

圖6 自適應(yīng)陀螺起振方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of adaptive starting scheme

2.3 在線自測(cè)試技術(shù)

基于本文研究的全數(shù)字控制技術(shù),使得在線自動(dòng)測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)。本文實(shí)現(xiàn)了2 項(xiàng)在線自動(dòng)測(cè)試技術(shù),一是在線硬件狀態(tài)健康檢測(cè),二是在線帶寬自動(dòng)測(cè)試。

如圖7所示,在線硬件狀態(tài)健康檢測(cè)方法是在線自動(dòng)測(cè)試功能模塊內(nèi)(軟件實(shí)現(xiàn))產(chǎn)生一個(gè)500 Hz的正弦信號(hào),通過DA 轉(zhuǎn)換為模擬量施加到硬件電路上,然后AD 采集經(jīng)過硬件電路的信號(hào),之后通過Kalman 濾波算法解調(diào)采集的信號(hào),如果符合一定的判定條件,則認(rèn)為硬件狀態(tài)健康。在線帶寬自動(dòng)測(cè)試方法是在線自動(dòng)測(cè)試功能模塊內(nèi)(軟件實(shí)現(xiàn))產(chǎn)生一個(gè)單位階躍信號(hào),通過DA 轉(zhuǎn)換后分別施加到每個(gè)控制環(huán)路中,然后采集各個(gè)控制環(huán)路的控制量數(shù)據(jù),按照經(jīng)典控制理論方法估算陀螺的帶寬。

圖7 在線自動(dòng)測(cè)試信號(hào)流圖Fig.7 Signal flow diagram of the automatic in-line testing

根據(jù)設(shè)計(jì)思想,依靠全數(shù)字控制技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)自整定,待后續(xù)研究。

3 敏感器實(shí)現(xiàn)

3.1 敏感器組成

宇航產(chǎn)品相對(duì)于軍級(jí)和工業(yè)級(jí)產(chǎn)品最大的特點(diǎn)在于受空間輻照和不可更換性,因此宇航產(chǎn)品必須進(jìn)行冗余配置。雖然商業(yè)航天市場(chǎng)要求對(duì)體積、成本比較比較敏感,但是冗余配置依然是空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)不可回避的設(shè)計(jì)因素。

本文研究的基于新型固態(tài)諧振陀螺的慣性姿態(tài)敏感器采用4 通道獨(dú)立設(shè)計(jì),具有1 通道的冗余度。陀螺測(cè)量輸入軸采用3+1S 空間布局,陀螺組件中的G1陀螺、G2 陀螺、G3 陀螺的輸入軸沿陀螺組件本體坐標(biāo)系+X、+Y、+Z 軸安裝,G4 陀螺分別于+X、+Y、+Z 軸夾角為54.73°。整機(jī)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用二次電源供電(±5V),控制電路負(fù)責(zé)陀螺的閉環(huán)控制和接口管理和陀螺補(bǔ)償。整機(jī)產(chǎn)品由4 只陀螺表頭和4 塊控制電路組成4 個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道,各測(cè)量通道間無共用電路,避免了整機(jī)單點(diǎn)故障,整機(jī)配置,如圖8所示。

圖8 整機(jī)配置方案與陀螺輸入軸空間分布示意圖Fig.8 Product configuration scheme (left)and Schematic diagramof spatial distribution of gyro input axis (right)

3.2 敏感器的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況

整機(jī)結(jié)構(gòu)外形示意圖如圖9所示,陀螺組件結(jié)構(gòu)放置在底板中間,4 塊控制電路板放置在陀螺組件周圍,為了提高產(chǎn)品的可維修性,各個(gè)功能模塊采用柔性排線連接,方便裝配和維修。

圖9 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Product structural diagram

基于上述控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的慣性姿態(tài)敏感器的主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如表1所示。

表1 敏感器主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況Tab.1 The main performance of the sensor

3.3 驗(yàn)證與應(yīng)用

本節(jié)首先采用Allan 方差方法對(duì)本文研究的慣性姿態(tài)敏感器的噪聲特性進(jìn)行分析,然后采用統(tǒng)計(jì)方法分析慣性姿態(tài)敏感器各軸的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)。通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,本文研究的新型固態(tài)諧振陀螺的角度隨游走系數(shù)指標(biāo)優(yōu)于0.005 °/√h,零偏穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)于0.1 °/h(1σ)。

基于對(duì)新型固態(tài)諧振陀螺控制技術(shù)的研究和慣性姿態(tài)敏感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),自研的新型固態(tài)諧振陀螺慣性姿態(tài)敏感器已隨某型衛(wèi)星完成了短期的空間搭載驗(yàn)證,后續(xù)還將進(jìn)行長(zhǎng)期在軌搭載試驗(yàn)考核。

圖10 搭載產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.10 Physical picture of satellite application product

圖11 Allan 方差曲線Fig.11 Allan Variance of the M-CVG

4 結(jié) 論

面對(duì)商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的需求,本文首先介紹了一種新型金屬筒狀全固態(tài)諧振陀螺,該陀螺具備極好的C-SWaP 特性,原理上具有高可靠、長(zhǎng)壽命的基本特性,非常適合商業(yè)航天應(yīng)用;其次,針對(duì)該新型全固態(tài)諧振陀螺的控制問題和綜合考慮商業(yè)航天的特點(diǎn),重點(diǎn)研究了一種全數(shù)字陀螺控制技術(shù),提出了3 種控制與測(cè)試方法;然后,以研究的控制方法為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了基于新型全固態(tài)諧振陀螺的慣性姿態(tài)敏感器,并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估。通過分析敏感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),評(píng)估結(jié)果表明本文研究的3+1S 型敏感器的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)均優(yōu)于0.1 °/h(1σ)、角度隨機(jī)游走系數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于0.005 °/√h,可完全滿足商業(yè)航天對(duì)慣性姿態(tài)敏感器的性能、成本和可靠性的要求,是商業(yè)航天領(lǐng)域慣性姿態(tài)敏感器的優(yōu)選方案。

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