光源共享3+1S型光纖陀螺在軌故障診斷與延壽設(shè)計(jì)

張金保，林 松，潘 雄，李 勇，孫 麗

（1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

近年來，小衛(wèi)星發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于通信、遙感、技術(shù)驗(yàn)證等領(lǐng)域[1-2]。鑒于小衛(wèi)星的體積、功耗和重量限制，為其配套的星載設(shè)備也必須具備體積小、功耗低、重量輕的特點(diǎn)，對于一些需要長期應(yīng)用的領(lǐng)域，還要求衛(wèi)星具有較長的壽命。另外，空間應(yīng)用的電子產(chǎn)品，由于其不可維修的特性，一旦出現(xiàn)故障只能使用備份的冗余措施進(jìn)行處理[3-4]，一般要求慣性姿態(tài)敏感器內(nèi)部的部組件不能出現(xiàn)單點(diǎn)，尤其對于產(chǎn)品中比較重要的關(guān)鍵部件，即不能由于一個零部件出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致整機(jī)功能的失效。

目前國內(nèi)外延長衛(wèi)星上慣性產(chǎn)品壽命、提高可靠性最通用的方法是，增加陀螺通道的數(shù)量，使用多通道進(jìn)行冷備份，當(dāng)某些通道性能下降或者失效時，啟用冷備份產(chǎn)品增加衛(wèi)星慣性模塊的壽命[5-6]。但是，由于小衛(wèi)星的資源有限，無法通過上述常規(guī)方法延長慣性測量系統(tǒng)的壽命。

對于空間應(yīng)用的光纖陀螺來說，為了實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗的目的，一般會采取一些復(fù)用、集成的技術(shù)手段，在這種情況下，為了保證整機(jī)無單點(diǎn)的高可靠性，必須對這些復(fù)用模塊進(jìn)行必要的冗余和備份。在如此多的限制條件下，長壽命的小衛(wèi)星技術(shù)是一個很重要的研究方向。

1 雙光源四軸一體設(shè)計(jì)

由于光纖陀螺的SLD 光源的特征指標(biāo)：功率、波長、譜型及偏振態(tài)等特性均對溫度變化較為敏感[7-8]，所以光纖陀螺都會包含對光源的溫控電路設(shè)計(jì)。對于工作范圍在-25 ℃～60 ℃的單軸光纖陀螺，按照其全溫功耗分布，極限溫度下線性溫控電路的功耗能夠占到單通道光纖陀螺功耗的50%，顯然按照低功耗的設(shè)計(jì)理念，多軸共享光源是第一選擇。光源模塊是影響干涉型光纖陀螺壽命和可靠性的最關(guān)鍵、最脆弱的器件[9]。為了防止出現(xiàn)光源的單點(diǎn)，需要對光源進(jìn)行備份設(shè)計(jì)，同樣考慮低功耗的要求，光源的備份首選冷備份方案。另外，為了減小整機(jī)的體積和重量，一體化方案設(shè)計(jì)比分體化更能節(jié)省空間。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，提出了一種雙光源四軸一體化光纖陀螺。

1.1 光路設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的光路方案如圖1所示：

圖1 3+1S 光纖陀螺光路設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Optical path design of 3+1S fog

雙光源設(shè)計(jì)方案中，每一個光源通過兩級3 個2×2耦合器，將光源發(fā)出的光分成4 路，分別為4 個光纖環(huán)敏感軸提供光信號。光源1 通過耦合器1、3、5 分出的4 路光信號為后面的4 個軸提供光信號，光源2通過耦合器2、4、6 為后面的4 個軸提供光信號，無論哪一個光源、耦合器出現(xiàn)故障都不會導(dǎo)致整機(jī)全部功能失效。

同時，4 個敏感角速率的光纖環(huán)組成3+1S 結(jié)構(gòu)，其中光纖環(huán)1、2、3 為相互垂直結(jié)構(gòu)，光纖環(huán)4 分別與前3 個軸成54.73 °，光纖環(huán)4 組成的敏感軸作為前三個相互垂直軸的備份軸。任何一個由1×3 耦合器、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器組成的光路出現(xiàn)故障，另外三個軸依然能夠完成載體空間角速率的測量。綜上，雙光源互為冷備份，4 個敏感軸形成的3 備1 的方案，實(shí)現(xiàn)了整個光路的無單點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1.2 電路設(shè)計(jì)

為防止電路上的單點(diǎn)，兩路光源的驅(qū)動電路和四路閉環(huán)檢測電路的設(shè)計(jì)均采用相互獨(dú)立的方案。任何一路出現(xiàn)故障均不影響整機(jī)的測試功能。

1.3 光功率監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

閉環(huán)檢測電路如圖2所示，主要包含數(shù)字閉環(huán)電路、光功率檢測電路和通訊模塊。

圖2 FOG 信號檢測電路功能模塊示意圖Fig.2 Functional module diagram of FOG signal detection circuit

鑒于小型化的理念，設(shè)計(jì)了簡化的光功率監(jiān)測電路，如圖3所示。

圖3 光功率檢測電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical power detection circuit

探測器信號進(jìn)入檢測板后，分為兩路：一路通過隔值電容，取其交流信號進(jìn)入數(shù)字閉環(huán)回路；另一路通過同相放大器，其直流信號作為光功率檢測的依據(jù)。通過一個雙路比較器，實(shí)現(xiàn)了簡化的光功率限值的檢測。電路示意圖如圖4所示。

圖4 光功率門檻監(jiān)測電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical power threshold monitoring circuit

光功率監(jiān)檢測部分，設(shè)計(jì)了兩個光功率的限值，第一限值D0 為光功率設(shè)計(jì)值的50%，第二限值D2為光功率的15%，“0”表示未觸及門限，“1”表示到達(dá)門限。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的精度指標(biāo)余量，設(shè)定切換光源的具體方案。

2 陀螺在軌狀態(tài)分析

在軌運(yùn)行的光纖陀螺，地面可以遙測到的數(shù)據(jù)為4 個通道的速率遙測和狀態(tài)字遙測。通過4 個軸的速率遙測可以完成陀螺的自檢功能，通過狀態(tài)字可以監(jiān)視光纖陀螺各部分的運(yùn)行狀態(tài)。具體如表1所示：

表1 光纖陀螺角速率信息Tab.1 Angular rate information of fog

表2 光纖陀螺狀態(tài)字含義Tab.2 Meaning of fog status word

表3 在軌FOG 工作狀態(tài)枚舉列表Tab.3 Enumeration list of on orbit fog working state

3 陀螺自檢方法

對于有一個斜軸備份的陀螺方案，可以通過自身的角速率輸出信息，完成對測試回路本身的自檢，方法是對四軸輸出做平衡方程，具體算法如下：

其中P為平衡方程值，X、Y、Z表示3 個相互垂直軸的角速率輸出信息，S表示斜軸的角速率輸出信息，單位均為(°/s)。理想情況下P應(yīng)該為0，但是，由于光纖陀螺輸出夾雜了白噪聲信號，對于小型化光纖陀螺來說P的值在0.003 °/s 附近。當(dāng)光源出現(xiàn)故障時，陀螺無法輸出正確的角速度，則平衡方程超差；當(dāng)某個軸出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法輸出正確的角速率時，平衡方程超差。理論上講，只要平衡方程的輸出正常，陀螺的角速率測量值就是可信的，就可以作為衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整、變軌的依據(jù)。

4 陀螺在軌故障檢測

導(dǎo)致光纖陀螺失效故障的原因一般分為光學(xué)器件性能退化或失效與電路失效兩種。根據(jù)本方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，光學(xué)器件的失效分為兩部分：一是光源或2×2耦合器的失效；二是1×3 耦合器、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器失效。

4.1 光源故障

當(dāng)光源或者光源驅(qū)動電路發(fā)生故障時，光功率會出現(xiàn)突然下降到0 的狀態(tài)，直接的影響是4 路光功率監(jiān)測的狀態(tài)位D0、D2 同時置位為“1”，間接的影響是光纖陀螺數(shù)字閉環(huán)無法工作，陀螺輸出的角速率出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，即狀態(tài)位D1 出現(xiàn)置位現(xiàn)象。此時需要切換光源。

4.2 單軸故障

單軸故障包括單軸光路故障和單軸電路故障。

單軸光路部分包括1×3 耦合器、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器，這部分故障會導(dǎo)致單軸出現(xiàn)D0、D1、D2 同時置位的現(xiàn)象。此時只能關(guān)閉該通道。特殊情況是，如果是1×3 耦合器的輸入端一根光纖出現(xiàn)故障（斷裂），則切換光源后該通道仍然能工作，判斷方法是，出現(xiàn)單軸D0、D1、D2 同時置位的現(xiàn)象時，可以嘗試切換光源，如果故障消失，則可以判斷為另外一路光源回路上的2×2 耦合器和1×3 耦合器之間的光纖斷裂，電路可以在完好的光源下正常工作，只是損失單軸的光源備份。

單軸電路包括：光纖陀螺數(shù)字閉環(huán)回路模塊、通訊模塊、光功率監(jiān)測模塊。如果是數(shù)字閉環(huán)回路部分出現(xiàn)故障，現(xiàn)象是單通道速率輸出異常，此時會出現(xiàn)D1 置位的現(xiàn)象，則只能關(guān)閉該通道。如果是光功率監(jiān)測電路出現(xiàn)故障則會出現(xiàn)D0、D2 置位，而D1 正常，并且陀螺輸出正常、整機(jī)平衡方程正常，則可以繼續(xù)使用。

4.3 單粒子事件

由于FPGA 內(nèi)部有寄存器存在，如果出現(xiàn)單粒子打翻的事件會對電路造成一定影響，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的寄存器分為兩種，一種是存儲固定值的，比如閉環(huán)分頻系數(shù)、通信頻率分頻系數(shù)等，該部分一旦被打翻，則數(shù)字閉環(huán)的頻率將出現(xiàn)混亂，陀螺的輸出出現(xiàn)異常，狀態(tài)位D1 置位或者出現(xiàn)通訊失敗的情況，平衡方程則一定會出現(xiàn)超差現(xiàn)象，此時需要對該通道的檢測電路進(jìn)行斷電重啟操作；另一種為周期刷新的寄存器，若該部分出現(xiàn)打翻，下一周期進(jìn)行刷新時，異常位就會恢復(fù)正常，電路輸出最多就是出現(xiàn)零星野值，D1也可能出現(xiàn)零星野值，此時，星載計(jì)算機(jī)會按照預(yù)設(shè)的剔野規(guī)則將其剔除，不會影響整體的正常使用。

4.4 光功率下降

光纖陀螺用SLD 光源的特點(diǎn)，是其輸出光功率的效率為一個衰減浴盆的曲線，但是由于SLD 光源的制作工藝限制，用戶在使用SLD 光源的時刻，并不能確定該光源處于功率輸出衰減曲線上的位置，所以對于光源的衰減曲線無法進(jìn)行有效的預(yù)判。根據(jù)光纖陀螺在軌和地面的運(yùn)行情況，光纖陀螺運(yùn)行一段時間后，檢測電路收到的光轉(zhuǎn)化為電的信號會出現(xiàn)不同程度的衰減現(xiàn)象，比如以三年時間為限，由探測器轉(zhuǎn)換來的電信號衰減程度為10%～50%之間，并且光纖陀螺的隨機(jī)漂移的實(shí)測指標(biāo)也相應(yīng)地下降[10]。

根據(jù)光路信號的正常衰減規(guī)律，光功率觸碰到光功率的第一門限時，狀態(tài)字D0 會出現(xiàn)一段時間在“0”和“1”的反復(fù)跳動，這是比較電路受空間溫度和電路噪聲引起的正?，F(xiàn)象。根據(jù)實(shí)測當(dāng)光功率下降到調(diào)試值的50%左右時，隨機(jī)漂移的實(shí)測值為原來的1.6 倍左右，即光纖陀螺的精度降低為設(shè)計(jì)值的62.5%。

對于不同的應(yīng)用需求，當(dāng)光功率下降到第一門限時，可以采取不同的處理方法，如果此時陀螺的輸出精度能夠滿足衛(wèi)星的指標(biāo)要求，則可以繼續(xù)使用當(dāng)前光源，如果精度的下降超出了衛(wèi)星設(shè)計(jì)余量，則需要切換光源保證光纖陀螺的輸出精度。

5 壽命延長方案及實(shí)驗(yàn)

當(dāng)兩個光源的光功率均下降達(dá)到第一門限時，此時單開哪一個光源，陀螺輸出精度都不能達(dá)到光纖陀螺的出廠指標(biāo)，在衛(wèi)星功耗允許的情況下，可以將兩個光源的驅(qū)動電路同時打開，則此時兩個光源到達(dá)探測器的光功率處于疊加狀態(tài)，并且陀螺的精度會隨著光功率的提高而升高。

本方案中光纖環(huán)的長度為290 m，為了保證最終標(biāo)度因數(shù)的一致性，雙光源在裝配前需要對波長參數(shù)進(jìn)行匹配，選擇波長接近的兩個光源進(jìn)行搭配。注2：隨機(jī)漂移的計(jì)算方法為0.25 s 采樣，然后進(jìn)行10 s 平滑。

表4 雙光源同時工作時對陀螺精度提升的實(shí)際測試結(jié)果Tab.4 test results of gyro precision when two light sources work at the same time

表4為本文開展的雙電源同時工作時對陀螺精度提升的實(shí)際測試結(jié)果。本案例中光纖陀螺的設(shè)計(jì)精度為0.3 °/h（1σ），表4中，第1、2 條中，A、B 光源的光功率數(shù)據(jù)，是陀螺在工作一定年限后所衰減到的光功率，處于剛剛到達(dá)第一門限的位置，該光功率為設(shè)計(jì)值的一半左右，此時光纖陀螺的輸出精度下降到初始設(shè)計(jì)精度的62.5%。此時如果兩個光源同時工作，則到達(dá)探測器上的光功率基本上能恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，根據(jù)實(shí)測陀螺輸出精度也恢復(fù)到設(shè)計(jì)值。

根據(jù)光纖陀螺用SLD 光源的光功率衰減曲線，光源越到壽命后期，光功率的衰減越緩慢，通過此方法可以將光纖陀螺的壽命大大延長，保守估計(jì)可達(dá)3～5年。

6 結(jié) 論

根據(jù)空間小衛(wèi)星的應(yīng)用需求，提出了一種雙光源四軸一體小型化3+1S 光纖陀螺方案，該方案不存在任何單點(diǎn)，任何器件出現(xiàn)一重故障都不會導(dǎo)致整機(jī)功能的失效。方案對電路在軌可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行了詳盡分析，給出了出現(xiàn)故障或器件性能下降后的處理措施。本文最后利用雙光源的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種在軌延長工作壽命的方案，可以使光纖陀螺在雙光源光功率下降后，通過雙光源共同工作的方式，使陀螺的性能恢復(fù)到初始設(shè)計(jì)狀態(tài)，將陀螺的在軌壽命延長3～5年左右，為后續(xù)長壽命衛(wèi)星的研制提供了一種解決方案。