某型機(jī)光纖慣導(dǎo)重新對(duì)準(zhǔn)故障的分析與排除

摘 要：針對(duì)某型機(jī)在地面開車時(shí)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)重新對(duì)準(zhǔn)故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理，定位于光纖慣導(dǎo)部件電源板內(nèi)部限流電阻阻值降低導(dǎo)致光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生重新對(duì)準(zhǔn)故障，對(duì)其采取了有效措施并進(jìn)行充分驗(yàn)證，可為同類機(jī)載產(chǎn)品故障的排除提供參考。

關(guān)鍵詞：光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；重新對(duì)準(zhǔn)；電阻

中圖分類號(hào)：V351.31" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(jì)70年代被提出以來，便以其優(yōu)異的性能引起了人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺作為全固態(tài)儀表，具有成本低、壽命長(zhǎng)、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)；與激光陀螺相比，光纖陀螺不需要克服“自鎖”用的機(jī)械抖動(dòng)裝置，無超高精度的光學(xué)加工要求，無超密封氣體要求，具有裝配工藝簡(jiǎn)單、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于光纖陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)從中低精度應(yīng)用領(lǐng)域向中高精度應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，不僅在國(guó)防和軍事領(lǐng)域有強(qiáng)大的應(yīng)用需求，在高鐵等民用領(lǐng)域也有很好的市場(chǎng)前景[1]。

1" " 故障現(xiàn)象

某型機(jī)在進(jìn)行地面開車的過程中（即發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中），當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)（即發(fā)動(dòng)機(jī)通電但不點(diǎn)火啟動(dòng)的狀態(tài)），光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)。

2" " 產(chǎn)品組成及工作原理

光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由慣性測(cè)量部件、磁航向傳感器及安裝托架組成，產(chǎn)品具有全天候自主導(dǎo)航能力，通過數(shù)據(jù)總線為其他航空電子系統(tǒng)提供各項(xiàng)導(dǎo)航信息，其組成示意圖如圖1所示。

光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過光纖陀螺和石英加速度計(jì)生成載機(jī)的角速率和加速度，角速率和加速度信號(hào)送給慣性測(cè)量部件的主機(jī)板，通過捷聯(lián)解算對(duì)外輸出位置、速度、航向、姿態(tài)信息。產(chǎn)品接收來自衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)的衛(wèi)星定位信息和來自多普勒雷達(dá)的速度信息，在不同工作模式下分別使用衛(wèi)星定位信息中的位置信號(hào)和多普勒雷達(dá)提供載機(jī)的速度信號(hào)對(duì)系統(tǒng)自身解算出的位置、速度、航向、姿態(tài)進(jìn)行修正，最后以1553B和ARINC429數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸格式對(duì)外輸出更為精確的位置、速度、航向、姿態(tài)信息和三軸加速度、三軸角速率等導(dǎo)航參數(shù)。

3" " 故障分析與排查

3.1" " 故障原因分析

慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)是指確定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始姿態(tài)和位置的過程。這一過程對(duì)于確保導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要，通過準(zhǔn)確的初始對(duì)準(zhǔn)，可以減少導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

發(fā)生光纖慣導(dǎo)部件重新對(duì)準(zhǔn)的條件是：

1）光纖慣導(dǎo)部件的啟動(dòng)信號(hào)重新啟動(dòng)；

2）光纖慣導(dǎo)部件重新供電。

光纖慣導(dǎo)正常地面開車和試飛過程中均未出現(xiàn)重新對(duì)準(zhǔn)的情況，因此首先排除振動(dòng)影響和線纜接觸不良的問題，同時(shí)該故障僅在發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)，故對(duì)相關(guān)的啟動(dòng)信號(hào)和供電信號(hào)進(jìn)行以下測(cè)試：

1）使用示波器對(duì)機(jī)上到光纖慣導(dǎo)部件的啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)該信號(hào)輸出正常，未出現(xiàn)信號(hào)干擾等問題，產(chǎn)品重啟現(xiàn)象與啟動(dòng)信號(hào)無關(guān)。

2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量機(jī)上光纖慣導(dǎo)部件的供電電壓由28.5 V降至14.8 V，持續(xù)5 ms后恢復(fù)至25 V；根據(jù)測(cè)試，需重點(diǎn)排查發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)供電電壓掉電到重新上電的切換過程對(duì)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。

通過光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)上測(cè)試和返廠檢查情況分析，光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)有掉電延時(shí)電路（延時(shí)掉電100 ms），可在供電短時(shí)中斷的情況下保證后級(jí)DC-DC模塊等二級(jí)電源和后級(jí)用電設(shè)備供電正常，不會(huì)因前端電壓掉電造成產(chǎn)品重啟。

所以，判斷導(dǎo)致地面發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)光纖慣導(dǎo)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)的主要原因是前級(jí)瞬時(shí)掉電保護(hù)電路失效。因此，以瞬時(shí)掉電保護(hù)電路失效為頂事件，從設(shè)計(jì)、制造、裝配、外場(chǎng)使用等方面建立故障樹，共7個(gè)底事件，如圖2所示。

3.2" " 故障排查定位

3.2.1" " 儲(chǔ)能電容故障

根據(jù)機(jī)上電源特性要求，光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要在供電中斷的時(shí)候保證產(chǎn)品能正常工作，不能出現(xiàn)重啟情況，因此內(nèi)部采用儲(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)掉電延時(shí)，掉電延時(shí)電路是在瞬時(shí)放電時(shí)利用儲(chǔ)能電容的靜電容量來實(shí)現(xiàn)功率保持，若儲(chǔ)能電容失效則無法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掉電延時(shí)保護(hù)，當(dāng)機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)，供電電壓出現(xiàn)掉電情況，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生重啟。

1）儲(chǔ)能電容耐壓設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致故障（X1）。

儲(chǔ)能電容額定電壓50 V，浪涌電壓55 V。機(jī)上輸入電壓28 V，滿足降額設(shè)計(jì)1.5倍要求，儲(chǔ)能電容電壓耐壓設(shè)計(jì)合理，因此，排除儲(chǔ)能電容耐壓設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致故障（X1）。

2）儲(chǔ)能電容前端電壓過大導(dǎo)致故障（X2）。

儲(chǔ)能電容額定電壓50 V，浪涌電壓55 V，產(chǎn)品有防雷和濾波浪涌設(shè)計(jì)，保證進(jìn)入電源板的電壓能鉗位到36 V。同時(shí)機(jī)上測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)，產(chǎn)品重啟時(shí)，供電電壓由28.5 V掉到14.8 V，再升到25 V，實(shí)測(cè)未出現(xiàn)大電壓情況。因此，排除儲(chǔ)能電容前端電壓過大導(dǎo)致故障（X2）。

3）儲(chǔ)能電容自身異常導(dǎo)致故障（X3）。

產(chǎn)品返廠后，對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電測(cè)試。儲(chǔ)能電容在產(chǎn)品下電后，可以繼續(xù)保持供電，因此，排除儲(chǔ)能電容自身異常導(dǎo)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(shè)備，增加限流電路實(shí)現(xiàn)上電瞬間的電流限制，限流功能主要通過功率電阻實(shí)現(xiàn)。根據(jù)產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)，功率電阻與儲(chǔ)能電容串聯(lián)，上電瞬間可抑制電流增大，起到限流作用，當(dāng)限流電阻異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能電容無法正常充放電或者充放電異常，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品掉電時(shí)出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

1）前端電壓過大導(dǎo)致限流電阻燒毀（X4）。

產(chǎn)品有防雷和濾波浪涌設(shè)計(jì)，保證進(jìn)入電源板的電壓能鉗位到36 V，同時(shí)機(jī)上測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)，產(chǎn)品重啟時(shí)，供電電壓由28.5 V掉到14.8 V，再升到25 V，實(shí)測(cè)未出現(xiàn)大電壓情況，同時(shí)觀察故障電阻實(shí)物外觀，未出現(xiàn)燒蝕痕跡。因此，排除前端電壓過大導(dǎo)致限流電阻燒毀（X4）。

2）限流電阻自身阻值異常（X5）。

產(chǎn)品返廠后，拆掉限流電阻，使用萬用表進(jìn)行測(cè)試。限流電阻型號(hào)為RX21-3W-510ΩJ，阻值為510 Ω，實(shí)測(cè)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(chǎn)品上電瞬間的沖擊電流，但是放電時(shí)也會(huì)影響儲(chǔ)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(lián)，在充電瞬間，二極管反向截止，不會(huì)影響充電效率，在放電瞬間，二極管正向?qū)?，同樣也不?huì)影響放電效率。而當(dāng)二極管失效導(dǎo)致短路時(shí)，限流電阻無法對(duì)啟動(dòng)電流進(jìn)行限制，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能電容充放電異常，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品掉電時(shí)出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

1）二極管耐壓設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致被擊穿（X6）。

二極管使用BZ3C，該二極管反向工作電壓100 V。機(jī)上輸入電壓28 V，滿足降額設(shè)計(jì)1.5倍要求，二極管不會(huì)反向?qū)?。因此，排除二極管耐壓設(shè)計(jì)不足被擊穿（X6）。

2）二極管自身異常導(dǎo)致反向擊穿（X7）。

產(chǎn)品返廠后，使用萬用表對(duì)二極管正向?qū)üδ苓M(jìn)行測(cè)試，二極管正常導(dǎo)通，二極管正向?qū)üδ苷！．a(chǎn)品上電，對(duì)二極管反向截止功能進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)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(dǎo)致反向擊穿（X7）。

3.3" " 底事件分析結(jié)論

經(jīng)過分析和試驗(yàn)，儲(chǔ)能電容選用合理，自身功能正常，電容兩端電壓正常，不會(huì)有大電壓，排除儲(chǔ)能電容導(dǎo)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(dǎo)致重啟故障；返廠測(cè)試，限流電阻為31 Ω（正常值應(yīng)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(dǎo)致光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)。針對(duì)限流電阻自身阻值異常的故障，會(huì)同廠家進(jìn)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(gè)例，為小概率事件，即偶發(fā)失效導(dǎo)致了限流電阻自身阻值異常。

4" " 機(jī)理分析

機(jī)上供電28 V直流電源經(jīng)過光纖慣導(dǎo)內(nèi)部濾波器到電源板，電源板對(duì)輸入的28 V直流電源進(jìn)行浪涌濾波和瞬時(shí)掉電保護(hù)處理，處理后的28 V直流電源通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為±15 V、+5 V，給主機(jī)板、1553B板和慣性組件等后級(jí)電路供電。掉電保護(hù)電路中，瞬時(shí)放電功率保持是利用儲(chǔ)能電容的靜電容量來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮為避免上電瞬間的沖擊電流過大影響前端供電設(shè)備，增加限流電路實(shí)現(xiàn)上電瞬間的電流限制，若限流電阻阻值降低，將會(huì)造成儲(chǔ)能電容充放電異常（冷轉(zhuǎn)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(chǔ)能電容，同時(shí)儲(chǔ)能電容充電瞬間，不會(huì)對(duì)后級(jí)放電），造成后級(jí)電路供電功率不足，產(chǎn)品重啟。

因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)上供電電壓有短時(shí)壓降，限流電阻自身阻值異常（X5故障）引起了儲(chǔ)能電容在充電時(shí)電流異常，導(dǎo)致儲(chǔ)能電容無法向后級(jí)穩(wěn)定供電，光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)。

5" " 解決措施及驗(yàn)證情況

針對(duì)某型機(jī)地面發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)的問題，對(duì)光纖慣導(dǎo)部件故障件內(nèi)的限流電阻進(jìn)行更換，更換完成后，使用程控電源多次模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)情況，未再出現(xiàn)產(chǎn)品重啟現(xiàn)象；同時(shí)，對(duì)故障件重新進(jìn)行高溫、低溫、常溫和跑車測(cè)試，產(chǎn)品工作正常。2023年9月6日，使用與裝機(jī)件電源板狀態(tài)一致的光纖慣導(dǎo)部件在機(jī)上進(jìn)行了9次（一發(fā)、二發(fā)、三發(fā)各3次）發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)試驗(yàn)，均未再出現(xiàn)光纖慣導(dǎo)部件重新對(duì)準(zhǔn)的現(xiàn)象。經(jīng)過機(jī)上試驗(yàn)驗(yàn)證，光纖慣導(dǎo)部件進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)問題已解決。該故障是限流電阻偶發(fā)失效引起的，非批次性故障，采取入廠檢查、增設(shè)檢驗(yàn)人員二次篩選等糾正措施嚴(yán)格保證器件質(zhì)量，以避免此類故障再次發(fā)生。

6" " 結(jié)論

某型機(jī)在地面發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)時(shí)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入重新對(duì)準(zhǔn)的問題，原因?yàn)楣饫w慣導(dǎo)部件電源板內(nèi)部限流電阻阻值降低，通過對(duì)故障件更換合格的限流電阻來解決問題。故障定位準(zhǔn)確，機(jī)理分析清楚，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，措施有效，可避免后續(xù)同類產(chǎn)品發(fā)生重新對(duì)準(zhǔn)的故障。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李明澤，楊永斌，褚鵬蛟.光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)專利分析研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2020（7）：54-58.

收稿日期：2024-11-28

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