一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，其步骤如下：一、确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性；二、计算卫星的轨道角速度ω

说明书

技术领域

本发明属于航天器故障诊断技术领域，涉及一种故障诊断方法， 具体涉及一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法。

背景技术

半球谐振陀螺是利用半球壳唇缘的径向驻波进动效应来感测基 座旋转的一种新型固体陀螺仪，用来检测载体的运动角速率，是一种 无运动部件的惯性测量元件。由于它具有很高的测量精度、超强的稳 定性和可靠性、良好的抗冲击振动性以及高动态、低噪声的特点，被 认为是一种理想的适合航天任务的惯性器件。

半球谐振陀螺作为航天器中重要的惯性测量器件，需具备完善的 在轨故障诊断措施。半球谐振陀螺组合是由4个半球谐振陀螺的表头 组成，作为一种新型星载单机，根据国内外已发表的相关文献可知， 目前缺乏理想的在轨故障诊断方法。可参考的其他类型陀螺在轨故障 诊断方法通常为：多台陀螺相互之间比对；本节拍数据与历史数据比 对；存在相互约束关系陀螺间比对等等。这些诊断方法均存在一定的 限制条件，比如多台陀螺相互之间的比对需要卫星上装载多台陀螺， 提高了成本且热备份时增加了系统功耗；本节拍数据与历史数据的比 对需要星上存储历史数据且诊断算法较难设计(单拍故障与连续故障 不好区分)；存在相互约束关系陀螺间的比对只能诊断出参与比对的 陀螺中至少一台存在故障但不能准确定位是哪台陀螺产生故障。

发明内容

为了解决现有星载陀螺故障诊断中需依赖其他单机或历史数据 以及无法准确定位等问题，本发明提供了一种半球谐振陀螺在轨故障 诊断方法。该方法利用卫星的轨道角速度作为参考基准判断半球谐振 陀螺组合中各个表头是否存在故障，参考基准容易获取，各个表头可 以独立给出故障信息，具有原理简单，定位准确，可靠性高的特点。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，包括以下步骤：

一、确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性：

将半球谐振陀螺组合安装在卫星本体上，定义半球谐振陀螺组合 的4个表头分别为1号表头、2号表头、3号表头、4号表头，其中： 1号表头、2号表头、3号表头各自的测量方向构成三轴正交坐标系， 4号表头的测量方向与1号表头、2号表头、3号表头测量方向的夹 角均为54.7356°，4号表头的方向与卫星的轨道角速度方向一致。

二、计算卫星的轨道角速度ω₀：

开普勒第三定律表明卫星轨道周期T的平方和椭圆轨道的半长 轴a的三次方成正比，而卫星轨道角速度与卫星轨道周期的关系为 ω₀＝2π/T，因此可根据卫星半长轴计算出轨道角速度ω₀，其中：半长 轴为瞬根半长轴，数值需小于7500km。

三、分析半球谐振陀螺组合各表头的测量角速度与卫星的轨道角 速度关系，给出故障诊断结果：

卫星在轨稳态时，将半球谐振陀螺组合的4个表头测量角速度分 别与相应比例的轨道角速度作差，若差值的绝对值超出阈值ε，则认 定该表头故障。

本发明提供的半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，与现有技术 相比，其优点和有益效果如下：

1)卫星的轨道角速度仅与卫星的半长轴相关，而半长轴为卫星 在轨运行时的基本参数，容易获取；

2)不依赖其他敏感器或者半球谐振陀螺组合自身的历史数据， 独立性强；

3)定位准确，算法简单，星上软件容易实现，且可靠性高。

附图说明

图1为半球谐振陀螺组合内部四个表头的布局图；

图2为半球谐振陀螺组合仪表坐标系与卫星本体坐标系对应关 系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，具体步 骤如下：

一、确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性：

如图1所示，O_nX_nY_nZ_n为半球谐振陀螺组合的仪表坐标系，半 球谐振陀螺组合内部共有4个表头，分别定义为1号表头、2号表头、 3号表头、4号表头，其中：1号表头、2号表头、3号表头各自的测 量方向构成三轴正交坐标系，4号表头的测量方向与1号表头、2号 表头、3号表头测量方向的夹角均为54.7356°，即：1号表头的测量 方向与仪表坐标系的O_nX_n、O_nY_n、O_nZ_n三轴的夹角分别为54.7356 °、65.9052°、135°，2号表头的测量方向与仪表坐标系的O_nX_n、 O_nY_n、O_nZ_n三轴的夹角分别为54.7356°、144.7356°、90°，3号 表头的测量方向与仪表坐标系的O_nX_n、O_nY_n、O_nZ_n三轴的夹角分别 为54.7356°、65.9052°、45°，4号表头的测量方向与仪表坐标系 的O_nX_n、O_nY_n、O_nZ_n三轴的夹角分别为0°、90°、90°。

如图2所示，O_bX_bY_bZ_b为卫星本体坐标系，其中O_b为卫星质心， O_bX_b为卫星飞行方向，O_bZ_b为从卫星质心指向地球质心方向，O_bY_b与O_bX_b、O_bZ_b构成三轴正交坐标系。半球谐振陀螺组合仪表坐标系 与卫星本体坐标系之间的关系为O_nX_n与O_bY_b的反方向平行、O_nY_n与O_bX_b平行、O_nZ_n与ObZb平行。由O_bX_bY_bZ_b的定义可知，卫星的 轨道角速度ω₀的方向与O_bY_b的反方向平行。因此，O_nX_n与卫星的轨 道角速度ω₀方向平行，即半球谐振陀螺组合中4号表头的测量方向与 卫星的轨道角速度ω₀方向平行。

二、计算卫星的轨道角速度ω₀：

卫星在轨运行时可实时获知卫星半长轴瞬根a的数据，由公式(1) 可计算出当前卫星的轨道角速度ω₀：

${\omega }_0=\sqrt{\frac{\mu }{a^3}}---\left(1\right).$

公式(1)中，μ是地心引力常数，取值为398600.44km³/s²。

三、分析半球谐振陀螺组合各表头的测量角速度：

卫星在轨稳态时，卫星本体三轴角速度几乎为零，此时半球谐振 陀螺组合的测量值仅为卫星的轨道角速度，且因为半球谐振陀螺的测 量噪声远远小于低轨卫星的轨道角速度，因此可以通过将各个表头的 测量角速度与卫星的轨道角速度比对从而确定半球谐振陀螺表头是 否存在故障。理论上，1号表头、2号表头以及3号表头的测量角速 度等于4号表头的测量角速度等于ω₀。由于存在测量误差， 可将差值定为ε，即1号表头、2号表头以及3号表头的测量角速度 分别减去4号表头的测量角速度减去ω₀，若某一表头差值 的绝对值超出ε，则认定该表头故障，具体诊断方法如下：

设半球谐振陀螺组合1号表头、2号表头、3号表头、4号表头 的测量角速度分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄；设ε为差值阈值，该值可根据 诊断严格程度的需求设置，通常可设置为0.001°/s。诊断方式如公 式(2)～公式(5)所示：

$\left|{\omega }_1-\frac{\sqrt{3}}{3}{\omega }_0\right|<ϵ---\left(2\right)$

$\left|{\omega }_2-\frac{\sqrt{3}}{3}{\omega }_0\right|<ϵ---\left(3\right)$

$\left|{\omega }_3-\frac{\sqrt{3}}{3}{\omega }_0\right|<ϵ---\left(4\right)$

|ω₄-ω₀|＜ε(5)

若公式(2)不成立，则认定半球谐振陀螺1号表头故障；若公式(3) 不成立，则认定半球谐振陀螺2号表头故障；若公式(4)不成立，则 认定半球谐振陀螺3号表头故障；若公式(5)不成立，则认定半球谐 振陀螺4号表头故障。