激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)空對失敗故障問題研究

0引言

作為直升機(jī)航電系統(tǒng)的重要組成部分,激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠為飛機(jī)提供經(jīng)緯度、真航向、風(fēng)速風(fēng)向、空速等信息。所謂“對準(zhǔn)”指的是確定慣導(dǎo)系統(tǒng)各坐標(biāo)軸相對于參考坐標(biāo)系指向的過程^[1]。本文針對激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中主慣導(dǎo)在試飛過程出現(xiàn)的空對失敗問題,從故障定位、軟硬件排查、機(jī)理分析、措施驗證等方面進(jìn)行闡述,可為后續(xù)類似問題提供排故依據(jù)。

1 故障定位

1.1 工作原理

激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由激光慣性導(dǎo)航部件和衛(wèi)星抗干擾天線組成,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)連接如圖1所示。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)位于主慣導(dǎo)內(nèi),抗干擾天線輸出兩路射頻信號RF1、RF2分別給主、備慣導(dǎo)接收機(jī),并在上電時輸出干擾狀態(tài)數(shù)據(jù)給衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)完成定位解算將定位信息輸出給主慣導(dǎo),慣導(dǎo)將收到的定位信息輸出給機(jī)上綜顯設(shè)備。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部組成如圖2所示。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)上電后對各個模塊進(jìn)行初始化,射頻處理模塊在接收到射頻信號后根據(jù)初始化配置對B1、B3頻點信號進(jìn)行下變頻和中頻預(yù)處理。捕獲跟蹤模塊根據(jù)配置信息啟動對B3I、B1C、B1X、B3X信號的捕獲 調(diào)度,當(dāng)捕獲成功后進(jìn)行轉(zhuǎn)跟蹤處理,在跟蹤階段計算載噪比,并根據(jù)信號載噪比進(jìn)行跟蹤狀態(tài)切換以及失鎖判定。在星歷解析和觀測量處理完成后進(jìn)行定位解算,在定位解算前進(jìn)行完好性監(jiān)測和觀測量選取操作。完成C碼和P碼的解算后,將P碼“定位衛(wèi)星數(shù)量”等定位信息打包進(jìn)模式1,將C碼“定位衛(wèi)星數(shù)量”等定位信息打包進(jìn)模式3,當(dāng)解算失敗定位無效時,“定位衛(wèi)星數(shù)量”為0。

1.2 故障分析

通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)引起主慣導(dǎo)空對失敗的原因為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在試飛過程中出現(xiàn)了定位衛(wèi)星數(shù)跳為零的情況,表現(xiàn)為飛參數(shù)據(jù)顯示主慣導(dǎo)“BD星數(shù)”參數(shù)頻繁跳零。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)工作原理,并結(jié)合故障時保存的數(shù)據(jù)信息,對該設(shè)備的故障因素進(jìn)行了深入分析,建立了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零問題故障樹,如圖3所示。故障樹分析采用由上往下的演繹式失效分析法,利用布林邏輯組合低階事件,分析系統(tǒng)中出現(xiàn)問題的狀態(tài),從而了解故障原因^[2]。接下來就從衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)故障、抗干擾天線故障、信號干擾、信號線纜故障等方面出發(fā)進(jìn)行故障定位。

2 定位過程

2.1抗干擾天線故障(X101)排查

當(dāng)抗干擾天線發(fā)生故障時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)全程接收不到衛(wèi)星信號,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位過程中定位衛(wèi)星數(shù)全程為零。經(jīng)對比測試,相比于直通模式,天線在抗干擾模式下B1頻點無功率衰減、B3頻點功率衰減約4 dB,屬于正常范圍。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在抗干擾天線直通模式和抗干擾模式下定位和收星數(shù)均正常,說明抗干擾天線能夠正常接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號。因此,通過上述排查分析,排除抗干擾天線故障(X101)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.2信號受到干擾(X102)排查

當(dāng)信號受到臨頻段干擾時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的信號質(zhì)量下降,使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤不穩(wěn)定,導(dǎo)致定位衛(wèi)星數(shù)量跳零。進(jìn)行臨頻段干擾測試,將機(jī)上天線旁邊的L波段空管應(yīng)答機(jī)開啟,其間進(jìn)行了兩次應(yīng)答發(fā)射,對信號接收質(zhì)量進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在兩次L波段應(yīng)答時信號跟蹤正常,未出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象,說明L波段干擾未對導(dǎo)航信號產(chǎn)生影響。因此,通過上述排查分析,排除信號受到干擾(X102)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.3信號線纜故障(X103)排查

當(dāng)信號線纜故障時,會導(dǎo)致抗干擾天線接收到的導(dǎo)航信號無法傳輸給衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī),衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)無法定位,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)為零現(xiàn)象。對主備慣導(dǎo)射頻信號強(qiáng)度進(jìn)行對比測試,結(jié)果顯示主備慣導(dǎo)B1、B3射頻信號強(qiáng)度基本一致。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常,說明信號線纜能夠正常傳輸衛(wèi)星導(dǎo)航信號。因此,通過上述排查分析,排除信號線纜故障(X103)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.4衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)故障(X104)排查

當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)生故障時,則無法正常處理接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號,就會輸出定位無效信息,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常;進(jìn)行地面開車測試,在槳葉未轉(zhuǎn)動時,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常,在槳葉轉(zhuǎn)動后,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)出現(xiàn)跳零現(xiàn)象。因此,接下來對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部進(jìn)行軟硬件排查。

2.4.1硬件故障排查

1)射頻芯片故障(X301)排查。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的射頻芯片發(fā)生故障時,會導(dǎo)致基帶芯片無法處理中頻信號,從而使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不能定位,輸出的定位衛(wèi)星數(shù)量為零。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常,說明射頻芯片工作正常。通過上述排查分析,能夠確定射頻芯片工作正常,可以排除射頻芯片故障(X301)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2)基帶芯片故障(X302)排查。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中基帶芯片發(fā)生故障時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不能進(jìn)行電文解析、觀測量提取、定位解算,輸出的定位衛(wèi)星數(shù)量為零。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常,說明基帶芯片工作正常。通過上述排查分析,確認(rèn)基帶芯片工作正常,可以排除基帶芯片故障(X302)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

3)授權(quán)芯片故障(X303)排查。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)上的授權(quán)芯片發(fā)生故障時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不能進(jìn)行民碼處理,民碼模式輸出的定位衛(wèi)星數(shù)量為零。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)民碼定位和收星數(shù)正常,說明授權(quán)芯片工作正常。通過上述排查分析,確認(rèn)授權(quán)芯片工作正常,可以排除授權(quán)芯片故障(X303)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.4.2軟件故障排查

1)定位算法故障(X304)排查。

最小二乘定位算法是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的核心部分,根據(jù)衛(wèi)星觀測量、衛(wèi)星星歷以及位置速度和時間的信息誤差校正原理,當(dāng)抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星數(shù)大于等于4時,通過最小二乘運算獲得接收機(jī)PVT信息,包括位置、速度、時間等。定位解算故障時,會導(dǎo)致位置、速度和時間精度超標(biāo),定位標(biāo)志無效,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常。通過上述排查,可以排除定位算法故障(X304)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2)協(xié)議輸出故障(X305)排查。

協(xié)議輸出錯誤會造成定位衛(wèi)星個數(shù)與實際不一致。根據(jù)程序設(shè)計,定位時69幀上報實際參與定位衛(wèi)星個數(shù)。通過查看相關(guān)代碼得知,完成解算后,將P碼定位信息打包進(jìn)模式1,將C碼定位信息打包進(jìn)模式3,當(dāng)解算失敗定位無效時,“定位衛(wèi)星數(shù)量”為零。地面通電測試時,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)與實際保持一致,說明未出現(xiàn)協(xié)議故障。通過上述排查,可以排除協(xié)議輸出故障(X305)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

3)捕獲算法故障(X306)排查。

捕獲算法出現(xiàn)故障時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不能捕獲到衛(wèi)星,或者捕獲到錯誤的衛(wèi)星信號,最終導(dǎo)致導(dǎo)航接收裝置不能定位,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常;進(jìn)行地面開車測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)正常上星,說明捕獲狀態(tài)正常,捕獲算法無故障。通過上述排查,可以排除捕獲算法故障(X306)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

4)跟蹤算法故障(X307)排查。

跟蹤算法出現(xiàn)故障時,會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤不到衛(wèi)星,或者跟蹤到的衛(wèi)星信號不穩(wěn)定,最終導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不能定位,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進(jìn)行地面加電測試,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常。進(jìn)行地面開車測試,在槳葉未轉(zhuǎn)動時,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)正常;在槳葉轉(zhuǎn)動后,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)出現(xiàn)跳零現(xiàn)象。

天線安裝位置位于槳葉下方,槳葉旋轉(zhuǎn)會對信號接收造成周期性的遮擋效果。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路無法適應(yīng)對遮擋的周期性信號進(jìn)行跟蹤時,就無法穩(wěn)定地處理接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號,會出現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。

因此,提高跟蹤算法對遮擋信號的適應(yīng)能力,在地面開車槳葉未轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動兩種情況下,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位和收星數(shù)均正常。

通過上述排查可以判定:跟蹤算法故障(X307)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零。

3措施驗證

3.1旋翼旋轉(zhuǎn)遮擋測試

地面開車時,在旋翼開始旋轉(zhuǎn)后,B1C、B1X、B3I、 B3X四個頻點的信號載噪比迅速下降,說明旋翼旋轉(zhuǎn)會對天線產(chǎn)生遮擋效果,導(dǎo)致信號功率下降。

3.2 主備慣導(dǎo)線損測試

地面通電時利用采集回放儀采集主備慣導(dǎo)射頻信號進(jìn)行回放試驗,通過對比發(fā)現(xiàn)主備慣導(dǎo)在B1C、B3I頻點射頻信號強(qiáng)度基本一致,說明主慣導(dǎo)線損影響可以忽略。

3.3 抗干擾天線抗干擾模式信號衰減測試

地面開車時利用采集回放儀采集主備慣導(dǎo)射頻信號,B3I和B3X頻點末尾載噪比升高為抗干擾天線掉電、抗干擾模式切直通模式,證明抗干擾模式存在功率衰減。

將修改后的基帶芯片軟件按照軟件更改要求完成升級后,進(jìn)行地面開車驗證,上電后槳葉旋轉(zhuǎn)時多顆衛(wèi)星在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中完成同步,驗證了跟蹤性能滿足要求,在跟蹤穩(wěn)定后未出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)跳零的現(xiàn)象,衛(wèi)星數(shù)跳零的問題得以解決。

4結(jié)論

激光慣導(dǎo)系統(tǒng)主慣導(dǎo)空對失敗問題是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路無法對槳葉旋轉(zhuǎn)遮擋造成的弱信號進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤,定位不穩(wěn)定所導(dǎo)致,軟件升級后該問題得到解決。對于本次故障,原因定位準(zhǔn)確,問題發(fā)生的機(jī)理清楚,采取了針對性措施,可避免后續(xù)同類產(chǎn)品發(fā)生該故障。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫谷昊.激光陀螺慣組的系統(tǒng)級標(biāo)定及對準(zhǔn)方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[2]繆幸吉,李龍.某型激光捷聯(lián)慣導(dǎo)航線切換異常故障研究[J].儀表技術(shù),2023(3):66—68.

2025年第3期第21篇