一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0006] -种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，包括以下步骤：
[0007] -、确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性：
[0008] 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。
[0009] 二、计算卫星的轨道角速度ω0:
[0010] 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ω。= 2 31/T，因此可根据卫星半长轴计算 出轨道角速度ω。，其中：半长轴为瞬根半长轴，数值需小于7500km。
[0011] 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：
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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】
[0017] 图1为半球谐振陀螺组合内部四个表头的布局图；
[0018] 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】
[0019] 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。
[0020] 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：
[0021] 一、确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性：
[0022] 如图1所示，OnXJnZn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°，即号表头的测量方向与仪表坐标系的0ηΧη、 0ηΥη、0ηΖη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 系的〇ηΧη、〇ηΥη、〇ηΖ η三轴的夹角分别为54. 7356°、144. 7356°、90°，3号表头的测量方向 与仪表坐标系的〇nXn、〇Jn、〇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〇nXn、〇nYn、〇 nZn三轴的夹角分别为0°、90°、90°。
[0023] 如图2所示，ObXbYbZ b为卫星本体坐标系，其中0,为卫星质心，ObXb为卫星飞行方 向，ObZb为从卫星质心指向地球质心方向，ObYb与0 bXb、ObZb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OnXn与ObY b的反方向平行、〇"1与 ObXb平行、OnZn与ObZb平行。由O bXbYbZb的定义可知，卫星的轨道角速度ω。的方向与O bYb的反方向平行。因此，OnXn与卫星的轨道角速度ω。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ω。方向平行。
[0024] 二、计算卫星的轨道角速度ω0:
[0025] 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ωη:
[0027] 公式（1)中，μ是地心引力常数，取值为398600. 44km3/s2。
[0028] 三、分析半球谐振陀螺组合各表头的测量角速度：
[0029] 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ω。。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 ω。，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：
[0030] 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ωι、ω2、ω3、《4;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 0.00Γ /s。诊断方式如公式（2)~公式（5)所示：
[0035] 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。
【主权项】
1. 一种半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，其特征在于所述方法步骤如下： 一、 确定半球谐振陀螺组合在卫星本体上的安装极性： 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《。： 根据卫星半长轴a计算出轨道角速度 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e，则认定该表头故障。2. 根据权利要求1所述的半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，其特征在于所述半长 轴为瞬根半长轴，数值需小于7500km。3. 根据权利要求1所述的半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，其特征在于所述表头 故障诊断方法如下：〇 4- 〇 01 <e ; 式中：《2、《3、《4分别为半球谐振陀螺组合1号表头、2号表头、3号表头、4号表 头的测量角速度。4. 根据权利要求1或3所述的半球谐振陀螺组合在轨故障诊断方法，其特征在于所述 e为 0.001。/s〇
【专利摘要】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ω0；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。本发明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。
【IPC分类】G01C25/00
【公开号】CN105043416
【申请号】CN201510412215
【发明人】沈毅, 李利亮, 王振华
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月14日