激光惯性导航系统空对失败故障问题研究

0引言

作为直升机航电系统的重要组成部分,激光惯性导航系统能够为飞机提供经纬度、真航向、风速风向、空速等信息。所谓“对准”指的是确定惯导系统各坐标轴相对于参考坐标系指向的过程^[1]。本文针对激光惯性导航系统中主惯导在试飞过程出现的空对失败问题,从故障定位、软硬件排查、机理分析、措施验证等方面进行阐述,可为后续类似问题提供排故依据。

1 故障定位

1.1 工作原理

激光惯性导航系统由激光惯性导航部件和卫星抗干扰天线组成,卫星导航接收机系统连接如图1所示。卫星导航接收机位于主惯导内,抗干扰天线输出两路射频信号RF1、RF2分别给主、备惯导接收机,并在上电时输出干扰状态数据给卫星导航接收机。卫星导航接收机完成定位解算将定位信息输出给主惯导,惯导将收到的定位信息输出给机上综显设备。

卫星导航接收机内部组成如图2所示。卫星导航接收机上电后对各个模块进行初始化,射频处理模块在接收到射频信号后根据初始化配置对B1、B3频点信号进行下变频和中频预处理。捕获跟踪模块根据配置信息启动对B3I、B1C、B1X、B3X信号的捕获 调度,当捕获成功后进行转跟踪处理,在跟踪阶段计算载噪比,并根据信号载噪比进行跟踪状态切换以及失锁判定。在星历解析和观测量处理完成后进行定位解算,在定位解算前进行完好性监测和观测量选取操作。完成C码和P码的解算后,将P码“定位卫星数量”等定位信息打包进模式1,将C码“定位卫星数量”等定位信息打包进模式3,当解算失败定位无效时,“定位卫星数量”为0。

1.2 故障分析

通过现场测试发现引起主惯导空对失败的原因为卫星导航接收机在试飞过程中出现了定位卫星数跳为零的情况,表现为飞参数据显示主惯导“BD星数”参数频繁跳零。根据卫星导航接收机工作原理,并结合故障时保存的数据信息,对该设备的故障因素进行了深入分析,建立了卫星导航接收机定位卫星数量跳零问题故障树,如图3所示。故障树分析采用由上往下的演绎式失效分析法,利用布林逻辑组合低阶事件,分析系统中出现问题的状态,从而了解故障原因^[2]。接下来就从卫星导航接收机故障、抗干扰天线故障、信号干扰、信号线缆故障等方面出发进行故障定位。

2 定位过程

2.1抗干扰天线故障(X101)排查

当抗干扰天线发生故障时,会导致卫星导航接收机全程接收不到卫星信号,卫星导航接收机定位过程中定位卫星数全程为零。经对比测试,相比于直通模式,天线在抗干扰模式下B1频点无功率衰减、B3频点功率衰减约4 dB,属于正常范围。进行地面加电测试,卫星导航接收机在抗干扰天线直通模式和抗干扰模式下定位和收星数均正常,说明抗干扰天线能够正常接收卫星导航信号。因此,通过上述排查分析,排除抗干扰天线故障(X101)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2.2信号受到干扰(X102)排查

当信号受到临频段干扰时,会导致卫星导航接收机接收到的信号质量下降,使卫星导航接收机跟踪不稳定,导致定位卫星数量跳零。进行临频段干扰测试,将机上天线旁边的L波段空管应答机开启,其间进行了两次应答发射,对信号接收质量进行分析。结果显示,卫星导航接收机在两次L波段应答时信号跟踪正常,未出现定位卫星数量跳零现象,说明L波段干扰未对导航信号产生影响。因此,通过上述排查分析,排除信号受到干扰(X102)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2.3信号线缆故障(X103)排查

当信号线缆故障时,会导致抗干扰天线接收到的导航信号无法传输给卫星导航接收机,卫星导航接收机无法定位,出现定位卫星数为零现象。对主备惯导射频信号强度进行对比测试,结果显示主备惯导B1、B3射频信号强度基本一致。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常,说明信号线缆能够正常传输卫星导航信号。因此,通过上述排查分析,排除信号线缆故障(X103)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2.4卫星导航接收机故障(X104)排查

当卫星导航接收机发生故障时,则无法正常处理接收到的卫星导航信号,就会输出定位无效信息,出现定位卫星数量跳零现象。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常;进行地面开车测试,在桨叶未转动时,卫星导航接收机定位和收星数正常,在桨叶转动后,卫星导航接收机定位和收星数出现跳零现象。因此,接下来对卫星导航接收机内部进行软硬件排查。

2.4.1硬件故障排查

1)射频芯片故障(X301)排查。

卫星导航接收机中的射频芯片发生故障时,会导致基带芯片无法处理中频信号,从而使卫星导航接收机不能定位,输出的定位卫星数量为零。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常,说明射频芯片工作正常。通过上述排查分析,能够确定射频芯片工作正常,可以排除射频芯片故障(X301)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2)基带芯片故障(X302)排查。

卫星导航接收机中基带芯片发生故障时,会导致卫星导航接收机不能进行电文解析、观测量提取、定位解算,输出的定位卫星数量为零。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常,说明基带芯片工作正常。通过上述排查分析,确认基带芯片工作正常,可以排除基带芯片故障(X302)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

3)授权芯片故障(X303)排查。

卫星导航接收机上的授权芯片发生故障时,会导致卫星导航接收机不能进行民码处理,民码模式输出的定位卫星数量为零。进行地面加电测试,卫星导航接收机民码定位和收星数正常,说明授权芯片工作正常。通过上述排查分析,确认授权芯片工作正常,可以排除授权芯片故障(X303)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2.4.2软件故障排查

1)定位算法故障(X304)排查。

最小二乘定位算法是卫星导航接收机的核心部分,根据卫星观测量、卫星星历以及位置速度和时间的信息误差校正原理,当抗干扰卫星导航接收机接收卫星数大于等于4时,通过最小二乘运算获得接收机PVT信息,包括位置、速度、时间等。定位解算故障时,会导致位置、速度和时间精度超标,定位标志无效,出现定位卫星数量跳零现象。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常。通过上述排查,可以排除定位算法故障(X304)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

2)协议输出故障(X305)排查。

协议输出错误会造成定位卫星个数与实际不一致。根据程序设计,定位时69帧上报实际参与定位卫星个数。通过查看相关代码得知,完成解算后,将P码定位信息打包进模式1,将C码定位信息打包进模式3,当解算失败定位无效时,“定位卫星数量”为零。地面通电测试时,卫星导航接收机定位和收星数与实际保持一致,说明未出现协议故障。通过上述排查,可以排除协议输出故障(X305)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

3)捕获算法故障(X306)排查。

捕获算法出现故障时,会导致卫星导航接收机不能捕获到卫星,或者捕获到错误的卫星信号,最终导致导航接收装置不能定位,出现定位卫星数量跳零现象。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常;进行地面开车测试,卫星导航接收机正常上星,说明捕获状态正常,捕获算法无故障。通过上述排查,可以排除捕获算法故障(X306)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零的可能性。

4)跟踪算法故障(X307)排查。

跟踪算法出现故障时,会导致卫星导航接收机跟踪不到卫星,或者跟踪到的卫星信号不稳定,最终导致卫星导航接收机不能定位,出现定位卫星数量跳零现象。进行地面加电测试,卫星导航接收机定位和收星数正常。进行地面开车测试,在桨叶未转动时,卫星导航接收机定位和收星数正常;在桨叶转动后,卫星导航接收机定位和收星数出现跳零现象。

天线安装位置位于桨叶下方,桨叶旋转会对信号接收造成周期性的遮挡效果。当卫星导航接收机跟踪环路无法适应对遮挡的周期性信号进行跟踪时,就无法稳定地处理接收到的卫星导航信号,会出现卫星数量跳零现象。

因此,提高跟踪算法对遮挡信号的适应能力,在地面开车桨叶未转动和转动两种情况下,卫星导航接收机定位和收星数均正常。

通过上述排查可以判定:跟踪算法故障(X307)导致卫星导航接收机定位卫星数量跳零。

3措施验证

3.1旋翼旋转遮挡测试

地面开车时,在旋翼开始旋转后,B1C、B1X、B3I、 B3X四个频点的信号载噪比迅速下降,说明旋翼旋转会对天线产生遮挡效果,导致信号功率下降。

3.2 主备惯导线损测试

地面通电时利用采集回放仪采集主备惯导射频信号进行回放试验,通过对比发现主备惯导在B1C、B3I频点射频信号强度基本一致,说明主惯导线损影响可以忽略。

3.3 抗干扰天线抗干扰模式信号衰减测试

地面开车时利用采集回放仪采集主备惯导射频信号,B3I和B3X频点末尾载噪比升高为抗干扰天线掉电、抗干扰模式切直通模式,证明抗干扰模式存在功率衰减。

将修改后的基带芯片软件按照软件更改要求完成升级后,进行地面开车验证,上电后桨叶旋转时多颗卫星在桨叶旋转过程中完成同步,验证了跟踪性能满足要求,在跟踪稳定后未出现定位卫星数跳零的现象,卫星数跳零的问题得以解决。

4结论

激光惯导系统主惯导空对失败问题是卫星导航接收机跟踪环路无法对桨叶旋转遮挡造成的弱信号进行稳定跟踪,定位不稳定所导致,软件升级后该问题得到解决。对于本次故障,原因定位准确,问题发生的机理清楚,采取了针对性措施,可避免后续同类产品发生该故障。

[参考文献]

[1]孙谷昊.激光陀螺惯组的系统级标定及对准方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.

[2]缪幸吉,李龙.某型激光捷联惯导航线切换异常故障研究[J].仪表技术,2023(3):66—68.

2025年第3期第21篇