0引言

作為直升機航電系統(tǒng)的重要組成部分,激光慣性導航系統(tǒng)能夠為飛機提供經(jīng)緯度、真航向、風速風向、空速等信息。所謂“對準”指的是確定慣導系統(tǒng)各坐標軸相對于參考坐標系指向的過程^[1]。本文針對激光慣性導航系統(tǒng)中主慣導在試飛過程出現(xiàn)的空對失敗問題,從故障定位、軟硬件排查、機理分析、措施驗證等方面進行闡述,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

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

衛(wèi)星導航接收機內(nèi)部組成如圖2所示。衛(wèi)星導航接收機上電后對各個模塊進行初始化,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頻點信號進行下變頻和中頻預處理。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,當捕獲成功后進行轉跟蹤處理,在跟蹤階段計算載噪比,并根據(jù)信號載噪比進行跟蹤狀態(tài)切換以及失鎖判定。在星歷解析和觀測量處理完成后進行定位解算,在定位解算前進行完好性監(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”等定位信息打包進模式1,將C碼“定位衛(wèi)星數(shù)量”等定位信息打包進模式3,當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)引起主慣導空對失敗的原因為衛(wèi)星導航接收機在試飛過程中出現(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“BD星數(shù)”參數(shù)頻繁跳零。根據(jù)衛(wèi)星導航接收機工作原理,并結合故障時保存的數(shù)據(jù)信息,對該設備的故障因素進行了深入分析,建立了衛(wèi)星導航接收機定位衛(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)星導航接收機故障、抗干擾天線故障、信號干擾、信號線纜故障等方面出發(fā)進行故障定位。

2 定位過程

2.1抗干擾天線故障(X101)排查

當抗干擾天線發(fā)生故障時,會導致衛(wèi)星導航接收機全程接收不到衛(wèi)星信號,衛(wèi)星導航接收機定位過程中定位衛(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。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機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)星導航信號。因此,通過上述排查分析,排除抗干擾天線故障(X101)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.2信號受到干擾(X102)排查

當信號受到臨頻段干擾時,會導致衛(wèi)星導航接收機接收到的信號質(zhì)量下降,使衛(wèi)星導航接收機跟蹤不穩(wěn)定,導致定位衛(wèi)星數(shù)量跳零。進行臨頻段干擾測試,將機上天線旁邊的L波段空管應答機開啟,其間進行了兩次應答發(fā)射,對信號接收質(zhì)量進行分析。結果顯示,衛(wèi)星導航接收機在兩次L波段應答時信號跟蹤正常,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)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2.3信號線纜故障(X103)排查

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

2.4衛(wèi)星導航接收機故障(X104)排查

當衛(wèi)星導航接收機發(fā)生故障時,則無法正常處理接收到的衛(wèi)星導航信號,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。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常;進行地面開車測試,在槳葉未轉動時,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常,在槳葉轉動后,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)出現(xiàn)跳零現(xiàn)象。因此,接下來對衛(wèi)星導航接收機內(nèi)部進行軟硬件排查。

2.4.1硬件故障排查

1)射頻芯片故障(X301)排查。

衛(wèi)星導航接收機中的射頻芯片發(fā)生故障時,會導致基帶芯片無法處理中頻信號,從而使衛(wèi)星導航接收機不能定位,輸出的定位衛(wèi)星數(shù)量為零。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(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)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(wèi)星數(shù)量跳零的可能性。

2)基帶芯片故障(X302)排查。

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

3)授權芯片故障(X303)排查。

衛(wèi)星導航接收機上的授權芯片發(fā)生故障時,會導致衛(wèi)星導航接收機不能進行民碼處理,民碼模式輸出的定位衛(wèi)星數(shù)量為零。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機民碼定位和收星數(shù)正常,說明授權芯片工作正常。通過上述排查分析,確認授權芯片工作正常,可以排除授權芯片故障(X303)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(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)星導航接收機的核心部分,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,當抗干擾衛(wèi)星導航接收機接收衛(wèi)星數(shù)大于等于4時,通過最小二乘運算獲得接收機PVT信息,包括位置、速度、時間等。定位解算故障時,會導致位置、速度和時間精度超標,定位標志無效,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常。通過上述排查,可以排除定位算法故障(X304)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(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)。通過查看相關代碼得知,完成解算后,將P碼定位信息打包進模式1,將C碼定位信息打包進模式3,當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)星導航接收機定位和收星數(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)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(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,會導致衛(wèi)星導航接收機不能捕獲到衛(wèi)星,或者捕獲到錯誤的衛(wèi)星信號,最終導致導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。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常;進行地面開車測試,衛(wèi)星導航接收機正常上星,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)導致衛(wèi)星導航接收機定位衛(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,會導致衛(wèi)星導航接收機跟蹤不到衛(wèi)星,或者跟蹤到的衛(wèi)星信號不穩(wěn)定,最終導致衛(wèi)星導航接收機不能定位,出現(xiàn)定位衛(wèi)星數(shù)量跳零現(xiàn)象。進行地面加電測試,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常。進行地面開車測試,在槳葉未轉動時,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)正常;在槳葉轉動后,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)出現(xiàn)跳零現(xiàn)象。

天線安裝位置位于槳葉下方,槳葉旋轉會對信號接收造成周期性的遮擋效果。當衛(wèi)星導航接收機跟蹤環(huán)路無法適應對遮擋的周期性信號進行跟蹤時,就無法穩(wěn)定地處理接收到的衛(wèi)星導航信號,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能力,在地面開車槳葉未轉動和轉動兩種情況下,衛(wèi)星導航接收機定位和收星數(shù)均正常。

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

3措施驗證

3.1旋翼旋轉遮擋測試

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

3.2 主備慣導線損測試

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

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,進行地面開車驗證,上電后槳葉旋轉時多顆衛(wèi)星在槳葉旋轉過程中完成同步,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結論

激光慣導系統(tǒng)主慣導空對失敗問題是衛(wèi)星導航接收機跟蹤環(huán)路無法對槳葉旋轉遮擋造成的弱信號進行穩(wěn)定跟蹤,定位不穩(wěn)定所導致,軟件升級后該問題得到解決。對于本次故障,原因定位準確,問題發(fā)生的機理清楚,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。

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2025年第3期第21篇