一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)及方法，對(duì)于運(yùn)載火箭的俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道中的每個(gè)通道，通過(guò)捷聯(lián)慣組姿態(tài)角信號(hào)并替代速率陀螺儀來(lái)獲取角速率信號(hào)；對(duì)姿態(tài)角信號(hào)進(jìn)行四元數(shù)解算；對(duì)角速率信號(hào)進(jìn)行濾波；對(duì)四元數(shù)解算結(jié)果和角速率信號(hào)濾波結(jié)果，進(jìn)行校正網(wǎng)絡(luò)差分方程計(jì)算得到擺角控制指令。本發(fā)明在不增加運(yùn)載火箭速率陀螺儀硬件配置和增加軟件算法復(fù)雜度的情況下，充分利用捷聯(lián)慣組中的陀螺信號(hào)，參與姿態(tài)角速率通道的控制，解決了運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)測(cè)量的冗余設(shè)計(jì)問(wèn)題，達(dá)到了提高運(yùn)載火箭飛行可靠性的有益效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及運(yùn)載火箭冗余控制系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1是現(xiàn)有運(yùn)載火箭俯仰通道姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖。如圖1所示的現(xiàn)有姿態(tài)控制系統(tǒng)中，包含設(shè)有2套捷聯(lián)慣組和速率陀螺儀的慣性測(cè)量系統(tǒng)，箭機(jī)，伺服機(jī)構(gòu)。在火箭的飛行過(guò)程中，由慣性測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量火箭的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信號(hào)，其中姿態(tài)角信號(hào)由捷聯(lián)慣組測(cè)得，姿態(tài)角速度信號(hào)由速率陀螺測(cè)得。箭機(jī)采樣測(cè)量信息，經(jīng)校正網(wǎng)絡(luò)差分方程綜合運(yùn)算得到相應(yīng)的控制指令，控制伺服機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)一定的角度，從而產(chǎn)生相應(yīng)的控制力矩，達(dá)到姿態(tài)控制的目的。
[0003]在現(xiàn)有的姿態(tài)控制系統(tǒng)中利用速率陀螺作為姿態(tài)角速度的測(cè)量元件比用校正網(wǎng)絡(luò)提供相位超前作用要靈活得多，它不僅通過(guò)改變速率陀螺的安裝位置解決彈性振動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題，還可以提高姿態(tài)控制系統(tǒng)抗交變干擾的能力，減輕了校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上的困難。
[0004]然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家建設(shè)的需要，“小而簡(jiǎn)單”運(yùn)載火箭向著“大而復(fù)雜”的方向發(fā)展，對(duì)運(yùn)載火箭的可靠性要求越來(lái)越高。為滿(mǎn)足適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境和高可靠性要求，宜采用必要的冗余技術(shù)。由于姿態(tài)角速率測(cè)量的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到運(yùn)載火箭姿態(tài)控制的成敗，進(jìn)而影響到運(yùn)載火箭飛行成敗，而速率陀螺冗余會(huì)受到安裝位置、運(yùn)載能力等的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在現(xiàn)有運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)配置的前提下的速率信號(hào)測(cè)量冗余設(shè)計(jì)問(wèn)題。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)及方法，在姿態(tài)控制系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中取消速率陀螺儀，采用兩套捷聯(lián)慣組經(jīng)診斷輸出的角速率信息，經(jīng)高頻濾波后，作為運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率通道的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中控制系統(tǒng)速率陀螺冗余，提高系統(tǒng)可靠性。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率的測(cè)量系統(tǒng)，其中對(duì)于運(yùn)載火箭的俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道中的每個(gè)通道，設(shè)置有伺服機(jī)構(gòu)、箭機(jī)及兩套捷聯(lián)慣組；
[0008]每套所述捷聯(lián)慣組從運(yùn)載火箭的箭體處，獲取姿態(tài)角信號(hào)并取代速率陀螺儀來(lái)獲取角速率信號(hào)；
[0009]所述箭機(jī)中，通過(guò)冗余判別模塊對(duì)兩套所述捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，并將其中被診斷為正確的一套捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)作為所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)輸出；通過(guò)捷聯(lián)數(shù)據(jù)處理模塊，將所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)中的姿態(tài)角信號(hào)和角速率信號(hào)分開(kāi)形成兩路信號(hào)，將其中的姿態(tài)角信號(hào)送至四元數(shù)解算模塊進(jìn)行運(yùn)算，將其中的角速率信號(hào)送至濾波網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行運(yùn)算；通過(guò)設(shè)置校正網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)四元數(shù)解算模塊及濾波網(wǎng)絡(luò)模塊的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算得到相應(yīng)的控制指令，并輸出該控制指令至伺服機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率的測(cè)量方法，其中對(duì)于運(yùn)載火箭的俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道中的每個(gè)通道，包含:
[0011]A、通過(guò)捷聯(lián)慣組獲取一路姿態(tài)角信號(hào)和一路角速率信號(hào)；
[0012]B、對(duì)姿態(tài)角信號(hào)進(jìn)行四元數(shù)解算；對(duì)角速率信號(hào)進(jìn)行濾波；
[0013]C、對(duì)四元數(shù)解算結(jié)果和角速率信號(hào)濾波結(jié)果，進(jìn)行校正網(wǎng)絡(luò)差分方程計(jì)算得到擺角控制指令，并輸出至伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行姿態(tài)控制。
[0014]優(yōu)選地，配置有兩套捷聯(lián)慣組，各自能夠獲取一路姿態(tài)角信號(hào)和一路角速率信號(hào);
[0015]對(duì)兩套所述捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，并將其中被診斷為正確的一套捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)作為所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)輸出；
[0016]則步驟B中，是對(duì)從所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)中分出的姿態(tài)角信號(hào)和角速率信號(hào)分別進(jìn)行運(yùn)
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)直接采用捷聯(lián)慣組冗余后的角速率信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是:
[0018]I)直接采用捷聯(lián)慣組冗余后的角速率信號(hào)，充分利用了捷聯(lián)慣組的角速率信息，在提高運(yùn)載火箭可靠性的同時(shí)并沒(méi)有增加硬件成本以及軟件算法的復(fù)雜度。
[0019]2)針對(duì)捷聯(lián)慣組冗余后的角速率信號(hào)，采用了高階的數(shù)字濾波器進(jìn)行高頻濾波，該濾波器的特點(diǎn)是高頻衰減效果好，有效的濾除了箭體設(shè)計(jì)時(shí)不需要關(guān)心的頻率，避免了因捷聯(lián)慣組和箭體的隨機(jī)振動(dòng)所引入的高頻干擾信號(hào)。
[0020]3)捷聯(lián)慣組與速率陀螺儀安裝位置比較接近時(shí)，慣組陀螺起到了與速率陀螺儀相同的作用，控制效果良好。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是現(xiàn)有運(yùn)載火箭俯仰通道姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖；
[0022]圖2是本發(fā)明俯仰通道姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]運(yùn)載火箭通常分為俯仰、偏航和滾動(dòng)三個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，本發(fā)明以俯仰通道為例進(jìn)行說(shuō)明，偏航通道和滾動(dòng)通道設(shè)計(jì)方法與之相同。以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0024]圖2是本發(fā)明俯仰通道姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖。如圖2所示在姿態(tài)控制系統(tǒng)中包含設(shè)有2套捷聯(lián)慣組(A、B)的慣性測(cè)量系統(tǒng)，箭機(jī)，和伺服機(jī)構(gòu)。當(dāng)速率陀螺的安裝位置與捷聯(lián)慣組的安裝位置相近，且箭體對(duì)彈性信號(hào)敏感較弱時(shí)，角速率信號(hào)可以直接采用經(jīng)捷聯(lián)慣組冗余判別之后的濾波角速率信號(hào)。因此，本發(fā)明的方案中不安裝速率陀螺儀，而是采用慣組陀螺信息取代原有的速率陀螺儀來(lái)測(cè)得角速率信息。
[0025]在雙捷聯(lián)切換前，使用默認(rèn)的捷聯(lián)數(shù)據(jù)(例如默認(rèn)為捷聯(lián)慣組A的數(shù)據(jù))；在雙捷聯(lián)切換后，則使用所選的一組捷聯(lián)數(shù)據(jù)。即，對(duì)于兩套捷聯(lián)慣組輸出的陀螺信號(hào)，經(jīng)冗余判別后輸出其中一組角速率信息，并采用了數(shù)字濾波處理，濾波后的角速率信號(hào)作為敏感運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率通道的測(cè)量信號(hào)，參與系統(tǒng)的姿態(tài)控制。本發(fā)明中采用高階的數(shù)字濾波器進(jìn)行高頻濾波，可以有效濾除箭體設(shè)計(jì)時(shí)不需要關(guān)心的頻率，避免了因捷聯(lián)慣組和箭體隨機(jī)振動(dòng)所引入的高頻干擾信號(hào)。
[0026]本發(fā)明提供的一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率信號(hào)的測(cè)量方法，包含以下步驟:
[0027]步驟一、雙捷聯(lián)故障診斷:
[0028]箭機(jī)接收到慣組的測(cè)量信息后，通過(guò)冗余判別模塊進(jìn)行雙捷聯(lián)故障診斷，經(jīng)故障診斷，輸出診斷后正確的姿態(tài)角速率。
[0029]步驟二、捷聯(lián)數(shù)據(jù)處理:
[0030]對(duì)所選的捷聯(lián)數(shù)據(jù)分為兩路運(yùn)算，一路為姿態(tài)角運(yùn)算，經(jīng)四元數(shù)解算，得到姿態(tài)角偏差號(hào)，如下:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于， 對(duì)于運(yùn)載火箭的俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道中的每個(gè)通道，設(shè)置有伺服機(jī)構(gòu)、箭機(jī)及兩套捷聯(lián)慣組； 每套所述捷聯(lián)慣組從運(yùn)載火箭的箭體處，獲取姿態(tài)角信號(hào)并取代速率陀螺儀來(lái)獲取角速率信號(hào)； 所述箭機(jī)中，通過(guò)冗余判別模塊對(duì)兩套所述捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，并將其中被診斷為正確的一套捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)作為所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)輸出；通過(guò)捷聯(lián)數(shù)據(jù)處理模塊，將所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)中的姿態(tài)角信號(hào)和角速率信號(hào)分開(kāi)形成兩路信號(hào)，將其中的姿態(tài)角信號(hào)送至四元數(shù)解算模塊進(jìn)行運(yùn)算，將其中的角速率信號(hào)送至濾波網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行運(yùn)算；通過(guò)設(shè)置校正網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)四元數(shù)解算模塊及濾波網(wǎng)絡(luò)模塊的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算得到相應(yīng)的控制指令，并輸出該控制指令至伺服機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。
2.一種運(yùn)載火箭姿態(tài)角速率的測(cè)量方法，其特征在于，對(duì)于運(yùn)載火箭的俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道中的每個(gè)通道，包含: A、通過(guò)捷聯(lián)慣組獲取一路姿態(tài)角信號(hào)和一路角速率信號(hào)； B、對(duì)姿態(tài)角信號(hào)進(jìn)行四元數(shù)解算；對(duì)角速率信號(hào)進(jìn)行濾波； C、對(duì)四元數(shù)解算結(jié)果和角速率信號(hào)濾波結(jié)果，進(jìn)行校正網(wǎng)絡(luò)差分方程計(jì)算得到擺角控制指令，并輸出至伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行姿態(tài)控制。
3.如權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于， 配置有兩套捷聯(lián)慣組，各自能夠獲取一路姿態(tài)角信號(hào)和一路角速率信號(hào)； 對(duì)兩套所述捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，并將其中被診斷為正確的一套捷聯(lián)慣組獲取的數(shù)據(jù)作為所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)輸出； 則步驟B中，是對(duì)從所選捷聯(lián)數(shù)據(jù)中分出的姿態(tài)角信號(hào)和角速率信號(hào)分別進(jìn)行運(yùn)算。
4.如權(quán)利要求2或3所述的測(cè)量方法，其特征在于， 步驟B中，所述姿態(tài)角信號(hào)經(jīng)四元數(shù)解算后，得到俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道的姿態(tài)角偏差號(hào):
5.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于， 步驟B中，俯仰通道、偏航通道和滾動(dòng)通道的所述角速率信號(hào)為:
6.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于， 步驟B中，對(duì)角速率信號(hào)進(jìn)行如下的濾波處理:
7.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于， 步驟C中，校正網(wǎng)絡(luò)差分方程計(jì)算:
8.如權(quán)利要求7所述的測(cè)量方法，其特征在于， 計(jì)算輸出的擺角控制指令如下:
【文檔編號(hào)】G01C19/00GK103925917SQ201410186877
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】周靜, 周如好, 王建清, 羅潔, 賀從園, 余薛浩, 王鵬, 胡存明 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠