惯性导航系统冗余设计与可靠性分析

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1、惯性导航系统冗余设计与可靠性分析2006年第1期2006年2月航空兵器AER0WEAP0NRY2006No.1Feb.2oo6惯性导航系统冗余设计与可靠性分析赵刻,白雪峰(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083)摘要:阐述了惯导组合中存在的故障种类和故障率，给岀了惯性器件六表斜置和电源系统非均流并联的冗余配置方案，对不同的配置方案进行了对比和可靠性分析.针对电源故障类型提出了可靠性计算的三状态分析法，并对并联冗余系统进行了建模分析和冗余优化设计，所得结果不仅适合惯组电源，同时也满足

2、其他三状态控制系统的设计要求.关键词:冗余配置;三状态分析;冗余优化屮图分类号:TJ765文献标识码:A文章编号:1673—5048(2006)01—0015—03TheRedundancyDesignandReliabilityAnalysisoflnertialNavigationSystemZHAOYan,BAIXue.feng(Schooloflnstrumentation&OptoelectronicsEngineering,BeijingUniversityofAeronauti

3、csandAstronautics,Beijing,100083,China)Abstract:Thispaperdiscribesthefailuretypesandthefailurerateintheinertialmeasurementunit(IMU),thengivestheredundantschemesoftheinertialinstrumentsandthepowersupplies,andcon—traststheirreliabilityJtintroducesthreest

4、ateanalysisforthereliabilitycalculationofpowersupplyandgivesmodelingandoptimizeddesigningfortheparallelredundantsystem.TheresultappliesnotonlytoIMUpowersystem.butalsotootherthree—statesystems.Keywords:redundantconfiguration;three一stateanalysis;redundan

5、toptimization0引言新型高速导弹对导航系统的精度和可靠性两方而都提出了越来越高的要求•单靠提高惯性敏感部件的设计和制造工艺来达到对精度和可靠性的要求是十分有限的•随着控制理论和计算机技术的发展，通过釆用冗余技术来提高精度和可靠性,己成为导航技术发展的方向•通常兀余技术可分为系统级冗余和单元级冗余两种,合理地选择组合冗余方案将大大提高系统的可靠性和容错能力.收稿日期:2005-11—10作者简介:赵炎"1956—），男，山西乡宁人，教授，博士生导师，研究方向为图像处理与成像制导，卫星导航，

6、组合导航.在惯测组件屮包含大量的电子元器件，主要可以分为如下几大类:惯性敏感器件，电源系统，计算机系统和数据总线等•有学者曾做过长时间工作状态下元部件的故障率统计…（详见表1）.为了提高系统的可靠性，在”先局部后总体”的原则下，本文选择对惯性皱感器件和电源系统进行冗余设计和可靠性分析.表1长时间工作状态下元部件的故障率（每百万小时1IMU基本部件陀螺加速度计电源计算机数据总线计数器时钟故障次数4.22.61.93.22.51.00.11惯性器件兀余配置与可靠性惯导系统正常工作通常需要三个加速度计与二

7、个两自由度陀螺仪（或三个单自由度陀螺16?航空兵器2006年第1期仪）•当采用冗余惯性元件来提高其可靠性时，有两种冗余方式:①采用组件级兀余，即将三个加速度计组成一个组件，将二个两自由度陀螺仪组成一个组件，同时各采用二个组件（或三个组件或更多组件）进行工作，当一个组件出故障（即一个组件中不管是一个元件出故障或两个元件出故障）该系统仍能正常T作,这种兀余称为组件级冗余;②采用元件级冗余,即采用多于所需数量元件的方法,这两种冗余都能提高系统的可靠性］.图1（a）和（b）分别是单轴和双轴惯性器件采用组件级

8、兀余的可靠度R与兀余数m的关系曲线•从图中可见，不管是单轴述是双轴惯性器件，随着冗余数m的增加，系统的可靠度随Z增长，但可靠度R随冗余数m的增长不是线性的，所以冗余数m并非愈大愈好.另外还可以看出，双轴惯性器件构成的兀余系统可靠性较同一数量的单轴惯性器件构成的冗余系统可靠性高.稍｝啻(a)(b)图1可靠度R与冗余数m的关系曲线通常还可以组件级和元件级冗余进行混合冗余设计，比较普遍的是采用三系统并联，双四混合和六表斜置结构•图2对这三种配置方式进行了可靠性分析.可见，三