速率陀螺在運載火箭上的應用及冗余方式

王 碩，李新明,2

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京，100854）

0 引 言

目前，大型運載火箭姿態控制系統一般采取慣性穩定平臺或捷聯慣性測量組合、速率陀螺與計算機控制的方案，慣性穩定平臺或捷聯慣性測量組合的測量信息與速率陀螺測量信息經箭載計算機采樣后進行綜合，共同完成控制方程的計算。運載火箭的彈性振動幅值穩定和相位穩定都對姿控系統測量元件安裝位置提出了特定要求，速率陀螺由于其體積小、安裝精度要求不高，安裝位置比較靈活，因此運載火箭均采用速率陀螺信息參與控制，提高對箭體彈性振動的控制與穩定。

速率陀螺在運載火箭上的應用主要是為姿態控制提供微分超前信號，如果采用慣性穩定平臺敏感的姿態信息進行微分，得到箭體控制需要的角速度信息方式，則由于箭體彈性振動和噪聲的影響，得到的微分超前信息存在較大噪聲，甚至可能是虛假信號，20世紀60年代初，某地對地導彈首飛試驗失利就是因為此原因導致。對于速率陀螺的測量信號，不僅僅是姿態控制所需的信息，還包含了大量的彈性振動信息以及噪聲，為了得到姿態控制系統所需的信息，需要選擇速率陀螺合適的安裝位置，保證速率陀螺的測量信號既可以提供火箭剛體控制所需的姿態角速度信號，也可以減小進入控制系統的彈性振動信息。

速率陀螺測量信息的正確性對火箭的穩定起著至關重要的作用，如果故障測量信息引入姿態控制系統，將導致火箭姿態失穩乃至飛行失利。某型號運載火箭曾因速率陀螺極大值輸出故障導致飛行失敗。中國民營航天公司研制的OS-M運載火箭在一二級正常分離后，由于速率陀螺發生故障導致火箭姿態失穩。考慮運載火箭發射的高成本，需要對姿控系統重要單機進行冗余設計。對于姿態控制所需的速率陀螺單機，在僅考慮一度故障模式的前提下，需要保證在某一控制通道的一個速率陀螺發生故障后，可以有冗余的速率陀螺提供角速度測量信息，并在設計裕度下能夠保證穩定飛行。目前中國的運載火箭多采用每個控制通道（俯仰、偏航、滾動）安裝兩個速率陀螺作為敏感元件，每個通道的兩個速率陀螺選擇合適的位置，在同一位置或不同位置，采用幅值穩定或相位穩定的控制策略。CZ-2D運載火箭一級飛行段采用一級加二級速率陀螺取平均進行控制，在系統設計時兼顧其中一只陀螺故障時控制系統仍能保證飛行穩定，二級飛行段采用故障吸收方案，即“速率陀螺+微分網絡”進行控制。國外方面，Ares-1運載火箭安裝了一個慣性測量平臺和兩個速率陀螺，為了減小進入控制系統的彈性信號，綜合測量元件的故障診斷結果和安裝位置因素設計了3個加權系數動態調整方案，從而降低彈性信息和故障信息對控制系統的影響。

本文對速率陀螺的應用原理和速率陀螺冗余方案進行介紹，并針對速率陀螺在工程應用中的姿態控制設計做簡要介紹。

1 速率陀螺的應用方法

1.1 原 理 [5]

1.2 應 用

若要速率陀螺對某次彈性振動信號不敏感，則需將它安裝在該次彈性振型的波腹處，但在飛行過程中，由于質量分布的變化，該次彈性振型的波腹也在不斷變化，速率陀螺的位置一旦固定，在飛行過程中則很難再改變，所以為了使整個飛行階段，速率陀螺對某次彈性振型斜率均不敏感，則可以采用2個速率陀螺，安裝在不同位置，使其感受到的該次彈性振動信號相位相反。通過將2個速率陀螺的信號按合適的比例進行迭加，從而使該次彈性振動信號互相抵消。

2個速率陀螺測量到的信號分別為

通過將2個速率陀螺的信號按式（7）中的比例相加則可將一次彈性振動信號抵消掉，改變12,的值可以做到在整個飛行時間對一次彈性振動信號不敏感。

2 速率陀螺的冗余設計

對于多級運載火箭來說，每級都有各自的速率陀螺，各級速率陀螺隨火箭的飛行時序轉級，如火箭一二級分離時刻，通過信號轉換裝置將用于一級控制的速率陀螺信號切換為用于二級控制的速率陀螺信號。采用這種單速率陀螺轉級控制方式，當速率陀螺發生故障時，速率陀螺無法提供超前相位，導致控制系統無穩定裕度或穩定裕度非常小，從而影響控制系統穩定性。隨著運載火箭設計復雜性及可靠性要求不斷提高，這種單速率陀螺的控制方法已無法滿足速率陀螺故障時對控制系統穩定性和火箭飛行可靠性的要求。

為了提高運載火箭的可靠性，目前運載火箭速率陀螺一般采用雙冗余設計方案，即每個通道安裝2個速率陀螺，這樣既能保證設計的可靠性，又能節省硬件和系統復雜度。雙冗余設計方案，其中一個速率陀螺發生故障后，依靠另一個速率陀螺提供的超前信號和系統設計的穩定裕度保證火箭穩定飛行。

速率陀螺冗余方案的設計根據速率陀螺安裝位置不同而有所區別。根據姿控系統對彈性振動信號的要求，每個通道的速率陀螺可能安裝在同一位置，也可能安裝在不同位置，根據安裝位置的不同，介紹相應的速率陀螺冗余方案。

2.1 速率陀螺安裝位置相同的冗余方案

若每個通道的2個速率陀螺安裝位置相同，則兩個速率陀螺的力學環境基本相同，可以認為在正常情況下2個速率陀螺的信息一致，所以首先對兩者進行一致性判別，若未超過一致性門限則認為速率陀螺信號正常；若超過一致性門限且連續持續一定次數，則引入捷聯慣組信息與速率陀螺信息進行比較，判別出故障速率陀螺將其切除。同時姿控系統在設計階段需考慮適應此故障模式。圖1為速率陀螺安裝位置相同 時的冗余方案。

圖1 速率陀螺安裝位置相同 時的冗余方案Fig.1 Schematic Diagram of the Redundancy Scheme When the Rate Gyro is Installed in the Same Position

2.2 速率陀螺安裝位置不同的冗余方案

若每個通道的2個速率陀螺安裝位置不同，2個速率陀螺敏感到的角速度信息包含的彈性信息不同，導致其一致性判別門限很難選擇，所以無法采用一致性判別的方式，因此在這種情況下僅對每個速率陀螺單獨進行合理性判別，當某一個速率陀螺連續不滿足合理性判別時，則選擇將其切除，其輸出用0值代替，為了適應單個速率陀螺被切除的情況，在姿控系統設計階段需通過選擇合適的校正網絡參數，保證在故障情況下系統仍然具有足夠的穩定裕度，運載火箭在單個速率陀螺發生故障情況下能夠穩定飛行。圖2為速率陀螺安裝位置不同 時的冗余方案。

圖2 速率陀螺安裝位置不同 時的冗余方案Fig.2 Schematic Diagram of the Redundancy Scheme When the Rate Gyro is Installed in the Different Position

3 速率陀螺在運載火箭上的應用

CZ-2F運載火箭是中國第1款也是目前唯一一款在役的載人航天運載火箭，它是在CZ-2E捆綁火箭基礎上改進研制的大型捆綁式兩級運載火箭，為適應載人航天高可靠性、高安全性要求，CZ-2F運載火箭在設計時采取了多種冗余容錯措施，保證火箭在一度故障下仍能夠穩定飛行。

改進型CZ-2F運載火箭速率陀螺采用雙速率陀螺冗余方案，綜合利用I、II級速率陀螺，在不增加硬件情況下形成冗余設計。根據敏感彈性振動要求，每個通道的2個速率陀螺安裝位置均不同。CZ-2F運載火箭速率陀螺冗余方案采用速率陀螺安裝位置不同的冗余方案，當判斷出某一速率陀螺發生故障后，將其切除。為保證單一速率陀螺被切除后新系統保持穩定，姿控系統在設計時需保證在單個速率陀螺發生故障情況下仍具有足夠的穩定裕度，選擇合適的校正網絡。

3.1 單個速率陀螺發生故障下的姿控設計

高可靠運載火箭姿控系統在設計階段需要考慮其中1個速率陀螺發生故障能保證穩定飛行，因此設計校正網絡時需要在速率陀螺正常和故障兩種狀態下均具有足夠的穩定裕度。圖3是不加校正網絡情況下，只考慮姿態角偏差和姿態角速度反饋控制時的開環傳遞函數頻域圖，在判別出其中一個速率陀螺發生故障后，將該速率陀螺輸出人為置0，導致開環傳遞函數剛體處的相位裕度減小，晃動和彈性部分的幅值和相位也會受到影響。

圖3 無故障和單個速率陀螺故障下開環特性對比Fig.3 Comparison of Open-loop Characteristics under Fault-free and Single-rate Gyro Faults

設計校正網絡提高剛體處的相位裕度，保證在速率陀螺故障情況下系統仍然具有足夠穩定裕度。考慮校正網絡后的系統開環傳遞函數頻域特性如圖4所示。

圖4 增加校正網絡后無故障和單個速率陀螺故障下開環特性對比Fig.4 Comparison of Open-loop Characteristics with No Fault after Adding Correction Network and Single Rate Gyro Fault

3.2 單個速率陀螺發生故障下的時域仿真

對速率陀螺發生故障情況進行時域仿真，假設在飛行50 s時俯仰通道一個速率陀螺發生故障，火箭大約在80 s左右進入大風區，進入大風區后對姿控系統的適應能力要求較高，所以在此時驗證當速率陀螺發生故障被切除1個后，姿控系統是否可以正常工作。

由圖5和圖6可知，當50 s速率陀螺發生故障被切除后，俯仰通道角偏差與正常飛行情況下變化不大，且舵擺角沒有發生突變，均在指標設計范圍內。因此通過設計階段考慮1個速率陀螺被切除的影響，保證在速率陀螺故障下仍具有足夠的穩定裕度，可以實現運載火箭的穩定飛行。

圖5 姿態角偏差變化Fig.5 Attitude Angle Deviation Change Curve

圖6 一級舵擺角變化Fig.6 First-stage Rudder Swing Angle Change Curve

4 結 論

本文針對速率陀螺在運載火箭上的應用以及冗余方式進行了介紹，從速率陀螺的應用原理、冗余方式兩方面進行了總結與歸納，并對速率陀螺在工程應用中的姿態控制設計做了簡要介紹。速率陀螺在火箭剛體穩定控制和彈性振動的穩定控制方面具有重要的作用，可以為姿控系統提供剛體控制所需的超前信號，同時通過對速率陀螺安裝位置的優化，減小其敏感到的振動信息。考慮速率陀螺一度故障的情況，在姿控系統設計階段就考慮在故障情況下的姿態控制穩定裕度，保證其中一個速率陀螺被切除的情況下火箭仍能穩定飛行。目前中國現役的長征系列運載火箭速率陀螺的應用與冗余方式多采用上述形式，隨著新一代載人運載火箭的研制，其彈性頻率較低，與剛體和晃動的耦合更加嚴重，現有的兩個速率陀螺的應用形式可能無法滿足姿態控制需求，未來需要研究如何調整兩個速率陀螺輸出信號的利用比例從而達到更好的控制效果。