光纖慣導系統磁航向輸出錯誤問題的分析與排除

摘 要：針對外場發生的某型光纖慣導系統磁航向輸出錯誤問題進行了詳細分析，結合光纖慣導系統原理，定位為磁航向傳感器內部的三軸磁場計在量化標定時開關撥反導致磁航向輸出錯誤，對其采取了有效措施并得到充分驗證，可為同類機載產品故障的排除提供參考。

關鍵詞：光纖慣導；磁航向；三軸磁場計

中圖分類號：V351.31；TN96" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0059-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.014

0" " 引言

光纖慣導作為新一代的慣導系統，相比激光慣導有很多優勢：光纖慣導的精度不亞于普通的激光陀螺，而重量、體積、功耗和價格都有大幅度的下降；隨著技術的進步，光纖慣導的精度還在不斷提升，不久的未來，可以得到精度更高，而重量、體積、功耗和價格更低的光纖慣導。光纖陀螺已成為今后一段時期內國際上慣導發展的一大趨勢，國內的很多水下無人航行器和飛行器等也都已逐漸裝備光纖慣導[1]。

1" " 故障現象

某型機在地面進行通電時，光纖慣性導航系統初始對準輸出的磁航向角與激光慣導系統的磁航向角度相差150°，光纖慣性導航系統出現磁航向輸出錯誤的故障。

2" " 產品組成及工作原理

光纖慣性導航系統由慣性測量部件、磁航向傳感器和安裝托架組成。光纖慣性導航系統通過光纖陀螺和石英加速度計，生成載機的角速率和加速度，角速率和加速度信號傳送給主機板，通過捷聯解算對外輸出位置、速度、航向、姿態信息。產品接收來自綜合衛星導航通信系統的衛星定位信息、來自多普勒雷達的速度信息和來自大氣機的真空速信息，在不同工作模式下分別使用衛星定位信息中的位置信號、多普勒雷達提供的載機速度信號和大氣真空速信號對系統自身解算出的位置、速度、航向、姿態進行修正，最后以1553B和ARINC429數據信號傳輸格式對外輸出更為精確的位置、速度、航向、姿態信息和三軸加速度、三軸角速率等參數。磁航向傳感器通過內部的三軸磁場計檢測磁場的強度和方向，并將X、Y、Z三個軸的磁場分量通過RS422串行總線直接輸出給慣性測量部件用于磁航向的解算。

3" " 故障分析與排查

3.1" " 故障原因分析

首先根據光纖慣導系統原理及接線圖紙對機上慣性測量部件到磁航向傳感器的線路進行導通，搖絕緣檢查發現沒有問題；測量磁航向傳感器的供電電壓也在+15 V，正常；檢查產品插座及其對接插頭針腳，并無縮針現象。因此，排除機上線路問題。磁航向傳感器的用途是為光纖慣導系統初始對準提供初始航向信息，以實現組合導航系統的快速對準，縮短準備時間。針對磁航向輸出錯誤問題，初步將故障原因定位為慣性測量部件或磁航向傳感器故障。通過成品串件隔離故障，定位為磁航向傳感器故障原因導致。

根據磁航向傳感器的工作原理及故障現象建立產品故障樹，如圖1所示。

3.1.1" " 磁航向解算異常

根據設計，磁航向傳感器將測量到的三軸地磁信息發送給慣性測量部件進行磁航向解算，當慣性測量部件中的磁航向解算出現異常時，會導致解算的磁航向出現錯誤。

3.1.2" " FLASH芯片故障

磁航向傳感器在出廠前會在二軸轉臺上進行羅差校正，用來標定當前磁場環境并檢測磁航向傳感器的輸出精度，羅差校正得到的參數會存儲在慣性測量部件中的FLASH芯片上。產品上電后，DSP調用磁航向傳感器的零偏參數和線性擬合參數對解算的磁航向進行補償，若FLASH芯片故障，存儲的相關補償參數異常，用于磁航向解算補償的數據就會出現錯誤，進而導致補償后的磁航向輸出錯誤數據。

3.1.3" " 三軸磁場計裝反

根據設計，三軸磁場計應水平安裝在磁航向傳感器中部，若三軸磁場計裝反，生成的當前磁場的地磁信息就會出現錯誤，使用錯誤的地磁信息進行磁航向解算時，會導致解算的磁航向出現錯誤。

3.1.4" " 三軸磁場計故障

根據設計，磁航向傳感器通過三軸磁場計檢測磁場的強度和方向，若三軸磁場計故障輸出錯誤信息，慣性測量部件使用錯誤的地磁信息進行磁航向解算，會導致產品解算的磁航向出現錯誤。

1）磁阻芯片故障。

根據設計，三軸磁場計通過磁阻芯片生成載機三軸地磁信息，三軸地磁信息送給慣性測量部件并進行磁航向解算，若磁阻芯片出現故障，會導致輸出的三軸地磁信息出現異常，進而導致產品解算的磁航向出現錯誤。

2）單片機故障。

根據設計，三軸磁場計通過單片機采集磁阻芯片送來的三軸地磁模擬信號，經過AD轉換后以數字量形式送給慣性測量部件用于磁航向解算，若單片機出現故障，會使三軸磁場計輸出的三軸地磁信息出現異常，進而導致產品解算的磁航向出現錯誤。

3）量化標定異常。

三軸磁場計在出廠前需進行量化標定，作用是通過標定臺上均布的線圈模擬不同場強的電磁場，通過采集軟件采集三軸磁場計在不同場強電磁場下的輸出并進行補償，來校正輸出極性并提高三軸磁場計的線性度和精度。若量化標定過程出現異常，會使三軸磁場計輸出的三軸地磁信息出現異常，進而導致產品解算的磁航向出現錯誤。

（1）量化產品裝反：量化標定時，三軸磁場計是固定在標定臺上的，若三軸磁場計裝反，量化標定時三軸磁場計感受到的磁場方向與產品正確安裝后感受到的真實磁場方向就存在相反的情況，導致三軸磁場計輸出的三軸地磁信息存在異常，進而使產品解算的磁航向出現錯誤。

（2）量化標定偏轉開關撥反：三軸磁場計量化標定的相關設備中有一個偏轉開關，負責改變施加的磁場方向，如果沒有正確偏轉，模擬的磁場方向就會與真實磁場存在相反的情況，會導致量化的方向相反，使得三軸磁場計輸出的三軸地磁信息存在異常，進而導致產品解算的磁航向出現錯誤。

3.2" " 故障排查定位

3.2.1" " 磁航向輸出錯誤故障

1）X1故障排查。

故障磁航向傳感器返廠后，使用一套驗收合格的系統配合進行測試排查，將磁航向傳感器和慣性測量部件順航向安裝在二軸轉臺上，給產品上電，通過維護口觀察輸出磁航向與真實磁航向差值約為190°，與現場故障現象一致。隨后對磁航向傳感器送出來的三軸磁通量源碼進行手動計算，與慣性測量部件解算的磁航向一致。排除磁航向解算異常故障（X1故障）。

2）X2故障排查。

廠內故障復現后，使用超級終端查看FLASH存儲參數，觀察與出廠羅差校正的參數一致，不存在零偏參數丟失及異常的情況。隨后按照產品規范要求進行羅差校正，校正完成后磁航向輸出正常，與基準航向基本一致。通過維護口查看羅差校正參數，代表磁傳感器零偏的第27個參數為“+189.483 795 2”，與羅差校正前輸出的磁航向角數據一致，FLSAH芯片存儲和讀取參數正常。排除FLASH芯片故障（X2故障）。

3）X3故障排查。

將磁航向傳感器的上蓋打開，對照圖紙觀察三軸磁場計的安裝方向，未出現三軸磁場計裝反的情況，重復測試磁航向輸出錯誤的問題依然存在。排除三軸磁場計裝反故障（X3故障）。

4）三軸磁場計輸出錯誤排查。

將故障磁傳感器和正常磁傳感器分別安裝至二軸轉臺上，通過維護口實時觀察并記錄三軸磁場計輸出的源碼數據，分別順時針和逆時針轉動轉臺航向一圈，對采集到的三軸磁通量數據進行繪圖，故障磁傳感器輸出與正常磁傳感器輸出的極性不一致，故障磁航向傳感器中的三軸磁場計存在輸出錯誤的情況，定位三軸磁場計輸出錯誤。

3.2.2" " 三軸磁場計輸出錯誤故障

1）X11、X12故障排查。

將故障磁傳感器安裝至二軸轉臺，分別記錄磁航向傳感器在0°、90°、180°、270°和360°方位下的三軸磁通量源碼數據，通過計算后（未做環境補償與修正，存在一定誤差）發現內置的三軸磁場計輸出存在與實際磁航向反向約180°的情況，同時X、Y、Z三軸數據均存在輸出反向的情況（僅正負相反，輸出量綱與正常三軸磁場計相同）。排除磁阻芯片故障和單片機故障（X11、X12故障）。

2）量化標定異常排查。

三軸磁場計在出廠時，通過外部磁場發生設備進行磁場強度和磁場方向等的校準工作，若量化標定過程異常，校準過程中量化方向錯誤，會導致三軸磁場計輸出存在反向的情況，進而導致航向解算存在異常的反向情況，與故障產品測試數據現象一致，因此定位量化標定異常故障。

3.2.3" " 量化標定異常故障

1）X111故障排查。

三軸磁場計在量化設備中是基于工裝安裝，該工裝帶有防反向安裝裝置，反向安裝后產品無法正常供電和查看數據輸出，因此排除量化標定產品裝反故障（X111故障）。

2）X112故障排查。

將故障三軸磁場計固定在量化設備中，正確設置磁場控制開關——偏轉開關，讀取故障產品數值，三軸磁場計量化數據與量化平臺實際數據絕對值一致，正負值相反，隨后將量化設備上的磁場控制開關——偏轉開關位置撥反，再次讀取故障產品數值，三軸磁場計量化數據與量化平臺實際數據一致，未出現正負相反的情況；同時取一只正常的三軸磁場計放置于量化設備上，將磁場控制開關——偏轉開關位置撥反并重新進行量化標定，完成后取出并讀取X、Y、Z三軸量化數據，與故障產品數據一致。

因此，最終故障確定為量化標定偏轉開關撥反（X112故障），導致三軸磁場計在量化標定過程中磁場方向被標反，標反后的三軸磁場計會輸出反向的三軸磁通量，進而解算出錯誤的磁航向。

4" " 機理分析

4.1" " 量化標定異常機理分析

量化標定設備中有一個偏轉開關，負責改變施加的磁場方向，如果沒有正確偏轉，會導致量化的方向相反。偏轉開關是人工控制的單刀雙擲開關，控制如圖2所示。

開關1和2同時撥向a，給電路中輸出正向電壓，開關1和2同時撥向b，給電路中輸出負向電壓；規定的操作順序為先a后b，若實際執行時變為先b后a，則量化的方向完全相反，將導致量化標定異常。因之前在偏轉開關上未標識“正向開關”和“反向開關”，操作人員有誤操作導致量化標定異常的可能。

4.2" " 三軸磁場計輸出異常機理分析

三軸磁場計在出廠時，會通過外部磁場發生設備進行磁場強度和磁場方向等的校準工作，使得三軸磁場計輸出精確的磁場強度和方向，若量化標定過程異常，校準過程中量化方向錯誤，會導致三軸磁場計感受到錯誤的磁場方向，進而校準后的三軸磁場計在感受真實磁場環境時輸出錯誤的磁場方向信息。

4.3" " 磁航向輸出錯誤機理分析

磁航向傳感器通過內部的三軸磁場計檢測當前磁場的強度和方向，若三軸磁場計輸出的X、Y、Z三個軸的磁場分量出現極性相反的情況，慣性測量部件通過極性相反的三軸磁場分量生成磁航向時，就會得到錯誤的磁航向。

因此，量化標定開關撥反（X112故障）使得三軸磁場計在標定時感應的磁場方向與真實磁場方向相反，導致標定后三軸磁場計輸出的三軸磁通量存在極性相反的情況，進而由慣性測量部件進行解算時會造成磁航向輸出錯誤的情況。

5" " 解決措施及驗證情況

針對該故障現象，對故障件的三軸磁場計進行返廠故障分析及維修。重新量化標定維修后，三軸磁場計廠家完成自測試，自測試正常后隨磁航向傳感器進行系統測試，經常溫、高低溫測試，磁航向輸出正常。經過機上通電驗證，光纖慣性導航系統初始對準輸出的磁航向角與激光慣導系統的磁航向角度一致。

針對該問題，三軸磁場計廠家工藝人員增加了量化開關的檢查工序以及標定后復檢工序，以避免同類問題再次發生。同時，廠內在系統調試說明書中增加了羅差校正前的磁航向輸出檢查步驟，用于排查三軸磁場計裝反或輸出反向的問題，杜絕輸出錯誤的產品通過羅差校正后正常驗收出廠。

6" " 結束語

光纖慣導系統磁航向輸出錯誤問題原因為磁航向傳感器內部的三軸磁場計在量化標定時開關撥反，導致三軸磁場計磁場方向量化標定不正確，輸出的三軸磁通量極性錯誤，通過重新進行量化標定故障件的問題得到解決。針對該事件，故障定位準確，機理分析清楚，經試驗驗證，措施有效，可避免后續同類產品發生磁航向輸出錯誤的故障。

[參考文獻]

[1] 呂志剛，呂爽，白龍.光纖慣導國內外發展現狀及其關鍵技術分析[J].數字海洋與水下攻防，2020，3（5）：420-424.

收稿日期：2024-10-23

作者簡介：鐘敏（1984—），男，江西贛州人，碩士，高級工程師，研究方向：航電儀表。