童維斌

摘 要：慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)是民用飛機(jī)中最重要的機(jī)載系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)為飛機(jī)的顯示系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)提供飛機(jī)的飛行姿態(tài)、航向、加速度等信息，其準(zhǔn)確性對(duì)飛機(jī)的安全穩(wěn)定飛行具有不可替代的作用。文章對(duì)民用飛機(jī)慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的校準(zhǔn)進(jìn)行了研究，希望能夠給民航機(jī)務(wù)維護(hù)的工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)；校準(zhǔn)

1 民用飛機(jī)慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)組成

慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)，能夠通過(guò)飛機(jī)主控中心總線(xiàn)系統(tǒng)向主控中心輸出飛機(jī)的姿態(tài)、航向、加速度等信息。慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)主要由慣性基準(zhǔn)裝置（IRU）、飛機(jī)個(gè)性化模塊（APM）以及安裝托架三個(gè)部分構(gòu)成[1]。其中IRU是慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的部分，它包含了所有慣性測(cè)量元件以及計(jì)算功能，而APM則主要用于存儲(chǔ)IRU的安裝校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、飛機(jī)的具體型號(hào)等方面的數(shù)據(jù)，這樣能夠在更換IRU部件之后，直接讀取數(shù)據(jù)，而無(wú)需從新對(duì)IRU裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。每套慣性系統(tǒng)均有兩種工作方式，分別為導(dǎo)航方式和姿態(tài)方式，其中導(dǎo)航方式是系統(tǒng)的正常工作方式，在此種工作方式下，慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠向飛機(jī)的控制中心提供全部導(dǎo)航參數(shù)；而姿態(tài)方式則是在飛機(jī)的系統(tǒng)導(dǎo)航功能失效之后所進(jìn)行的一種降低精度的工作方式，此時(shí)，系統(tǒng)只能向飛機(jī)控制中心提供包括姿態(tài)和航向等的少量數(shù)據(jù)信息。

2 民用飛機(jī)慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)

2.1 正常校準(zhǔn)

飛機(jī)在停靠地面通電之后，將慣性導(dǎo)航控制顯示組件上的工作方式按鈕從OFF狀態(tài)撥出置為NAV狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在5秒鐘的電瓶測(cè)試之后進(jìn)入到正常校準(zhǔn)的狀態(tài)中，此時(shí)，控制顯示組件上的“ALIGN（校準(zhǔn)）”燈會(huì)穩(wěn)定的點(diǎn)亮，飛機(jī)中央電子監(jiān)控顯示屏中會(huì)顯示“IRSIN ALING >7”的信息提示。此時(shí)大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)組件提供的計(jì)算空速、垂直速度以及氣壓高度數(shù)據(jù)會(huì)在正、副駕駛員位的主飛行顯示器上進(jìn)行顯示[2]。慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的正常校準(zhǔn)過(guò)程主要包括兩個(gè)階段，通常完成整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程需要耗時(shí)約10分鐘，具體校準(zhǔn)過(guò)程描述如下。

（1）首先對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行粗略校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的前30秒為水平粗校準(zhǔn)階段，此時(shí)系統(tǒng)主要通過(guò)加速度計(jì)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)角進(jìn)行測(cè)量。假設(shè)飛機(jī)停在地面使機(jī)頭的仰角為θ度，傾斜角度為0時(shí)，雖然沿著飛機(jī)的縱軸方向沒(méi)有線(xiàn)性加速度，但是縱向加速度計(jì)會(huì)隨著飛機(jī)縱軸俯仰θ度，此時(shí)加速度計(jì)的質(zhì)量擺擺敏感到了重力加速度g的分量g·sinθ，輸出信號(hào)為Uy，Uy具體計(jì)算可以采用下面的公式：

Uy=Ky·g·sinθ

公式中的Ky表示縱向加速度計(jì)的比例系數(shù)。如果縱向加速度計(jì)的俯仰角較小時(shí)，sinθ≈θ，其中θ的單位用弧度進(jìn)行表示。因此，可以得到

（2）然后利用橫向加速度計(jì)對(duì)飛機(jī)的傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，按照縱向加速度計(jì)的測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)飛機(jī)停在地面時(shí)，其傾斜角為γ、俯仰角為0時(shí)，重力加速度g隨著飛機(jī)的橫軸的分量g·sinγ被橫向加速度計(jì)敏感到，此時(shí)輸出信號(hào)為Ux。則

公式中的Kx表示橫向加速度計(jì)的比例系數(shù)。如果橫向加速度計(jì)的傾斜角度較小時(shí)，則sinγ≈γ，其中γ的單位用弧度進(jìn)行表示，則

如果飛機(jī)在停放地面時(shí)，出現(xiàn)了仰角和傾斜角同時(shí)存在的情況，采用上面的計(jì)算公式可以測(cè)量到飛機(jī)的真實(shí)俯仰角度，而所測(cè)量到的傾斜角度則不是飛機(jī)的真實(shí)傾斜角度。在30s的粗略校準(zhǔn)之后，飛機(jī)的俯仰角以及傾斜角都計(jì)算出來(lái)，正、副駕駛位的飛機(jī)符號(hào)計(jì)空地球出現(xiàn)，俯仰以及傾斜的刻度指示信號(hào)也會(huì)被顯示在主控屏幕上。

2.2 陀螺——羅盤(pán)的處理以及水平精確校準(zhǔn)

該階段的校準(zhǔn)過(guò)程至少需要花費(fèi)9分30秒時(shí)間，主要是對(duì)飛機(jī)的真實(shí)航向角進(jìn)行測(cè)量，并利用地球自轉(zhuǎn)角速度的垂直分量對(duì)飛機(jī)當(dāng)前所處位置的緯度進(jìn)行精確計(jì)算。

（1）飛機(jī)真實(shí)航向角的測(cè)量

當(dāng)飛機(jī)停在地面時(shí)，假設(shè)其俯仰角及傾斜角均為0，此時(shí)飛機(jī)的真航向角度為ψ，飛機(jī)所在地的緯度為φ。由于飛機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，其會(huì)隨著地球自轉(zhuǎn)而一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)飛機(jī)的自轉(zhuǎn)角速度與地球的自轉(zhuǎn)角速度相等，用ω表示（ω為15°/小時(shí)），ω在飛機(jī)所在地水平面上的分量為ω·cos？準(zhǔn)，垂直分量為ω·sin？準(zhǔn)。同時(shí)可以將水平分量分解為沿飛機(jī)縱軸和飛機(jī)橫軸的兩個(gè)分量，分別表示為ω·cos？準(zhǔn)·cos？追和ω·cos？準(zhǔn)·sin？追，這兩個(gè)分量分別被縱向陀螺計(jì)橫向陀螺所敏感，并以Vy和Vx進(jìn)行輸出。可以利用縱向陀螺的比例系數(shù)Ly和橫向陀螺的比例系數(shù)Lx計(jì)算出Vy和Vx的值。

。

（2）飛機(jī)所在位置的緯度測(cè)量

根據(jù)上面的原理，可以知道飛機(jī)所在位置的垂直分量ω·sin？準(zhǔn)可以被垂直陀螺敏感，輸出信號(hào)為Vz，則利用垂直陀螺的比例系數(shù)Lz可以計(jì)算出輸出信號(hào)Vz的值。

這里，需要考慮飛機(jī)在停放時(shí)，θ和γ的具體值，因?yàn)樯厦娴难芯渴羌僭O(shè)θ和γ角度的值為0的，而在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，θ和γ值可能不為零，因此上述所得的ψ以及φcal均為近似值。同時(shí)，在進(jìn)行上述計(jì)算過(guò)程中，未對(duì)激光陀螺以及加速度計(jì)自身可能存在的誤差進(jìn)行考慮，同時(shí)也沒(méi)有考慮到校準(zhǔn)過(guò)程中可能存在的外界動(dòng)態(tài)干擾，因此，計(jì)算結(jié)果的精確度需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)前民用飛機(jī)中最重要的機(jī)載系統(tǒng)之一，慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的飛機(jī)姿態(tài)、航向、即時(shí)地理位置、加速度等信息，為飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的可靠工作提供了重要的數(shù)據(jù)支持，對(duì)保證飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。目前，慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)在使用過(guò)程中，由于受到各類(lèi)因素的影響，其本身所提供的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差是不可避免的，對(duì)此通常在飛機(jī)停飛時(shí)，對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)文章的分析研究，也希望為相關(guān)的工作提供一定的參考，對(duì)國(guó)內(nèi)慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉紅.波音737-800飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的地面校準(zhǔn)[J].中國(guó)科技信息，2007（10）：104.

[2]張?zhí)旃?捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.