民用飛機慣性基準導航系統校準分析

童維斌

摘 要：慣性基準導航系統是民用飛機中最重要的機載系統之一，該系統為飛機的顯示系統、飛行控制系統等多個系統提供飛機的飛行姿態、航向、加速度等信息，其準確性對飛機的安全穩定飛行具有不可替代的作用。文章對民用飛機慣性基準導航系統的結構以及系統的校準進行了研究，希望能夠給民航機務維護的工作提供一定的參考。

關鍵詞：民用飛機；慣性基準系統；校準

1 民用飛機慣性基準導航系統組成

慣性基準導航系統是近幾年發展起來的新型慣性導航系統。該系統具有體積小、質量輕、可靠性高等特點，能夠通過飛機主控中心總線系統向主控中心輸出飛機的姿態、航向、加速度等信息。慣性基準導航系統主要由慣性基準裝置（IRU）、飛機個性化模塊（APM）以及安裝托架三個部分構成[1]。其中IRU是慣性基準導航系統中最重要的部分，它包含了所有慣性測量元件以及計算功能，而APM則主要用于存儲IRU的安裝校準數據、飛機的具體型號等方面的數據，這樣能夠在更換IRU部件之后，直接讀取數據，而無需從新對IRU裝置進行校準。每套慣性系統均有兩種工作方式，分別為導航方式和姿態方式，其中導航方式是系統的正常工作方式，在此種工作方式下，慣性基準導航系統能夠向飛機的控制中心提供全部導航參數；而姿態方式則是在飛機的系統導航功能失效之后所進行的一種降低精度的工作方式，此時，系統只能向飛機控制中心提供包括姿態和航向等的少量數據信息。

2 民用飛機慣性基準導航系統的校準

2.1 正常校準

飛機在停靠地面通電之后，將慣性導航控制顯示組件上的工作方式按鈕從OFF狀態撥出置為NAV狀態，系統會自動在5秒鐘的電瓶測試之后進入到正常校準的狀態中，此時，控制顯示組件上的“ALIGN（校準）”燈會穩定的點亮，飛機中央電子監控顯示屏中會顯示“IRSIN ALING >7”的信息提示。此時大氣數據基準組件提供的計算空速、垂直速度以及氣壓高度數據會在正、副駕駛員位的主飛行顯示器上進行顯示[2]。慣性基準導航系統的正常校準過程主要包括兩個階段，通常完成整個校準過程需要耗時約10分鐘，具體校準過程描述如下。

（1）首先對慣導系統進行粗略校準，校準的前30秒為水平粗校準階段，此時系統主要通過加速度計對飛機的姿態角進行測量。假設飛機停在地面使機頭的仰角為θ度，傾斜角度為0時，雖然沿著飛機的縱軸方向沒有線性加速度，但是縱向加速度計會隨著飛機縱軸俯仰θ度，此時加速度計的質量擺擺敏感到了重力加速度g的分量g·sinθ，輸出信號為Uy，Uy具體計算可以采用下面的公式：

Uy=Ky·g·sinθ

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

（2）然后利用橫向加速度計對飛機的傾斜角度進行測量，按照縱向加速度計的測量原理進行測量，當飛機停在地面時，其傾斜角為γ、俯仰角為0時，重力加速度g隨著飛機的橫軸的分量g·sinγ被橫向加速度計敏感到，此時輸出信號為Ux。則

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

如果飛機在停放地面時，出現了仰角和傾斜角同時存在的情況，采用上面的計算公式可以測量到飛機的真實俯仰角度，而所測量到的傾斜角度則不是飛機的真實傾斜角度。在30s的粗略校準之后，飛機的俯仰角以及傾斜角都計算出來，正、副駕駛位的飛機符號計空地球出現，俯仰以及傾斜的刻度指示信號也會被顯示在主控屏幕上。

2.2 陀螺——羅盤的處理以及水平精確校準

該階段的校準過程至少需要花費9分30秒時間，主要是對飛機的真實航向角進行測量，并利用地球自轉角速度的垂直分量對飛機當前所處位置的緯度進行精確計算。

（1）飛機真實航向角的測量

當飛機停在地面時，假設其俯仰角及傾斜角均為0，此時飛機的真航向角度為ψ，飛機所在地的緯度為φ。由于飛機處于停止狀態，其會隨著地球自轉而一起運動，此時飛機的自轉角速度與地球的自轉角速度相等，用ω表示（ω為15°/小時），ω在飛機所在地水平面上的分量為ω·cos？準，垂直分量為ω·sin？準。同時可以將水平分量分解為沿飛機縱軸和飛機橫軸的兩個分量，分別表示為ω·cos？準·cos？追和ω·cos？準·sin？追，這兩個分量分別被縱向陀螺計橫向陀螺所敏感，并以Vy和Vx進行輸出。可以利用縱向陀螺的比例系數Ly和橫向陀螺的比例系數Lx計算出Vy和Vx的值。

。

（2）飛機所在位置的緯度測量

根據上面的原理，可以知道飛機所在位置的垂直分量ω·sin？準可以被垂直陀螺敏感，輸出信號為Vz，則利用垂直陀螺的比例系數Lz可以計算出輸出信號Vz的值。

這里，需要考慮飛機在停放時，θ和γ的具體值，因為上面的研究是假設θ和γ角度的值為0的，而在實際測定過程中，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，在進行上述計算過程中，未對激光陀螺以及加速度計自身可能存在的誤差進行考慮，同時也沒有考慮到校準過程中可能存在的外界動態干擾，因此，計算結果的精確度需要進行進一步處理。

3 結束語

慣性基準導航系統是當前民用飛機中最重要的機載系統之一，慣性基準導航系統所提供的飛機姿態、航向、即時地理位置、加速度等信息，為飛機導航系統以及控制系統的可靠工作提供了重要的數據支持，對保證飛機的安全穩定運行具有重要意義。目前，慣性基準導航系統在使用過程中，由于受到各類因素的影響，其本身所提供的數據出現偏差是不可避免的，對此通常在飛機停飛時，對其各項參數進行校準，保證輸出數據的準確性。通過文章的分析研究，也希望為相關的工作提供一定的參考，對國內慣性基準導航系統的研究工作的發展起到一定的推動作用。

參考文獻

[1]劉紅.波音737-800飛機慣性基準系統的地面校準[J].中國科技信息，2007（10）：104.

[2]張天光.捷聯慣性導航技術[M].北京：國防工業出版社，2007.