新型捷聯航姿系統與傳統航姿系統的對比淺析

摘 要：航姿系統作為飛機主導航系統的備份系統，是飛機上比較重要的電子設備，此系統的性能指標將直接關系到飛機的飛行安全和綜合性能。本文闡述了新型捷聯航姿系統工作原理，并將其與傳統航姿系統進行對比，通過在某型飛機上應用證明了新型捷聯航姿系統的先進性和實用性。

關鍵詞：捷聯航姿;對比;應用

1 緒論

航向姿態系統是飛機的備份航向姿態輔助系統，當飛機主導航系統故障時，向機上其它電子設備提供飛機的俯仰角、橫滾角、航向角信息，確保飛行安全。

國內早期設計的飛機上配備的航姿系統主要是由航向陀螺和垂直陀螺兩大部件組成的航向姿態系統，它是以框架式陀螺為基礎的機電儀表，一般作為飛機的主要導航系統，在裝有慣導系統的飛機上一般作為備份導航系統。隨著航空電子技術的發展，尤其是微機械技術的發展，出現了無框架的捷聯航姿系統，它以其結構簡單，體積小，可靠性高等特點，逐漸取代了老一代航姿系統，成為眾多飛機的主要或備份導航系統。

2 傳統航姿系統的原理及功能

傳統的航姿系統其姿態信息和航向信息是分別由兩個獨立的部件完成的，其中垂直陀螺感受并輸出飛機的俯仰、傾斜角度，航向陀螺感受并輸出飛機的航向角度。

2.1 傳統航姿系統主要設備作用原理

2.1.1 垂直陀螺

垂直陀螺是由三自由度陀螺儀、托架隨動系統、鎖定機構、傾斜和俯仰機構修正系統等主要部分組成的。

三自由度陀螺儀是垂直陀螺的基礎部分，它由陀螺馬達、內環架和外環架構成。它的核心是一個繞自轉軸作高速旋轉的轉子，轉子借助自轉軸承安裝于內環中，內環借助內環軸上一對軸承安裝于外環中，外環借助外環軸上的一對軸承安裝于基座上。自轉軸線與內環軸線垂直且相交，內環軸線與外環軸線垂直且相交。進入正常工作狀態時，外環架軸平行于飛機橫軸，并作為飛機俯仰角的測量軸，陀螺馬達自轉軸具有定軸性并依靠修正裝置保持在當地的地垂線位置。

陀螺儀基本結構，隨動托架由隨動系統驅動，使陀螺馬達自轉軸、內環軸、外環軸之間始終保持垂直關系。隨動環軸與飛機縱軸相平行，并作為飛機傾斜角的測量軸。

陀螺儀主軸的垂直位置由修正系統保證。修正系統由固定在陀螺組合件下面的液體修正開關位于萬向支架內環軸上的縱向修正馬達和位于外環軸上的橫向修正馬達等主要部分組成。當陀螺儀主軸偏離垂直位置時，液體修正開關輸出電壓信號，使相應的修正馬達工作，陀螺儀主軸便恢復到垂直位置。

垂直陀螺結構原理，飛機在機動飛行時，為了提高傾斜和俯仰指示的精度，必須停止對陀螺儀的修正。飛機在轉彎時的橫向修正電路用角速度信號器和橫向修正斷開開關斷開。在有縱向加速度作用時，縱向修正電路用位于陀螺儀上的液體縱向斷開開關斷開。角速度信號器的工作原理是利用二自由度陀螺儀為敏感元件，感受轉彎角速度，并變換為電信號后，加到延時機構上。

2.1.2 航向陀螺

航向陀螺是三自由度陀螺儀，工作原理與垂直陀螺相同，它還有兩個隨動框架保持陀螺儀萬向支架外環軸對地垂線的穩定。兩個隨動框架由垂直陀螺給出傾斜信號和俯仰信號（由放大器將信號放大）進行修正，而構成傾斜和俯仰隨動系統。

為了提高航向精度，一般將航向陀螺與磁航向修正系統傳感器配套使用。感應式磁航向傳感器是磁航向修正系統的中心部件，它感受飛機相對于磁子午線的夾角，并輸出與之相對應的信號到修正系統中，以此修正航向陀螺發出的航向信號。

2.2 傳統航姿系統主要功能

傳統航姿系統以ARINC407標準同步器形式向電子飛行儀表等系統提供飛機的航向姿態信號。

3 捷聯航姿系統原理及功能

捷聯航姿系統相比機械陀螺相比沒有實際的慣性平臺。慣性傳感器（陀螺儀和加速度計）直接固連在平臺上。

某型飛機的捷聯航姿系統由航向計算機、磁傳感器和GPS天線構成，通過航向姿態計算機內部的IMU感受并輸出沿機體三個軸向的角速度和線加速度信號，然后將IMU的輸出信號與磁傳感器輸出的航向信號以及GPS信息組合，經航姿解算，輸出俯仰、橫滾、航向信息，送到機上其他航電設備。

3.1 捷聯航姿系統主要設備作用原理

航姿計算機由慣性測量單元（IMU）、航姿解算板、數字-同步器信號轉換板、GPS接收板、電源轉換盒、母板、箱體、2個接口和安裝架組成。

航姿計算機通過接口1獲得直流+28V及交流26V/400Hz電壓，電源轉換盒為計算機內各部件提供電源并向外輸出磁傳感器工作所需的+8V直流電壓。航姿計算板采集計算機內、外部的傳感器測量數據，對其進行誤差補償之后完成組合航姿解算。解算結果由接口1分兩路輸出：一路通過ARINC429數據總線輸出，另一路通過D/S轉換板以ARINC407信號的形式分別輸出給其他設備。

3.2 捷聯航姿系統主要功能

a）計算出飛機的姿態角和磁航向角，并以ARINC407標準同步器形式（電壓范圍11.8V/400Hz）輸出;

b）以符合HB6096-86標準（以下簡稱429）的數據形式輸出飛機的角速度、加速度、航姿角以及GPS信息;

c）系統具有上電自檢、啟動自檢和周期自檢功能;

d）系統可提供航姿有效離散量輸出。

4 結論

綜上所述，捷聯航姿系統組件少、重量輕、精度高、體積小、操作簡單、維修性好等性能優點能更好滿足飛機的使用需求，能更好滿足目前以及未來飛機減重的要求，是未來飛機航姿系統的主流;傳統的機械式航姿系統將逐漸退出歷史的舞臺。

參考文獻：

[1]樊尚春，呂俊芳，張慶榮，閆蓓.航空測試系統.北京航空航天大學出版社，2005，7.

[2]劉建業，曾慶化，趙偉，熊智，等.導航系統理論與應用.西北工業大學出版社，2010，3.

作者簡介：沈惠秋（1985-），女，漢族，江蘇南通人，本科，設計員，工程師，研究方向：飛機航電系統。