某型慣性導航系統偏航距誤差大的原因及解決措施

姚金彪 唐福軍

摘要：某型慣性導航系統在飛機上時有故障發生，導航精度差是較為其中突出的故障類型，其中偏航距誤差大最為典型。為解決該系統在機上偏航距誤差大的問題，通過建立偏航距計算模型，查找偏航距的誤差源，從而提出相應的解決措施，提高慣導的導航精度。

關鍵詞：導航精度；偏航距；誤差源

Keywords：navigation precision；yaw distance；error source

0 引言

某型慣性導航系統是飛機上重要的導航設備，能自主地為飛行提供速度、位置、方位等導航信息，引導飛機飛向當前航線的目標點，其中偏航距是慣導引導飛行時提供的最基本導航參數，指示飛機的實際航線偏離計劃航線的距離。

在實際工程應用中，經常出現偏航距誤差大故障，導致飛機偏離預定航線，嚴重影響飛行安全。針對此現象，本文從慣導實際維修出發，分析故障產生的原因，并提出有效的解決措施。

1 偏航距的計算模型和誤差源

1.1 飛行航線的選擇

慣導在進行導航解算時，采用大圓航線法計算飛行航線，即在地球表面上從一點飛行到另一點時，沿過此兩點的大圓劣弧段飛行。球面上兩點之間的最短距離指經過兩點的大圓在這兩點間的一段劣弧的長度，該弧長稱為兩點的球面距離，通常情況下飛機盡可能沿著該圓弧航線航行，該航線稱為大圓航線，因大圓航線是兩點之間的最短航線，也稱最優航線。

理論上，兩點之間的大圓航線是一條空間曲線，由沿途無數個中間點組成，但在實際中不可能解算無數個點的坐標，因此一般用折線來近似代表這條曲線，如圖1所示，該曲線為A、F之間的一條大圓線，弦線法即指按照一定的經度間隔計算出航線上相應的中間點B、C、D、E等的緯度。

將這些點連接起來，形成的折線即是近似的大圓航線的軌跡，這些點又叫航路點，航路點是實際飛行計劃中的各個轉向點，包括起點和到達點，引導飛機依次飛向航線中的各個航路點。在一個航線段中導航的具體任務即是引導飛機飛向當前航線段的目標點。

1.2 大圓航線

1）坐標系選取

在進行大圓航線導航時，需對大圓航線進行計算，為了正確算出根據起始機場和目的機場信息所建立的大圓航線，選取WGS-84坐標系（World Geodetic System，1984年）來描述基準大圓航跡。

2）偏航距的誤差源

從式（9）所得出的偏航距計算公式中可知，慣導偏航距的計算輸出直接依賴于當前飛行位置的準確性，同時也受限于起始機場和目標機場經緯度、高度裝訂的準確性，因此慣導偏航距的誤差源為初始信息裝訂和慣導輸出的實時位置信息，下面對這兩種誤差源展開分析。

2 誤差源分析

根據偏航距誤差產生的來源和性質，從直接因素和間接因素兩方面對偏航距誤差源進行深入分析。

2.1 直接因素分析

1）初始信息裝訂誤差

慣導初始裝訂的信息包括飛機當前位置的經緯度、起始機場和目標機場的經緯度與高度，慣導在進行初始對準時，必須引入當前位置的經緯度才能解算出飛機的實時位置經緯度。飛行所需建立的大圓航線也要引入起始機場和目標機場的經緯度與高度信息。

經緯度以度和分為單位，初始信息裝訂時會精確到小數點后一位。初始信息裝訂不準確將導致多種計算誤差的產生。首先導致初始對準時解算出的飛機實時位置與真實位置的誤差，其次影響引入偏航距計算模型中的各項初始量，更將導致為飛行建立的大圓航線偏離實際最優航線，最終導致偏航距計算結果產生誤差。

2）慣導輸出實時位置誤差

慣導在進行偏航距的導航解算時，所引入的實時位置信息由慣導本身給出，位置精度越高，反映慣導指示的即時位置越準確，也就能最大限度地降低偏航距的計算誤差。慣導實時位置與真實位置偏離時將直接導致偏航距的計算產生誤差，偏離值越大，計算誤差也越大，這也是偏航距誤差大的最重要外因。

2.2 間接因素分析

通過深入研究慣導的自主導航原理可知，慣導輸出的實時位置精度取決于裝訂經緯度的準確性和慣導系統的各項性能。初始信息裝訂誤差已在直接因素中進行了分析，故間接因素重點分析慣導系統的性能。

慣導系統的性能取決于多種因素，考核慣導導航性能的直接指標主要有慣導輸出的實時位置精度、速度精度等，其中位置精度的誤差主要來源于慣性元器件，其中以陀螺的漂移誤差和加速度計的零位誤差為典型。

當陀螺性能不穩定或累積漂移誤差變大時，容易導致依靠陀螺穩定性所建立的空間坐標系與地理坐標系之間產生偏離，以穩定平臺為基準的加速度計采集到有誤差分量的加速度，加上加速度計本身的零位誤差，最終使得通過導航計算得出的實時位置誤差更大，間接導致偏航距誤差。

3 解決措施

在實際生產實踐中，為了降低該型慣導偏航距誤差大故障，根據上文中對偏航距誤差源直接因素和間接因素的分析，找出實際修理中導致偏航距誤差大的重要外因進行重點分析，提出針對性的解決措施。

1）初始信息裝訂需準確

針對初始信息裝訂不準確問題，可采用比對機上GPS所采集的經緯度信息進行初始位置輸入，并進行輸入信息的檢查，避免人工輸入錯誤；仔細檢查起始機場和目標機場的經緯度裝訂，確保準確性。

2）強化慣導性能指標的考核力度

位置精度、速度精度以及姿態和航向精度是考核慣導導航性能的直接指標。位置精度是指慣導在各種溫度下，經一系列調試、試驗后對即時位置的考核結果，直接體現了其自主導航的精度，是慣導最重要的考核指標。

正常情況下，慣導每次對準導航的位置精度應較穩定且應低于考核指標的要求。當測試慣導位置精度較差或不滿足指標要求時，需及時對慣導進行調試修理。同時，根據慣導隨飛機運動的特性，在實驗室環境下，不僅要考核慣導的靜態導航精度，更需重點關注動態導航狀態下的精度表現，全狀態、長航時的考驗都應合格，否則需進行進一步的修理。

3）關注慣性元器件的性能狀態

實際生產中，慣性元器件的性能會隨使用年限的增加而下降，特別是陀螺的漂移誤差會累積變大。針對慣性元器件這一特性，修理中應持續關注慣性元器件的性能狀態，一方面做好修前故障檢查，及時發現故障，特別在檢測出陀螺漂移值較大或不穩定的情況下，應及時更換陀螺；另一方面，需對陀螺和加速度計進行定期標校工作，以消除元器件的零位誤差，一般陀螺的標校期為3年，但在實際使用中需結合慣導的導航精度視情進行標定并補償參數。

4 總結

本文依據建立的偏航距計算模型找出偏航距的誤差源，對偏航距誤差大的直接因素和間接因素進行重點分析，以此為依據提出在慣導修理中應強化考核慣導的位置精度，重點關注慣性元器材的性能狀態，排除陀螺等慣性元器件性能下降所引起的誤差，以及降低初始信息裝訂的誤差。通過這些解決措施，達到產品的深度修理目的，最終從源頭預防該型慣導出現偏航距誤差大故障。

參考文獻

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作者簡介

姚金彪，工程師，從事航空儀表專業的修理技術和理論研究。

唐福軍，高級工程師，從事航電專業的修理技術和理論研究。