某型慣性導航系統地速超差故障分析

唐福軍 姚金彪 邵珠君 方燕子

摘要：慣性導航系統（簡稱慣導）能輸出多種導航信息，主要考核指標在于導航精度。某型慣導精度超差故障較為常見，以地速超差最為典型。通過建立慣導地速計算模型，分析其誤差源，對超差原因進行了深入分析，提出應對措施，從而解決該型慣導地速超差故障。

關鍵詞：慣導；地速；超差；故障樹

Keywords：inertial navigation system（INS）；ground speed；out of tolerance；fault tree

慣導能自主確定飛機的狀態矢量并為飛行提供導航支持，已成為飛機上不可缺少的機載電子設備，其工作穩定性和導航信息的精度直接關系到飛行任務的順利完成。在實際使用過程中，某型慣導經常出現地速超差的故障，致使整個慣導系統精度超差。

1 慣導地速超差判讀

經統計，該型慣導的地速超差故障主要表現為飛行準備、滑行過程或著陸后停車檢查地速超差，為找到地速超差的原因，需首先對地速的數據形式和超差判斷方法進行針對性的分析。

1.1 反映地速的數據形式

該型慣導地速數據的讀取方式有兩種：一是在飛機平顯或下顯畫面上直接讀取地速數據；二是通過一線或二線檢測設備讀取計算模塊存儲的數據，觀察反映加速度隨時間變化的脈沖數以及計算得到的三軸速度Vx、Vy、Vz的數值。

1.2 超差判斷方法

1）機上判斷

機上可從平顯或下顯畫面上觀察地速數值，若出現以下情況，則可判定為慣導地速超差：飛行準備階段，導航后地速顯示不為零或出現大幅跳變；飛機著陸停車后，地速明顯大于11.9km/h；飛機滑行過程中，顯示地速與實際速度差異大。

2）地面或修理中判斷

在地面上，通過一線檢測設備，調取慣導內存數據，檢查加計脈沖數據，觀察是否有大的數據跳變，以及觀察Vx和Vy的計算數值、Vx和Vy的單軸數據是否均不超過0.8m/s，若超過可判定為地速超差。

在實驗室，通過二線檢測設備對慣導通電復測，靜態和動態下檢查其導航性能，若導航前15min和導航1h性能均達不到低于0.8m/s的技術指標，可判定為慣導地速超差。

2 計算模型和物理實現

慣導能不依靠外界信息源而進行自主導航引導飛行，主要依靠其自主提供的速度、距離、位置、姿態、航向等導航信息，地速是其中一個重要的導航信息。地速是在慣導測量加速度基礎上經積分運算得到的，故對慣導地速分析需先建立慣導地速的計算模型。

2.1 計算模型

2.2 物理實現

慣導的工程應用較為復雜，本文就慣導地速的實現進行簡要分析。慣導輸出的地速數據依托載體加速度的測量和后期的計算來獲得，加速度的測量通過加速度計來實現。加速度計能測量載體的加速度（也叫比力），以電壓形式輸出，再經量化器接收反饋放大器輸出的直流電壓，并對此電壓進行量化，最終輸出以時間為單位的脈沖數，即每個脈沖數代表一定的速度增量。脈沖送到計算機模塊后，經過一定時間，在可逆計數器中計取脈沖數，由此可得到加速度，計算模塊對加速度進行積分運算，即可算出飛機相對地面運動的地速。

實際應用中，慣導利用撓性陀螺高速旋轉建立精確的初始水平和方位基準，形成一個穩定的平臺，為加速度計提供準確的安裝基準和測量基準，在慣性平臺指向東、北、天三個方位上各裝有一個加速度計，使三個加速度計的測量軸穩定在東、北、天方位。在這一平臺上，隔離了飛行狀態的干擾，加速度計感知飛機在機體X、Y和Z方向的即時加速度，再經水平方位加速度的積分運算，輸出水平速度，最終擬合出飛機相對地面運動的地速。

3 地速超差原因分析及預防措施

依據上文所建立的慣導地速簡易計算模型以及對慣導地速的物理實現過程解析可知，慣導地速最直接的誤差源為即時加速度的測量和后續的量化積分運算，而加速度測量的準確性除了受器件性能和零位誤差的影響外，還受慣性平臺穩定狀態的影響，慣性平臺的穩定又直接受穩定回路的控制，且與慣性平臺中所使用的陀螺、導電環、電機、軸承等元件有著直接關系。結合實際工作中對多發故障部位的修理經驗，建立該慣導“地速超差故障”的簡單故障樹，如圖1所示。

該故障樹中，方框內表示故障事件，上下層事件之間由邏輯“或”符號關聯，表示任何一個輸入故障的發生都會導致輸出故障的發生。建立故障樹后，可根據故障樹的分支從上往下尋找地速超差故障問題的源頭，并對故障原因進行逐一分析，以提出針對性的修理預防措施。

3.1 故障原因分析

1）慣性元器件性能下降

慣導依靠慣性元器件（陀螺和加速度計）的慣性運動特性來測量飛機的加速度和角運動，陀螺的漂移和加速度計的零位偏差是其中主要的誤差來源。慣性元器件的性能下降必然導致測量的加速度和角速度不準確，從而導致推算出的速度誤差大，產生地速超差故障。

2）慣導溫控回路故障

由于該型慣導所使用的慣性元器件的性能受溫度影響較大，設置溫控回路可以確保慣性元器件在最適宜的溫度下發揮其最佳性能，因此慣性平臺內部工作時會保持一定溫度，同時通過溫度補償來控制降溫對性能的影響。溫控回路故障將導致誤差補償不準確，甚至直接降低慣性元器件的性能，最終導致地速超差。

3）元器件的安裝誤差

慣性平臺內部為精密元器件，對安裝有著非常高的要求，安裝完成后需要將參數輸入計算機，通過計算機補償誤差。一旦慣性平臺安裝結構發生細微變化，根據慣導解算方程推導，地速將會產生更大的誤差。

4）計算誤差

計算誤差包括加速度計的量化誤差和計算模塊失效導致的計算誤差，其中，量化器的量化誤差影響最直接。量化器的主要考核指標為非線性誤差和交叉耦合誤差以及零位一次啟動穩定性，若量化器考核指標超差，將直接導致加速度經量化后產生誤差，影響地速的最終計算結果。

5）慣性平臺元器件磨損

慣性平臺元器件磨損是地速超差可預見性因素，容易磨損的元器件包括軸承、導電環和電機，在慣性平臺中承擔轉動、信號傳輸和信號執行的作用，其中導電環和精密軸承的磨損最為突出。

導電環是平臺式慣導慣性平臺的重要組成部分，承擔慣性平臺臺體內各種信號與系統的傳輸和交聯，導電環因受限于制造技術和安裝空間以及平臺運轉的變化等因素，大機動飛行后容易導致導電環相鄰線路搭線、燒斷等，表現為接觸電阻變大、絕緣差，直接導致穩定回路控制精度降低或慣性元器件性能下降，最終間接影響地速的精度。

精密軸承在慣性平臺中起框架支撐和運轉的功能，轉動摩擦力矩是考核軸承的關鍵指標，隨著使用時間的延長，軸承的磨損會使摩擦力矩變大，直接導致穩定回路的性能變化，最終引起地速超差。

3.2 預防措施

利用故障樹對地速超差故障開展分析，并結合修理中地速超差故障排除情況，發現慣性元器件性能下降和元器件磨損是導致慣導報地速超差故障的主要原因，下面針對實驗室修理保障提出針對性的預防措施，以確保產品質量可控。

1）慣性元器件的精度檢查

在對慣導進行指標考核時，除了需檢查整體性能之外，還需對慣性元器件進行單獨檢查，可復測其漂移常值和漂移變化量，以了解陀螺的性能變化情況，對漂移變化量較大的陀螺采取更換以避免隱患；還可對慣性元器件采取壽命控制措施，以避免慣性元器件性能突變導致超差故障。

2）易損元器件的檢查和更換

易損元器件尤其是軸承和導電環的檢查是修理中必不可少的項目。導電環主要檢查通道接觸電阻和絕緣性能，以判斷導電環的性能狀態，對不符合指標要求的線路需要及時排除，可采用換環、并環甚至更換整個導電環的方式來確保平臺工作狀態穩定可靠。

對于慣性平臺中所使用的軸承，可參考平臺摩擦力矩測試結果，相應地采取清洗、加潤滑油或更換的方法，以達到良好的平臺運轉和支撐狀態。

3）溫控回路和量化器的性能檢查

溫控回路的性能檢查體現在對溫控板的控制和執行元件——加熱片的檢查上。實際修理中，通過復測溫控板的性能來監控溫控回路的狀態，通過檢查加熱片的狀態和及時更換燒斷或鼓包的加熱片，確保整個溫控回路工作正常，從而降低慣性元器件受溫度影響而性能下降的風險。

量化器的性能檢查體現在對量化器線路板的綜合指標檢查上。通過復測三個通道的非線性誤差、交叉耦合誤差和零位一次啟動穩定性等性能，判斷量化器板的性能狀態，根據測試情況針對性地進行修復和調試，以保證量化器板的指標符合技術要求，從源頭上避免加速度量化過程中產生誤差。

4 結束語

本文依據地速模型和超差故障樹，對地速超差故障進行了深入分析，以此提出相應的預防措施。在修理中應首先重點檢查慣性元器件的性能狀態，排除陀螺、加速度計等硬件性能下降帶來的測量誤差；其次檢查軸承和導電環等易損元器件的性能；最后檢查溫控回路和量化器的性能。通過上述措施，可以有效預防該型慣導地速超差的故障。

參考文獻

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