第十一章 惯性导航系统

第十一章惯性导航系统中国民航大学空中交通管理学院概念：利用惯性元件（加速度计）测量飞机相对与惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，通过导航计算机的积分运算，确定飞机的姿态、航向、速度、位置，引导飞机沿区域导航航路飞行的领航系统。功能自动测量飞机各种导航参数及飞行控制参数，供飞行人员使用；与飞机其他控制系统配合，完成对飞机的人工或自动驾驶。中国民航大学空中交通管理学院特点自主性，全球、全天候导航隐蔽性连续三维定位、定向能获取运动载体完备的运动信息中国民航大学空中交通管理学院平台式惯性导航系统（水平导航）加速度计和陀螺仪安装在1～2个三轴陀螺稳定平台上的惯性导航系统。陀螺稳定平台中国民航大学空中交通管理学院特点结构复杂体积大重量重可靠性差中国民航大学空中交通管理学院捷联式惯性导航系统（水平导航和垂直导航）将陀螺和加速度计直接固联于机体上的惯性导航系统。数学平台把加速度计的沿机体轴系的输出转换到导航坐标系来；建立和修正姿态矩阵，并计算出飞机的姿态角。中国民航大学空中交通管理学院特点机构简单体积小重量轻成本低维护简单容错能力强中国民航大学空中交通管理学院姿态矩阵就是机体坐标系与导航坐标系间的方向余弦矩阵。OXcYcZc为机体坐标系：X纵轴、Y横轴、Z垂直轴OXpYpZp为导航坐标系：X东、Y经线北端、Z垂直与地平面指天中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院第一节INS的组成和工作原理一、INS组成惯性导航组件（INU）：主要完成导航参数的测量和计算。平台式：1～2个三轴空间稳定平台，2～3个高精度的陀螺仪及3个高精度的加速度计，一部数字计算机，其它电子线路板；捷联式：3个高精度的陀螺仪及3个高精度的加速度计，一部数字计算机，其它电子线路板；没有实际的陀螺稳定平台，将加速度计和陀螺仪直接与飞机机体固连，用导航计算机计算“数学平台”也叫“软件平台”。中国民航大学空中交通管理学院控制显示组件（CDU）：包括导航参数的显示，初始值的引入，系统实验故障显示和告警等。方式选择组件（MSU）：主要用来控制系统的工作状态。备用电池组件（BU）：特殊情况下供电NAVATTREFALIGNSTBYOFFREADYNAVBATT中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院二、系统基本工作原理平台原理陀螺稳定平台是利用陀螺的稳定性和进动性直接或间接地使某一物体对地球或惯性空间保持给定位置或按照给定规律改变起始位置的一种陀螺装置。在平台式惯性导航系统中，要把加速度计安装在一个相对惯性空间稳定的平台上（宇宙航行和弹道导弹）或安装在一个相对于地球稳定的平台上（飞机），以提供准确的加速度。中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院积分修正由于陀螺稳定性，飞机在平飞过程中，如果不加修正，惯性平台将稳定在起始经线处的方位上。中国民航大学空中交通管理学院积分修正原理：平台由A点移动到B点，如果能控制平台转动的角加速度，使它等于地垂线的的角加速度，其中由加速度计测量，以经过积分所得的陀螺罗盘的进动角速度作为指令信号，加给陀螺力矩器，强迫陀螺平台以指定的角速度进动，从而保持在当地水平面内。中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院加速度计加速度计安装在惯性平台上，惯性平台依靠高精度的陀螺仪和修正机构，始终保持陀螺平台相对于地面的水平并且与经线一致，从而使加速度计的轴线分别稳定在南北方向和东西方向上。中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院飞机位置计算原理地速和航迹角位置中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学空中交通管理学院第二节系统校准惯性导航系统的自校准（捷联式：10分钟；平台式：15～20分钟）校准的目的：惯导系统在进入正常导航工作状态前，应当首先解决积分运算的初始条件及平台初始调整问题。通过引入初始坐标将平台调整到指定的坐标系内，同时为确保加速度计重心垂直当地水平面，轴线与东西方向、南北方向一致，必须使惯性平台保持水平，以保证系统符合导航精度的要求。惯性导航系统在每次飞行前，在地面停放位置进行自校准，引进飞机停放位置的坐标，由系统自动进行校准。粗校准、调水平、精校准校准过程中，飞机不能开车、移动、阵风、加油、装卸货物、上下旅客。中国民航大学空中交通管理学院位置更新随着飞行时间的增长，惯性导航将产生积累误差（漂移误差积累）每隔2～3小时需要进行一次位置更新。自动更新：飞行中，将CDU的显示选择旋钮放于更新/磁差位，按功能键“Δ”人工位置更新：飞机到达检查点时，将惯性导航系统测量的坐标点于检查点比较，如果误差超过规定数值，则输入检查点精确的位置坐标。中国民航大学空中交通管理学院第三节惯性导航系统工作程序飞行前惯性导航系统的自校准引入现在飞机位置（经纬度），对飞机进行校准要求：校准过程中不能开车，移动。校准完成后不能断开惯性导航系统电源。引进航路导航计划（9个航路点）依次引进航路点的经纬度坐标，人工编排飞行计划。人工输入VOR/TAC台站的数据（9个）经纬度坐标频率标高磁差检查航线数据为防止编排的航线计划出错，可以使用遥控功能检查航线距离、待飞时间和航线角中国民航大学空中交通管理学院飞行中

工作在导航（NAV）方式，引导飞机沿预定航线飞行，向A/P、ADI输入飞机的俯仰、倾斜姿态和平台航向。当飞机失去导航能力或不再需要惯性导航系统提供数据时，可以使用ATTREF方式为飞机提供姿态参数。滑行：监控真航迹角和滑行速度。离场入航：选择起始航段飞机沿预定航线飞行中，在航路点可以利用惯导系统自动转换航段，也可以人工转换航段。为扰飞雷雨或强顶风区，可以利用惯导修改飞行计划位置更新：随着飞行时间的增长，惯性导航将产生积累误差，每隔2～3小时需要通过引入检查点进行一次位置更新VOR/DME有精确坐标的位置点（NDB台、机场上空、显著地标等）航站区域飞行：截获ILS前，可根据选定的电台提供非精密导航操作。中国民航大学空中交通管理学院惯导的其他功能顺逆风显示平行航线飞行距离现在航迹400nm的范围内，利用惯性导航系统可以执行平行偏离原航线飞行。使用自动驾驶仪时，飞机自动转向偏离航线的平行航迹上。检查飞行中的航线数据单独提供姿态基准信号中国民航大学空中交通管理学院第三节惯性基准系统IRS使用激光陀螺的捷联式惯性导航系统组成：IRU，MSU，CDUIRU：3个激光陀螺、三个挠性加速度计等。显示参数：飞机的真航迹/地速飞机的即时位置空中气象风向/风速飞机的真航向中国民航大学空中交通管理学院信号输入和输出中国民航大学空中交通管理学院第四节GPS/INS组合导航系统GPS全球、全天候和实时的导航可以提供精确的位置和时间信息。定位误差与时间无关，具有较高的定位精度和测速精度。GPS载体在作高速动态运动时，常使GPS接收机不易捕获和跟踪卫星载波信号。GPS接收机的信号输出频率较低（1～2Hz），有时不能满足载体对于飞行控制对导航信号更新频率的要求。单独使用GPS导航在飞机上也受到限制。INS自主式导航系统提供多种高精度的导航参数（位置、速度、姿态），不能提供时间信息。存在漂移误差，不适合长时间的单独导航。需要初始化、位置更新。数据更新率高中国民航大学空中交通管理学院GPS与INS导航组合，具有优势互补的特点，使导航精度高于独立系统的精度。INS可以借助GPS的位置信息进行位置更新，具有空中再对准的能力。GPS接收机在INS位置和速度信息的辅助下，也将大大改善捕获、跟踪和在捕获能力，并且在卫星分布条件差或可见星少的情况下，不致严重影响导航精度。组合方式松散组合GPS接收机基本作为一个自主导航仪，通过自动或手动方式为INS提供周期性的位置和速度修正。紧密组合GPS接收机和惯导装置各自包含一个卡尔曼滤波器，他们产生的位置和速度导航数据，通过数据总线传输到中央任务计算机经过进一步滤波后进行同步数据处理。深度组合嵌入式足额和，GPS接收机作为一块线路板嵌