民用飞机惯性基准导航系统校准分析

童维斌

摘 要：惯性基准导航系统是民用飞机中最重要的机载系统之一，该系统为飞机的显示系统、飞行控制系统等多个系统提供飞机的飞行姿态、航向、加速度等信息，其准确性对飞机的安全稳定飞行具有不可替代的作用。文章对民用飞机惯性基准导航系统的结构以及系统的校准进行了研究，希望能够给民航机务维护的工作提供一定的参考。

关键词：民用飞机；惯性基准系统；校准

1 民用飞机惯性基准导航系统组成

惯性基准导航系统是近几年发展起来的新型惯性导航系统。该系统具有体积小、质量轻、可靠性高等特点，能够通过飞机主控中心总线系统向主控中心输出飞机的姿态、航向、加速度等信息。惯性基准导航系统主要由惯性基准装置（IRU）、飞机个性化模块（APM）以及安装托架三个部分构成[1]。其中IRU是惯性基准导航系统中最重要的部分，它包含了所有惯性测量元件以及计算功能，而APM则主要用于存储IRU的安装校准数据、飞机的具体型号等方面的数据，这样能够在更换IRU部件之后，直接读取数据，而无需从新对IRU装置进行校准。每套慣性系统均有两种工作方式，分别为导航方式和姿态方式，其中导航方式是系统的正常工作方式，在此种工作方式下，惯性基准导航系统能够向飞机的控制中心提供全部导航参数；而姿态方式则是在飞机的系统导航功能失效之后所进行的一种降低精度的工作方式，此时，系统只能向飞机控制中心提供包括姿态和航向等的少量数据信息。

2 民用飞机惯性基准导航系统的校准

2.1 正常校准

飞机在停靠地面通电之后，将惯性导航控制显示组件上的工作方式按钮从OFF状态拨出置为NAV状态，系统会自动在5秒钟的电瓶测试之后进入到正常校准的状态中，此时，控制显示组件上的“ALIGN（校准）”灯会稳定的点亮，飞机中央电子监控显示屏中会显示“IRSIN ALING >7”的信息提示。此时大气数据基准组件提供的计算空速、垂直速度以及气压高度数据会在正、副驾驶员位的主飞行显示器上进行显示[2]。惯性基准导航系统的正常校准过程主要包括两个阶段，通常完成整个校准过程需要耗时约10分钟，具体校准过程描述如下。

（1）首先对惯导系统进行粗略校准，校准的前30秒为水平粗校准阶段，此时系统主要通过加速度计对飞机的姿态角进行测量。假设飞机停在地面使机头的仰角为θ度，倾斜角度为0时，虽然沿着飞机的纵轴方向没有线性加速度，但是纵向加速度计会随着飞机纵轴俯仰θ度，此时加速度计的质量摆摆敏感到了重力加速度g的分量g·sinθ，输出信号为Uy，Uy具体计算可以采用下面的公式：

Uy=Ky·g·sinθ

公式中的Ky表示纵向加速度计的比例系数。如果纵向加速度计的俯仰角较小时，sinθ≈θ，其中θ的单位用弧度进行表示。因此，可以得到

（2）然后利用横向加速度计对飞机的倾斜角度进行测量，按照纵向加速度计的测量原理进行测量，当飞机停在地面时，其倾斜角为γ、俯仰角为0时，重力加速度g随着飞机的横轴的分量g·sinγ被横向加速度计敏感到，此时输出信号为Ux。则

公式中的Kx表示横向加速度计的比例系数。如果横向加速度计的倾斜角度较小时，则sinγ≈γ，其中γ的单位用弧度进行表示，则

如果飞机在停放地面时，出现了仰角和倾斜角同时存在的情况，采用上面的计算公式可以测量到飞机的真实俯仰角度，而所测量到的倾斜角度则不是飞机的真实倾斜角度。在30s的粗略校准之后，飞机的俯仰角以及倾斜角都计算出来，正、副驾驶位的飞机符号计空地球出现，俯仰以及倾斜的刻度指示信号也会被显示在主控屏幕上。

2.2 陀螺——罗盘的处理以及水平精确校准

该阶段的校准过程至少需要花费9分30秒时间，主要是对飞机的真实航向角进行测量，并利用地球自转角速度的垂直分量对飞机当前所处位置的纬度进行精确计算。

（1）飞机真实航向角的测量

当飞机停在地面时，假设其俯仰角及倾斜角均为0，此时飞机的真航向角度为ψ，飞机所在地的纬度为φ。由于飞机处于停止状态，其会随着地球自转而一起运动，此时飞机的自转角速度与地球的自转角速度相等，用ω表示（ω为15°/小时），ω在飞机所在地水平面上的分量为ω·cos？准，垂直分量为ω·sin？准。同时可以将水平分量分解为沿飞机纵轴和飞机横轴的两个分量，分别表示为ω·cos？准·cos？追和ω·cos？准·sin？追，这两个分量分别被纵向陀螺计横向陀螺所敏感，并以Vy和Vx进行输出。可以利用纵向陀螺的比例系数Ly和横向陀螺的比例系数Lx计算出Vy和Vx的值。

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（2）飞机所在位置的纬度测量

根据上面的原理，可以知道飞机所在位置的垂直分量ω·sin？准可以被垂直陀螺敏感，输出信号为Vz，则利用垂直陀螺的比例系数Lz可以计算出输出信号Vz的值。

这里，需要考虑飞机在停放时，θ和γ的具体值，因为上面的研究是假设θ和γ角度的值为0的，而在实际测定过程中，θ和γ值可能不为零，因此上述所得的ψ以及φcal均为近似值。同时，在进行上述计算过程中，未对激光陀螺以及加速度计自身可能存在的误差进行考虑，同时也没有考虑到校准过程中可能存在的外界动态干扰，因此，计算结果的精确度需要进行进一步处理。

3 结束语

惯性基准导航系统是当前民用飞机中最重要的机载系统之一，惯性基准导航系统所提供的飞机姿态、航向、即时地理位置、加速度等信息，为飞机导航系统以及控制系统的可靠工作提供了重要的数据支持，对保证飞机的安全稳定运行具有重要意义。目前，惯性基准导航系统在使用过程中，由于受到各类因素的影响，其本身所提供的数据出现偏差是不可避免的，对此通常在飞机停飞时，对其各项参数进行校准，保证输出数据的准确性。通过文章的分析研究，也希望为相关的工作提供一定的参考，对国内惯性基准导航系统的研究工作的发展起到一定的推动作用。

参考文献

[1]刘红.波音737-800飞机惯性基准系统的地面校准[J].中国科技信息，2007（10）：104.

[2]张天光.捷联惯性导航技术[M].北京：国防工业出版社，2007.