某型惯性导航系统地速超差故障分析

唐福军 姚金彪 邵珠君 方燕子

摘要：惯性导航系统（简称惯导）能输出多种导航信息，主要考核指标在于导航精度。某型惯导精度超差故障较为常见，以地速超差最为典型。通过建立惯导地速计算模型，分析其误差源，对超差原因进行了深入分析，提出应对措施，从而解决该型惯导地速超差故障。

关键词：惯导；地速；超差；故障树

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

惯导能自主确定飞机的状态矢量并为飞行提供导航支持，已成为飞机上不可缺少的机载电子设备，其工作稳定性和导航信息的精度直接关系到飞行任务的顺利完成。在实际使用过程中，某型惯导经常出现地速超差的故障，致使整个惯导系统精度超差。

1 惯导地速超差判读

经统计，该型惯导的地速超差故障主要表现为飞行准备、滑行过程或着陆后停车检查地速超差，为找到地速超差的原因，需首先对地速的数据形式和超差判断方法进行针对性的分析。

1.1 反映地速的数据形式

该型惯导地速数据的读取方式有两种：一是在飞机平显或下显画面上直接读取地速数据；二是通过一线或二线检测设备读取计算模块存储的数据，观察反映加速度随时间变化的脉冲数以及计算得到的三轴速度Vx、Vy、Vz的数值。

1.2 超差判断方法

1）机上判断

机上可从平显或下显画面上观察地速数值，若出现以下情况，则可判定为惯导地速超差：飞行准备阶段，导航后地速显示不为零或出现大幅跳变；飞机着陆停车后，地速明显大于11.9km/h；飞机滑行过程中，显示地速与实际速度差异大。

2）地面或修理中判断

在地面上，通过一线检测设备，调取惯导内存数据，检查加计脉冲数据，观察是否有大的数据跳变，以及观察Vx和Vy的计算数值、Vx和Vy的单轴数据是否均不超过0.8m/s，若超过可判定为地速超差。

在实验室，通过二线检测设备对惯导通电复测，静态和动态下检查其导航性能，若导航前15min和导航1h性能均达不到低于0.8m/s的技术指标，可判定为惯导地速超差。

2 计算模型和物理实现

惯导能不依靠外界信息源而进行自主导航引导飞行，主要依靠其自主提供的速度、距离、位置、姿态、航向等导航信息，地速是其中一个重要的导航信息。地速是在惯导测量加速度基础上经积分运算得到的，故对惯导地速分析需先建立惯导地速的计算模型。

2.1 计算模型

2.2 物理实现

惯导的工程应用较为复杂，本文就惯导地速的实现进行简要分析。惯导输出的地速数据依托载体加速度的测量和后期的计算来获得，加速度的测量通过加速度计来实现。加速度计能测量载体的加速度（也叫比力），以电压形式输出，再经量化器接收反馈放大器输出的直流电压，并对此电压进行量化，最終输出以时间为单位的脉冲数，即每个脉冲数代表一定的速度增量。脉冲送到计算机模块后，经过一定时间，在可逆计数器中计取脉冲数，由此可得到加速度，计算模块对加速度进行积分运算，即可算出飞机相对地面运动的地速。

实际应用中，惯导利用挠性陀螺高速旋转建立精确的初始水平和方位基准，形成一个稳定的平台，为加速度计提供准确的安装基准和测量基准，在惯性平台指向东、北、天三个方位上各装有一个加速度计，使三个加速度计的测量轴稳定在东、北、天方位。在这一平台上，隔离了飞行状态的干扰，加速度计感知飞机在机体X、Y和Z方向的即时加速度，再经水平方位加速度的积分运算，输出水平速度，最终拟合出飞机相对地面运动的地速。

3 地速超差原因分析及预防措施

依据上文所建立的惯导地速简易计算模型以及对惯导地速的物理实现过程解析可知，惯导地速最直接的误差源为即时加速度的测量和后续的量化积分运算，而加速度测量的准确性除了受器件性能和零位误差的影响外，还受惯性平台稳定状态的影响，惯性平台的稳定又直接受稳定回路的控制，且与惯性平台中所使用的陀螺、导电环、电机、轴承等元件有着直接关系。结合实际工作中对多发故障部位的修理经验，建立该惯导“地速超差故障”的简单故障树，如图1所示。

该故障树中，方框内表示故障事件，上下层事件之间由逻辑“或”符号关联，表示任何一个输入故障的发生都会导致输出故障的发生。建立故障树后，可根据故障树的分支从上往下寻找地速超差故障问题的源头，并对故障原因进行逐一分析，以提出针对性的修理预防措施。

3.1 故障原因分析

1）惯性元器件性能下降

惯导依靠惯性元器件（陀螺和加速度计）的惯性运动特性来测量飞机的加速度和角运动，陀螺的漂移和加速度计的零位偏差是其中主要的误差来源。惯性元器件的性能下降必然导致测量的加速度和角速度不准确，从而导致推算出的速度误差大，产生地速超差故障。

2）惯导温控回路故障

由于该型惯导所使用的惯性元器件的性能受温度影响较大，设置温控回路可以确保惯性元器件在最适宜的温度下发挥其最佳性能，因此惯性平台内部工作时会保持一定温度，同时通过温度补偿来控制降温对性能的影响。温控回路故障将导致误差补偿不准确，甚至直接降低惯性元器件的性能，最终导致地速超差。

3）元器件的安装误差

惯性平台内部为精密元器件，对安装有着非常高的要求，安装完成后需要将参数输入计算机，通过计算机补偿误差。一旦惯性平台安装结构发生细微变化，根据惯导解算方程推导，地速将会产生更大的误差。

4）计算误差

计算误差包括加速度计的量化误差和计算模块失效导致的计算误差，其中，量化器的量化误差影响最直接。量化器的主要考核指标为非线性误差和交叉耦合误差以及零位一次启动稳定性，若量化器考核指标超差，将直接导致加速度经量化后产生误差，影响地速的最终计算结果。

5）惯性平台元器件磨损

惯性平台元器件磨损是地速超差可预见性因素，容易磨损的元器件包括轴承、导电环和电机，在惯性平台中承担转动、信号传输和信号执行的作用，其中导电环和精密轴承的磨损最为突出。

导电环是平台式惯导惯性平台的重要组成部分，承担惯性平台台体内各种信号与系统的传输和交联，导电环因受限于制造技术和安装空间以及平台运转的变化等因素，大机动飞行后容易导致导电环相邻线路搭线、烧断等，表现为接触电阻变大、绝缘差，直接导致稳定回路控制精度降低或惯性元器件性能下降，最终间接影响地速的精度。

精密轴承在惯性平台中起框架支撑和运转的功能，转动摩擦力矩是考核轴承的关键指标，随着使用时间的延长，轴承的磨损会使摩擦力矩变大，直接导致稳定回路的性能变化，最终引起地速超差。

3.2 预防措施

利用故障树对地速超差故障开展分析，并结合修理中地速超差故障排除情況，发现惯性元器件性能下降和元器件磨损是导致惯导报地速超差故障的主要原因，下面针对实验室修理保障提出针对性的预防措施，以确保产品质量可控。

1）惯性元器件的精度检查

在对惯导进行指标考核时，除了需检查整体性能之外，还需对惯性元器件进行单独检查，可复测其漂移常值和漂移变化量，以了解陀螺的性能变化情况，对漂移变化量较大的陀螺采取更换以避免隐患；还可对惯性元器件采取寿命控制措施，以避免惯性元器件性能突变导致超差故障。

2）易损元器件的检查和更换

易损元器件尤其是轴承和导电环的检查是修理中必不可少的项目。导电环主要检查通道接触电阻和绝缘性能，以判断导电环的性能状态，对不符合指标要求的线路需要及时排除，可采用换环、并环甚至更换整个导电环的方式来确保平台工作状态稳定可靠。

对于惯性平台中所使用的轴承，可参考平台摩擦力矩测试结果，相应地采取清洗、加润滑油或更换的方法，以达到良好的平台运转和支撑状态。

3）温控回路和量化器的性能检查

温控回路的性能检查体现在对温控板的控制和执行元件——加热片的检查上。实际修理中，通过复测温控板的性能来监控温控回路的状态，通过检查加热片的状态和及时更换烧断或鼓包的加热片，确保整个温控回路工作正常，从而降低惯性元器件受温度影响而性能下降的风险。

量化器的性能检查体现在对量化器线路板的综合指标检查上。通过复测三个通道的非线性误差、交叉耦合误差和零位一次启动稳定性等性能，判断量化器板的性能状态，根据测试情况针对性地进行修复和调试，以保证量化器板的指标符合技术要求，从源头上避免加速度量化过程中产生误差。

4 结束语

本文依据地速模型和超差故障树，对地速超差故障进行了深入分析，以此提出相应的预防措施。在修理中应首先重点检查惯性元器件的性能状态，排除陀螺、加速度计等硬件性能下降带来的测量误差；其次检查轴承和导电环等易损元器件的性能；最后检查温控回路和量化器的性能。通过上述措施，可以有效预防该型惯导地速超差的故障。

参考文献

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