姚金彪 唐福軍

摘要：某型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)上時(shí)有故障發(fā)生，導(dǎo)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(tǒng)在機(jī)上偏航距誤差大的問題，通過建立偏航距計(jì)算模型，查找偏航距的誤差源，從而提出相應(yīng)的解決措施，提高慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航精度；偏航距；誤差源

Keywords：navigation precision；yaw distance；error source

0 引言

某型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是飛機(jī)上重要的導(dǎo)航設(shè)備，能自主地為飛行提供速度、位置、方位等導(dǎo)航信息，引導(dǎo)飛機(jī)飛向當(dāng)前航線的目標(biāo)點(diǎn)，其中偏航距是慣導(dǎo)引導(dǎo)飛行時(shí)提供的最基本導(dǎo)航參數(shù)，指示飛機(jī)的實(shí)際航線偏離計(jì)劃航線的距離。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)偏航距誤差大故障，導(dǎo)致飛機(jī)偏離預(yù)定航線，嚴(yán)重影響飛行安全。針對此現(xiàn)象，本文從慣導(dǎo)實(shí)際維修出發(fā)，分析故障產(chǎn)生的原因，并提出有效的解決措施。

1 偏航距的計(jì)算模型和誤差源

1.1 飛行航線的選擇

慣導(dǎo)在進(jìn)行導(dǎo)航解算時(shí)，采用大圓航線法計(jì)算飛行航線，即在地球表面上從一點(diǎn)飛行到另一點(diǎn)時(shí)，沿過此兩點(diǎn)的大圓劣弧段飛行。球面上兩點(diǎn)之間的最短距離指經(jīng)過兩點(diǎn)的大圓在這兩點(diǎn)間的一段劣弧的長度，該弧長稱為兩點(diǎn)的球面距離，通常情況下飛機(jī)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(diǎn)之間的最短航線，也稱最優(yōu)航線。

理論上，兩點(diǎn)之間的大圓航線是一條空間曲線，由沿途無數(shù)個中間點(diǎn)組成，但在實(shí)際中不可能解算無數(shù)個點(diǎn)的坐標(biāo)，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(jīng)度間隔計(jì)算出航線上相應(yīng)的中間點(diǎn)B、C、D、E等的緯度。

將這些點(diǎn)連接起來，形成的折線即是近似的大圓航線的軌跡，這些點(diǎn)又叫航路點(diǎn)，航路點(diǎn)是實(shí)際飛行計(jì)劃中的各個轉(zhuǎn)向點(diǎn)，包括起點(diǎn)和到達(dá)點(diǎn)，引導(dǎo)飛機(jī)依次飛向航線中的各個航路點(diǎn)。在一個航線段中導(dǎo)航的具體任務(wù)即是引導(dǎo)飛機(jī)飛向當(dāng)前航線段的目標(biāo)點(diǎn)。

1.2 大圓航線

1）坐標(biāo)系選取

在進(jìn)行大圓航線導(dǎo)航時(shí)，需對大圓航線進(jìn)行計(jì)算，為了正確算出根據(jù)起始機(jī)場和目的機(jī)場信息所建立的大圓航線，選取WGS-84坐標(biāo)系（World Geodetic System，1984年）來描述基準(zhǔn)大圓航跡。

2）偏航距的誤差源

從式（9）所得出的偏航距計(jì)算公式中可知，慣導(dǎo)偏航距的計(jì)算輸出直接依賴于當(dāng)前飛行位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)也受限于起始機(jī)場和目標(biāo)機(jī)場經(jīng)緯度、高度裝訂的準(zhǔn)確性，因此慣導(dǎo)偏航距的誤差源為初始信息裝訂和慣導(dǎo)輸出的實(shí)時(shí)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(jù)偏航距誤差產(chǎn)生的來源和性質(zhì)，從直接因素和間接因素兩方面對偏航距誤差源進(jìn)行深入分析。

2.1 直接因素分析

1）初始信息裝訂誤差

慣導(dǎo)初始裝訂的信息包括飛機(jī)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、起始機(jī)場和目標(biāo)機(jī)場的經(jīng)緯度與高度，慣導(dǎo)在進(jìn)行初始對準(zhǔn)時(shí)，必須引入當(dāng)前位置的經(jīng)緯度才能解算出飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置經(jīng)緯度。飛行所需建立的大圓航線也要引入起始機(jī)場和目標(biāo)機(jī)場的經(jīng)緯度與高度信息。

經(jīng)緯度以度和分為單位，初始信息裝訂時(shí)會精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。初始信息裝訂不準(zhǔn)確將導(dǎo)致多種計(jì)算誤差的產(chǎn)生。首先導(dǎo)致初始對準(zhǔn)時(shí)解算出的飛機(jī)實(shí)時(shí)位置與真實(shí)位置的誤差，其次影響引入偏航距計(jì)算模型中的各項(xiàng)初始量，更將導(dǎo)致為飛行建立的大圓航線偏離實(shí)際最優(yōu)航線，最終導(dǎo)致偏航距計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2）慣導(dǎo)輸出實(shí)時(shí)位置誤差

慣導(dǎo)在進(jìn)行偏航距的導(dǎo)航解算時(shí)，所引入的實(shí)時(shí)位置信息由慣導(dǎo)本身給出，位置精度越高，反映慣導(dǎo)指示的即時(shí)位置越準(zhǔn)確，也就能最大限度地降低偏航距的計(jì)算誤差。慣導(dǎo)實(shí)時(shí)位置與真實(shí)位置偏離時(shí)將直接導(dǎo)致偏航距的計(jì)算產(chǎn)生誤差，偏離值越大，計(jì)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(dǎo)的自主導(dǎo)航原理可知，慣導(dǎo)輸出的實(shí)時(shí)位置精度取決于裝訂經(jīng)緯度的準(zhǔn)確性和慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。初始信息裝訂誤差已在直接因素中進(jìn)行了分析，故間接因素重點(diǎn)分析慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能。

慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能取決于多種因素，考核慣導(dǎo)導(dǎo)航性能的直接指標(biāo)主要有慣導(dǎo)輸出的實(shí)時(shí)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(jì)的零位誤差為典型。

當(dāng)陀螺性能不穩(wěn)定或累積漂移誤差變大時(shí)，容易導(dǎo)致依靠陀螺穩(wěn)定性所建立的空間坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間產(chǎn)生偏離，以穩(wěn)定平臺為基準(zhǔn)的加速度計(jì)采集到有誤差分量的加速度，加上加速度計(jì)本身的零位誤差，最終使得通過導(dǎo)航計(jì)算得出的實(shí)時(shí)位置誤差更大，間接導(dǎo)致偏航距誤差。

3 解決措施

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，為了降低該型慣導(dǎo)偏航距誤差大故障，根據(jù)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(shí)際修理中導(dǎo)致偏航距誤差大的重要外因進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出針對性的解決措施。

1）初始信息裝訂需準(zhǔn)確

針對初始信息裝訂不準(zhǔn)確問題，可采用比對機(jī)上GPS所采集的經(jīng)緯度信息進(jìn)行初始位置輸入，并進(jìn)行輸入信息的檢查，避免人工輸入錯誤；仔細(xì)檢查起始機(jī)場和目標(biāo)機(jī)場的經(jīng)緯度裝訂，確保準(zhǔn)確性。

2）強(qiáng)化慣導(dǎo)性能指標(biāo)的考核力度

位置精度、速度精度以及姿態(tài)和航向精度是考核慣導(dǎo)導(dǎo)航性能的直接指標(biāo)。位置精度是指慣導(dǎo)在各種溫度下，經(jīng)一系列調(diào)試、試驗(yàn)后對即時(shí)位置的考核結(jié)果，直接體現(xiàn)了其自主導(dǎo)航的精度，是慣導(dǎo)最重要的考核指標(biāo)。

正常情況下，慣導(dǎo)每次對準(zhǔn)導(dǎo)航的位置精度應(yīng)較穩(wěn)定且應(yīng)低于考核指標(biāo)的要求。當(dāng)測試慣導(dǎo)位置精度較差或不滿足指標(biāo)要求時(shí)，需及時(shí)對慣導(dǎo)進(jìn)行調(diào)試修理。同時(shí)，根據(jù)慣導(dǎo)隨飛機(jī)運(yùn)動的特性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，不僅要考核慣導(dǎo)的靜態(tài)導(dǎo)航精度，更需重點(diǎn)關(guān)注動態(tài)導(dǎo)航狀態(tài)下的精度表現(xiàn)，全狀態(tài)、長航時(shí)的考驗(yàn)都應(yīng)合格，否則需進(jìn)行進(jìn)一步的修理。

3）關(guān)注慣性元器件的性能狀態(tài)

實(shí)際生產(chǎn)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(yīng)持續(xù)關(guān)注慣性元器件的性能狀態(tài)，一方面做好修前故障檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，特別在檢測出陀螺漂移值較大或不穩(wěn)定的情況下，應(yīng)及時(shí)更換陀螺；另一方面，需對陀螺和加速度計(jì)進(jìn)行定期標(biāo)校工作，以消除元器件的零位誤差，一般陀螺的標(biāo)校期為3年，但在實(shí)際使用中需結(jié)合慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度視情進(jìn)行標(biāo)定并補(bǔ)償參數(shù)。

4 總結(jié)

本文依據(jù)建立的偏航距計(jì)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(jìn)行重點(diǎn)分析，以此為依據(jù)提出在慣導(dǎo)修理中應(yīng)強(qiáng)化考核慣導(dǎo)的位置精度，重點(diǎn)關(guān)注慣性元器材的性能狀態(tài)，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(dá)到產(chǎn)品的深度修理目的，最終從源頭預(yù)防該型慣導(dǎo)出現(xiàn)偏航距誤差大故障。

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作者簡介

姚金彪，工程師，從事航空儀表專業(yè)的修理技術(shù)和理論研究。

唐福軍，高級工程師，從事航電專業(yè)的修理技術(shù)和理論研究。