第十一章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院概念：利用慣性元件（加速度計(jì)）測(cè)量飛機(jī)相對(duì)與慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定的初始條件下，通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的積分運(yùn)算，確定飛機(jī)的姿態(tài)、航向、速度、位置，引導(dǎo)飛機(jī)沿區(qū)域?qū)Ш胶铰凤w行的領(lǐng)航系統(tǒng)。功能自動(dòng)測(cè)量飛機(jī)各種導(dǎo)航參數(shù)及飛行控制參數(shù)，供飛行人員使用；與飛機(jī)其他控制系統(tǒng)配合，完成對(duì)飛機(jī)的人工或自動(dòng)駕駛。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院特點(diǎn)自主性，全球、全天候?qū)Ш诫[蔽性連續(xù)三維定位、定向能獲取運(yùn)動(dòng)載體完備的運(yùn)動(dòng)信息中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（水平導(dǎo)航）加速度計(jì)和陀螺儀安裝在1～2個(gè)三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。陀螺穩(wěn)定平臺(tái)中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院特點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積大重量重可靠性差中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（水平導(dǎo)航和垂直導(dǎo)航）將陀螺和加速度計(jì)直接固聯(lián)于機(jī)體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。數(shù)學(xué)平臺(tái)把加速度計(jì)的沿機(jī)體軸系的輸出轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系來(lái)；建立和修正姿態(tài)矩陣，并計(jì)算出飛機(jī)的姿態(tài)角。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院特點(diǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小重量輕成本低維護(hù)簡(jiǎn)單容錯(cuò)能力強(qiáng)中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院姿態(tài)矩陣就是機(jī)體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系間的方向余弦矩陣。OXcYcZc為機(jī)體坐標(biāo)系：X縱軸、Y橫軸、Z垂直軸OXpYpZp為導(dǎo)航坐標(biāo)系：X東、Y經(jīng)線北端、Z垂直與地平面指天中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第一節(jié)INS的組成和工作原理一、INS組成慣性導(dǎo)航組件（INU）：主要完成導(dǎo)航參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。平臺(tái)式：1～2個(gè)三軸空間穩(wěn)定平臺(tái)，2～3個(gè)高精度的陀螺儀及3個(gè)高精度的加速度計(jì)，一部數(shù)字計(jì)算機(jī)，其它電子線路板；捷聯(lián)式：3個(gè)高精度的陀螺儀及3個(gè)高精度的加速度計(jì)，一部數(shù)字計(jì)算機(jī)，其它電子線路板；沒(méi)有實(shí)際的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，將加速度計(jì)和陀螺儀直接與飛機(jī)機(jī)體固連，用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)計(jì)算“數(shù)學(xué)平臺(tái)”也叫“軟件平臺(tái)”。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院控制顯示組件（CDU）：包括導(dǎo)航參數(shù)的顯示，初始值的引入，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)故障顯示和告警等。方式選擇組件（MSU）：主要用來(lái)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。備用電池組件（BU）：特殊情況下供電NAVATTREFALIGNSTBYOFFREADYNAVBATT中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院二、系統(tǒng)基本工作原理平臺(tái)原理陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是利用陀螺的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性直接或間接地使某一物體對(duì)地球或慣性空間保持給定位置或按照給定規(guī)律改變起始位置的一種陀螺裝置。在平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，要把加速度計(jì)安裝在一個(gè)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的平臺(tái)上（宇宙航行和彈道導(dǎo)彈）或安裝在一個(gè)相對(duì)于地球穩(wěn)定的平臺(tái)上（飛機(jī)），以提供準(zhǔn)確的加速度。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院積分修正由于陀螺穩(wěn)定性，飛機(jī)在平飛過(guò)程中，如果不加修正，慣性平臺(tái)將穩(wěn)定在起始經(jīng)線處的方位上。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院積分修正原理：平臺(tái)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，如果能控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，使它等于地垂線的的角加速度，其中由加速度計(jì)測(cè)量，以經(jīng)過(guò)積分所得的陀螺羅盤的進(jìn)動(dòng)角速度作為指令信號(hào)，加給陀螺力矩器，強(qiáng)迫陀螺平臺(tái)以指定的角速度進(jìn)動(dòng)，從而保持在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院加速度計(jì)加速度計(jì)安裝在慣性平臺(tái)上，慣性平臺(tái)依靠高精度的陀螺儀和修正機(jī)構(gòu)，始終保持陀螺平臺(tái)相對(duì)于地面的水平并且與經(jīng)線一致，從而使加速度計(jì)的軸線分別穩(wěn)定在南北方向和東西方向上。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院飛機(jī)位置計(jì)算原理地速和航跡角位置中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第二節(jié)系統(tǒng)校準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自校準(zhǔn)（捷聯(lián)式：10分鐘；平臺(tái)式：15～20分鐘）校準(zhǔn)的目的：慣導(dǎo)系統(tǒng)在進(jìn)入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)前，應(yīng)當(dāng)首先解決積分運(yùn)算的初始條件及平臺(tái)初始調(diào)整問(wèn)題。通過(guò)引入初始坐標(biāo)將平臺(tái)調(diào)整到指定的坐標(biāo)系內(nèi)，同時(shí)為確保加速度計(jì)重心垂直當(dāng)?shù)厮矫?，軸線與東西方向、南北方向一致，必須使慣性平臺(tái)保持水平，以保證系統(tǒng)符合導(dǎo)航精度的要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在每次飛行前，在地面停放位置進(jìn)行自校準(zhǔn)，引進(jìn)飛機(jī)停放位置的坐標(biāo)，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)。粗校準(zhǔn)、調(diào)水平、精校準(zhǔn)校準(zhǔn)過(guò)程中，飛機(jī)不能開車、移動(dòng)、陣風(fēng)、加油、裝卸貨物、上下旅客。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院位置更新隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差（漂移誤差積累）每隔2～3小時(shí)需要進(jìn)行一次位置更新。自動(dòng)更新：飛行中，將CDU的顯示選擇旋鈕放于更新/磁差位，按功能鍵“Δ”人工位置更新：飛機(jī)到達(dá)檢查點(diǎn)時(shí)，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)于檢查點(diǎn)比較，如果誤差超過(guò)規(guī)定數(shù)值，則輸入檢查點(diǎn)精確的位置坐標(biāo)。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第三節(jié)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作程序飛行前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自校準(zhǔn)引入現(xiàn)在飛機(jī)位置（經(jīng)緯度），對(duì)飛機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)要求：校準(zhǔn)過(guò)程中不能開車，移動(dòng)。校準(zhǔn)完成后不能斷開慣性導(dǎo)航系統(tǒng)電源。引進(jìn)航路導(dǎo)航計(jì)劃（9個(gè)航路點(diǎn)）依次引進(jìn)航路點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，人工編排飛行計(jì)劃。人工輸入VOR/TAC臺(tái)站的數(shù)據(jù)（9個(gè)）經(jīng)緯度坐標(biāo)頻率標(biāo)高磁差檢查航線數(shù)據(jù)為防止編排的航線計(jì)劃出錯(cuò)，可以使用遙控功能檢查航線距離、待飛時(shí)間和航線角中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院飛行中

工作在導(dǎo)航（NAV）方式，引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行，向A/P、ADI輸入飛機(jī)的俯仰、傾斜姿態(tài)和平臺(tái)航向。當(dāng)飛機(jī)失去導(dǎo)航能力或不再需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用ATTREF方式為飛機(jī)提供姿態(tài)參數(shù)?；校罕O(jiān)控真航跡角和滑行速度。離場(chǎng)入航：選擇起始航段飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行中，在航路點(diǎn)可以利用慣導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換航段，也可以人工轉(zhuǎn)換航段。為擾飛雷雨或強(qiáng)頂風(fēng)區(qū)，可以利用慣導(dǎo)修改飛行計(jì)劃位置更新：隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差，每隔2～3小時(shí)需要通過(guò)引入檢查點(diǎn)進(jìn)行一次位置更新VOR/DME有精確坐標(biāo)的位置點(diǎn)（NDB臺(tái)、機(jī)場(chǎng)上空、顯著地標(biāo)等）航站區(qū)域飛行：截獲ILS前，可根據(jù)選定的電臺(tái)提供非精密導(dǎo)航操作。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院慣導(dǎo)的其他功能順逆風(fēng)顯示平行航線飛行距離現(xiàn)在航跡400nm的范圍內(nèi)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以執(zhí)行平行偏離原航線飛行。使用自動(dòng)駕駛儀時(shí)，飛機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向偏離航線的平行航跡上。檢查飛行中的航線數(shù)據(jù)單獨(dú)提供姿態(tài)基準(zhǔn)信號(hào)中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第三節(jié)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)IRS使用激光陀螺的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成：IRU，MSU，CDUIRU：3個(gè)激光陀螺、三個(gè)撓性加速度計(jì)等。顯示參數(shù)：飛機(jī)的真航跡/地速飛機(jī)的即時(shí)位置空中氣象風(fēng)向/風(fēng)速飛機(jī)的真航向中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院信號(hào)輸入和輸出中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第四節(jié)GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)GPS全球、全天候和實(shí)時(shí)的導(dǎo)航可以提供精確的位置和時(shí)間信息。定位誤差與時(shí)間無(wú)關(guān)，具有較高的定位精度和測(cè)速精度。GPS載體在作高速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，常使GPS接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星載波信號(hào)。GPS接收機(jī)的信號(hào)輸出頻率較低（1～2Hz），有時(shí)不能滿足載體對(duì)于飛行控制對(duì)導(dǎo)航信號(hào)更新頻率的要求。單獨(dú)使用GPS導(dǎo)航在飛機(jī)上也受到限制。INS自主式導(dǎo)航系統(tǒng)提供多種高精度的導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度、姿態(tài)），不能提供時(shí)間信息。存在漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間的單獨(dú)導(dǎo)航。需要初始化、位置更新。數(shù)據(jù)更新率高中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院GPS與INS導(dǎo)航組合，具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，使導(dǎo)航精度高于獨(dú)立系統(tǒng)的精度。INS可以借助GPS的位置信息進(jìn)行位置更新，具有空中再對(duì)準(zhǔn)的能力。GPS接收機(jī)在INS位置和速度信息的輔助下，也將大大改善捕獲、跟蹤和在捕獲能力，并且在衛(wèi)星分布條件差或可見(jiàn)星少的情況下，不致嚴(yán)重影響導(dǎo)航精度。組合方式松散組合GPS接收機(jī)基本作為一個(gè)自主導(dǎo)航儀，通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)方式為INS提供周期性的位置和速度修正。緊密組合GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)裝置各自包含一個(gè)卡爾曼濾波器，他們產(chǎn)生的位置和速度導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)街醒肴蝿?wù)計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步濾波后進(jìn)行同步數(shù)據(jù)處理。深度組合嵌入式足額和，GPS接收機(jī)作為一塊線路板嵌