什么是导航？IR是以什么为基准？地面校准的是什么？

首先造成误会的是“惯导”这个中文名。

抬头看看那块面板，IRS…… 中文名管它叫什么？“惯导系统”（惯性导航系统）对不？可是R不是“基准”（reference）吗？不该叫“惯基系统”吗？你说：“惯基”也太难听了，叫“惯导”是叫习惯了吧？是的，“惯基”还真是难听…… 那么中间那个字母为什么是R而不是N（导航navigation）呢？毕竟“惯导系统”再翻译回去应该是INS吧？你可能要骂人了：能不能整点有用的……

唉，这里聊的是理论层面的东西，暂时还不太实用。且看下来，看看对于理解系统原理有没有帮助……

我猜想，“惯基”确实难听，但“惯导”之所以胜出，大概还有一部分原因在于：这是继承了航海和军事领域的叫法。潜艇和导弹，为了执行秘密任务，必须具备“自主导航”的能力——完全不依赖于外界的帮助，就能搞清楚自己在哪儿、怎么走才能到达目的地。这种能力来自于它们的“惯性导航系统”（inertial navigation system，INS）。

潜艇和导弹，在最坏的情况下，不依靠视觉参考，不依靠无线电，也不依靠对环境的任何测量和反馈，可说是两眼一抹黑、一条路走到底、就是不偏离。嗯，这才是纯粹的“自主导航”。

而飞机上的“惯导系统”，如果指的是IRS，那么单凭它自己，还不能够让飞机具备类似的“自主导航”能力。这是因为，IRS只能提供飞机“在哪儿”的数据，但是要解决“怎么走”的问题，还得依赖于其他系统（稍后讲它）。所以IRS只是INS的一部分，制造商没有单独把它和其他系统拼在一起命名为INS，大概是因为在民航飞机的实际运行中，从来不使用纯粹的自主导航。毕竟，民航飞机还没有到需要执行秘密任务的地步……

01 什么是导航？

为了把这些有点儿绕的道理捋直了，还得从一些基本概念说起。尽量说一些大白话。先来通俗地讲讲如何理解“导航”二字。

假想你在城市的陌生角落里迷了路，而你想回家。那么你遇到的问题是“不知道在哪儿”、“不知道该怎么走”。你的手机这时候能帮你做什么呢？对，就是“导航”。导航软件，专门帮助迷路想家的孩子，专业解答“我在哪儿”、“我该怎么走”这两大难题。

公式：导航=定位+指路（navigation = positioning + directing）

你所听说的各种导航方式，其实都是在搞定这两大难题。比如目视导航，地标和箭头分别为你定位和指路。高速公路上的指路牌，公园里的路标都起到了“目视导航”的作用。比如无线电导航，你需要有地面基站，需要有相对于基站的方向和距离，这样就完成了定位；而导航显示器上的各类标识和符号构成“飞行计划”，指明接下来的飞行路线。

现在，我们来看“惯性导航”。IRS其实只提供了定位能力，但“指路”能力则要由FMC来提供。

FMC，飞行管理计算机，在导航这事儿上，它很像一部手机。FMC内置“导航软件”，也存储着定期更新的“导航数据库”——相当于最新版的“地图”。飞行前，飞行员在人际交互界面CDU（公共显示组件）输入起降场等数据——这个操作类似于我们在手机上输入导航的起点和终点，FMC就能规划出“飞行计划”（路线），显示在ND（导航显示器）上。

FMC的这个能力的正式名字就叫做导航（navigation）。但是须知，没有定位，就没有导航。这就好比说如果没有了GPS（也包括我们的北斗系统），手机就没法为我们导航。故而FMC的这个能力严格讲来是“指路”，它要协调具备定位能力的系统（比如IRS或各种无线电导航系统），才能实现导航。

其实FMC是具有综合能力的计算机，“指路”只是一部分能力，因此可以认为INS<IRS+FMC。如果写成INS=IRS+FMC，那么这里的FMC就只代表了它的导航功能部分。

以上，用了B737的术语。对于A320或其他飞机，FMGC（飞行管理制导计算机）相当于这里的FMC。

02 以什么为“基准”？

现在，知道了IRS本身并不具备导航能力，R这个字母就显得很醒目了。R，Reference，一般翻译成“基准”，那么是不是“以……为基准”的意思呢？百思不得其解之际，联想到了“惯性参考系”，它的英文是inertial reference frame。

没错，IR正是“惯性参考”。参考=基准。找到某个惯性运动的物体，以它为参考（“基准”），设定原点以及三维坐标轴，用以描述飞机的位置和运动，这就是飞机的IRS所实现的功能。那么，那个作为基准的、惯性运动的物体去哪儿找呢？其实，“某一时刻”的ADIRU（“惯导计算机”，大气数据惯性基准组件）就可以是这个基准。

在地面，在开始“校准”的那一刻，ADIRU在宇宙中的绝对位置被“锁定”，此刻的它，就是基准，是坐标原点。4分钟后，由于地心引力、飞机结构的支撑和推动力的共同作用，ADIRU已经绕着地球的中轴做了1°的弧线运动（因为24小时=1440分钟=360°）。弧线运动不是惯性运动；因此最初的那个绝对位置必须被“锁定”作为一个想象中的“基准”，或者叫做原点。

03 地面“校准”的是什么？

ADIRU内部有一组神奇的传感器和处理器，传感器感知ADIRU本身的运动数据，由处理器进行精密的计算，得出ADIRU每个时刻相对于那个原点的位置，这是它在惯性坐标系中的位置。而ADIRU固定在飞机上，所以ADIRU的运动就是飞机的运动。

但是，人类生活在跟随地球自转而旋转的经纬网络里，而这个网络正如前边提到的进行了4分钟弧线运动的ADRIU，它无时不刻都在做非惯性运动。为了知道“在哪儿”、“怎么走”，人类想看到的是飞机在经纬网络里的位置（经度、纬度、高度），反而看不懂ADIRU所提供的惯性坐标系里的位置（x, y, z）。如果（x, y, z）出现在显示器上，飞行员和管制员只能感到眩晕……

不要紧，ADIRIU自己就可以完成“翻译”，把这些惯性坐标变成人类看得懂的经纬坐标。这种翻译，在飞行过程中是实时进行的，但是翻译规则要在地面先花费5到8分钟时间来获取。当飞机停放在不同纬度的机场，翻译规则是不同的。获取这个翻译规则的过程，就是所谓的“校准”。

下面是这些原理的另一种表述，包含了更多的细节。

ADIRU内部，有一组神奇的传感器：3个加速计和3个陀螺仪。由于牛顿三大定律等基本物理规律的作用，这些传感器，哪怕是被“关了小黑屋”，与世隔绝，但只需要“扶着墙”，就能知道小黑屋在“惯性参考系”中的运动。传感器固定在ADRIU内部、从而固定在飞机上，就能感知到飞机每个时刻在3个方向上的加速度和角加速度，而借助于处理器进行积分运算，又能得到速度和累计的路程。

但是这些传感器的神奇能力，只限于感知飞机相对于那个想象中的、属于惯性世界的“基准”的运动。一旦飞机离地，如果想知道飞机相对于我们现实中设定的地面固定参考物的运动——比如说相对于某个机场，就有些为难它们了。好在ADIRU在起飞前已经花费5到8分钟“心算”出了一套“换算关系”。在飞行过程中，它把传感器感知到的、惯性参考系里的数据丢进处理器，往“换算表”里一填，就得出了飞机相对于地面固定参考物的运动和位置数据。

就这样，基于经纬网络的位置和运动信息最终出现在显示器上，飞行员和管制员点点头。

“校准”，英文Align，本义是“对齐”。想象一个三维的惯性坐标系，把它扯过去和经纬网络“对齐”。一个原本描述为(x, y, z)的坐标，变成了（经度，纬度，惯性高度），而获取这种坐标变换关系的过程，就是“校准”。这就是“校准”的实质。

—— END ——

最后是开放题：

为什么说IRS没有（不具备）导航功能？不限字数，自由发挥；）

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