[34导航] 聊一聊飞机的惯导系统

      惯性导航系统是一个使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度，并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的辅助导航系统。它不需要一个外部参考系，常常被用在飞机、潛艇、导弹和各种航天器上。惯性导航系统至少包括计算机及含有加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台（或模块）。开始时，有外界（操作人员及全球定位系统接收器等）给惯性导航系统提供初始位置及速度，此后惯性导航系统通过对运动传感器的信息进行整合计算，不断更新当前位置及速度。其优势在于给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度。通过检测系统的加速度和角速度，惯性导航系统可以检测位置变化（如向东或向西的运动），速度变化（速度大小或方向）和姿态变化（绕各个轴的旋转）。

      在737NG机型上由大气数据惯性基准系统ADIRS实现。

      ADIRS向机组和飞机系统提供高度、空速、温度、航向、姿态和当前位置的数据信息。整个系统包含大气数据组件ADM、总温探头TAT、迎角传感器AOA、惯性系统显示组件ISDU、方式选择组件MSU、大气数据惯性基准组件ADIRU和IRS主警告组件等部件，其中最关键的部件是大气数据惯性基准组件ADIRU，它是主要的数据处理计算单元。每部大气数据惯性基准组件ADIRU由一部大气数据基准组件ADR和一部惯性基准组件IR 组成  。每部ADIRU中的ADR和IR系统各自独立工作，一个系统故障不会导致另一个系统失效。

      大气数据基准组件ADR接收来自惯性基准组件IR提供的俯仰，横滚，垂直速度和加速度数据。ADR使用这些IR数据计算推力和地面效应补偿值。然后，ADR使用计算的推力和地面效应补偿值作为其静压源误差修正计算的一部分。静压和全压来自大气数据组件ADM。在ADR处理器接收数据之前，大气数据组件ADM将总温TAT和迎角AOA数据从模拟数据转换为数字数据。

惯性系统显示组件ISDU或飞行管理计算机FMC向惯性基准组件IR处理器提供初始位置数据。方式选择组件MSU用来选择操作模式。陀螺仪和加速度计向IR处理器提供运动数据。ADR为IR处理器提供高度，高度速率和真空速。IR使用此ADR数据作为其惯性高度、垂直速度和风力计算的一部分。

      惯性基准IR有三个加速度计和三个激光陀螺仪，可以感应运动和角运动。IR使用加速度计和陀螺仪测量飞行器的加速度和角速度。因为速度积分两次就是位移，角速度积分就是角度姿态，通过以上积分就可以将载体坐标系中的加速度转换到导航坐标系中(从地面观察物体的运动情况)，简单来说就是用得到的初始坐标加上积分出的位移也就得到了新坐标、初始角度加上积分得到的角度位移也就得到了新的角度，从而通过初始位置信息得到当前的实时位置信息。

      三个加速度计分别位于飞机的X轴、Y轴和Z轴，用来测量三个轴上的加速度信息。三个环形激光陀螺，分别对应一个旋转轴（X,Y,Z），提供内部转动数据。

      在737NG飞机中加速度计是由两个弹簧卡在外壳中心的物质。当飞机加速时，物质从中心移动并通过传感器发出电信号。放大器然后放大该信号并将其发送到再定中线圈，该线圈将物质移回中心。保持物质定中所需的信号量与飞机加速度成比例。IR处理器将反馈信号对时间进行积分以计算速度，然后将计算出的速度对时间进行积分以计算飞行距离。然后IR处理器添加飞行到初始位置的距离以计算当前位置。

      萨格奈克效应可以用所示的半径为R的圆环光路来说明：两束光从圆环光路上某一位置A向相反方向同时发出，分别以光速c传播。

      若环路静止，则两束光经过距离2πR后，同时回到位置A，两束光之间没有相位差；

      若圆环以角速度Ω顺时针转动，光从A出发顺时针传播回到“原处”所需时间为t，由于环路旋转，在t时间内，转过角度为Ωt（即A移动到B），所以对顺时针光束，光传播圆环一周走过的光程L实际变为L=2πR+ΔL=2πR+RΩt=ct

      所以，t=2πR/(c-RΩ)

      同理，对于逆时针光，有 L'=2πR-ΔL=2πR-RΩt'=c't'

      故，t'=2πR/(c'+RΩ)

      因为相同介质中两个方向上的光速相等，即c=c'=C，(C为相同介质中光速)因此，Δt=t-t'=4πΩR2/（C2-R2Ω2）≈4πΩR2/C2=4AΩ/C2，(A为光路面积)，相应的相位差为Δφ=8πAΩ/Cλ，与介质无关，其中λ为同介质中光波长。

      激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

      飞机通电后，只有进行过惯导校准后，惯性基准系统才可以进行正常工作，其本质是设置初始位置。

      ADIRU使用Z轴加速度计重力，然后通过三轴陀螺仪和加速度计来感应地球自转的线速度。然后使用地球速率和重力来计算本地垂直线、真北，每个纬度的自转的角速度一样但线速度是不一样的，飞机在赤道上得到的自转线速度最快，越靠近两极感受到的自转线速度越慢，所以根据测量计算出的自转线速度就可以确定纬度信息。

      但是经度信息不能通过测量和计算得出，就需要手动输入位置信息。在ADIRU测量完这些值并与输入的纬度信息对比后，结合输入的经度信息，ADIRU完成校准到真北，然后准备导航，ADIRS校准时间将根据当地纬度而变化。ADIRS校准时间将在赤道最少5分钟至78.25度（北纬或南纬）最大17分钟之间变化。如果当前位置纬度在北纬60.0度与南纬60.0度之间，则校准时间不会超过10分钟。在60.0和70.2度北纬或南纬的纬度之间，校准时间固定为10分钟。在70.2和78.25度北纬或南纬的纬度之间，校准时间固定为17分钟。在北纬或南纬78.25以上的纬度则无法进行惯导校准。

      使用方式选择组件MSU上的模式选择器启动ADIRU校准。将选择器从OFF移至NAV。左选择器控制左ADIRU，右选择器控制右ADIRU。

      ON DC灯亮5秒钟。在此期间，ADIRU会检查其直流电源。5秒钟后，ON DC指示灯熄灭，ALIGN指示灯亮，ADIRU已处于校准模式。如果ADIRU在校准模式下检测到飞机移动，则校准程序将停止。移动停止后，将开始新的校准。必须在校准期间输入ADIRU的当前位置数据。ADIRU计算当前位置纬度但不能计算当前位置经度，其使用输入的纬度和经度。在输入当前位置信息后ADIRU会将输入的纬度与其计算值进行比较，以确保其纬度计算正确。

      可以使用惯性系统显示组件ISDU或FMCS CDU输入当前位置数据。如果两个ADIRU都处于校准模式时，只需输入一次数据，数据会传输到两个ADIRU。如果输入错误，则可以再次输入数据，ADIRU会使用最后一次输入的数据。

• 通过FMC CDU查看维护信息
  

      

ADIRS可以通过飞行管理计算机控制显示组件（CDU）查看的维护信息。从MAINT BITE INDEX中选择ADIRS，在4L行选键，显示ADIRSBITE页面。

      在ADIRS BITE页面上，选择1L LSK上的ADIRS L或2L LSK上的ADIRSR，分别查看左ADIRU或右ADIRU的ADIRS BITE主菜单。可以查看的维护信息包括当前状态/Current status、飞行故障/Inflight faults、地面测试/Ground test、识别/构型/Ident/config。“当前信息”包括维护信息代码和故障描述。在“飞行故障”中可以查看ADIRU在 9个航段内的故障，每个航段可存储最多26个故障。如果在地面发生故障，则会将故障存储为当前故障。如果新航段开始时故障存在，则ADIRU将故障存储在新航段中。

      “地面测试”中包含IR地面测试和ADR地面测试。

      IR测试中如果地面速度超过20节，或IR处于姿态模式，则IR地面测试将不会运行。测试开始时，MSU和ISDU上的所有指示灯亮起2秒钟。在2到10秒之间，所有IR数据都会失效，使用IR数据的组件和显示器均显示故障旗标和故障情况。R地面测试开始10秒后，ADIRU在其数据总线上发送测试值，测试值显示在IR GROUND TEST的第2页和第3页，然后查看驾驶舱显示器来验证测试值。

      ADR测试如果当计算空速超过30节，则ADR地面测试会被抑制。

      ADR测试开始时，会听到2秒钟的超速警告。在2到7秒之间，所有ADR数据都会失效。使用ADR数据的组件和显示器均显示故障旗标和故障情况。ADR地面测试开始7秒后，ADIRU在其数据总线上发送测试值，测试值显示在ADR GROUND TEST的第2页，然后查看驾驶舱显示屏以验证测试值。

      而在IDENT/CONFIG页面可以查看ADIRU硬件件号和序号。

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