機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置誤差特性及分析

劉俊杰,劉中平,陳　?。ㄖ泻斤w機(jī)研發(fā)中心綜合航電設(shè)計(jì)研究所,陜西　漢中　723000）

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置誤差特性及分析

劉俊杰,劉中平,陳健
（中航飛機(jī)研發(fā)中心綜合航電設(shè)計(jì)研究所,陜西漢中723000）

摘要:本文根據(jù)機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的工作原理，結(jié)合當(dāng)前國(guó)產(chǎn)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的配置特點(diǎn)，對(duì)機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的各類誤差進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:捷聯(lián)慣性導(dǎo)航；誤差;飛行管理系統(tǒng)

1　概述

目前未配備飛行管理系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)飛機(jī)中主要采用機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置作為自主遠(yuǎn)距導(dǎo)航設(shè)備，機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置能在飛行過程中連續(xù)實(shí)時(shí)的測(cè)量并計(jì)算飛機(jī)的即時(shí)位置、速度、加速度、角速度、角加速度、真/磁航向、姿態(tài)等載機(jī)運(yùn)動(dòng)信息，并通過數(shù)據(jù)總線向綜合顯示系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)以及飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等機(jī)載設(shè)備發(fā)送待飛時(shí)間/距離、慣性氣壓高度、偏航距、偏航角、操縱信號(hào)等導(dǎo)航信息。

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的精度對(duì)完成飛行任務(wù)及飛機(jī)的精確控制起到了至關(guān)重要的作用。如何在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的使用中盡可能的保證其載機(jī)運(yùn)動(dòng)信息及導(dǎo)航信息的精度成為了一項(xiàng)重要研究工作。

2　誤差分析

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置計(jì)算的導(dǎo)航信息分別對(duì)應(yīng)三類誤差，即外部誤差、內(nèi)部誤差和導(dǎo)航管理誤差。以下就從這三方面對(duì)機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的誤差進(jìn)行分析。

2.1外部誤差分析

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的外部誤差主要有安裝誤差，對(duì)準(zhǔn)時(shí)的輸入誤差及飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)誤差等。

2.1.1安裝誤差

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置安裝時(shí)由于安裝角度偏差而引起的誤差稱為安裝誤差。

2.1.2對(duì)準(zhǔn)時(shí)的輸入誤差

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置初始對(duì)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)就是確定初始時(shí)刻的姿態(tài)陣，包含如下兩個(gè)內(nèi)容：

（1）粗對(duì)準(zhǔn)，在這一階段，依靠重力矢量及地球速率矢量的測(cè)量值，直接估算從機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的變換矩陣；

（2）精對(duì)準(zhǔn)，在這一階段，通過處理慣性儀表的輸出信號(hào)，精校計(jì)算的參考系與真實(shí)參考系間的小失準(zhǔn)角，建立精確地初始變換矩陣。

對(duì)準(zhǔn)時(shí)的精度直接影響機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置轉(zhuǎn)導(dǎo)航后的導(dǎo)航精度，對(duì)準(zhǔn)時(shí)的輸入誤差主要由如下兩種因素帶來：

（1）初始條件誤差是由于初始條件的不準(zhǔn)確而引起的系統(tǒng)誤差，初始條件誤差將引起常值的經(jīng)度誤差，以及設(shè)備的其它振蕩誤差。當(dāng)初始位置誤差較大時(shí)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)的陀螺漂移較大，直接影響載機(jī)運(yùn)動(dòng)信息的精度。當(dāng)陀螺漂移超過一定門限值時(shí)，機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置將會(huì)無法通過對(duì)準(zhǔn)。

（2）對(duì)準(zhǔn)時(shí)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的精度。

2.1.3飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)誤差

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置通過安裝在飛機(jī)支架上的機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置安裝托架固定，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置內(nèi)的陀螺和加速度計(jì)相當(dāng)于直接固連于機(jī)體上，直接承受振動(dòng)和沖擊。因此，用于固定捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的安裝支架其振動(dòng)特性決定了機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的精度。

2.2內(nèi)部誤差分析

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置內(nèi)陀螺儀和加速度計(jì)本身的誤差會(huì)隨著使用時(shí)間的增加會(huì)不斷增大，進(jìn)而影響捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的精度。當(dāng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置精度超差時(shí)必須通過離位標(biāo)定修正其誤差，地面測(cè)試設(shè)備可定期對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置精度進(jìn)行標(biāo)定，但在正常使用過程中如何判斷捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置是否降低精度需要標(biāo)定仍是一個(gè)重要的研究課題。

2.3導(dǎo)航管理誤差分析

在未配備飛行管理系統(tǒng)的飛機(jī)上，對(duì)于雙非相似余度配置的機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，如果加載的航路點(diǎn)信息不一致，即會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)航誤差。

由于兩部非相似余度配置慣性機(jī)載導(dǎo)航裝置對(duì)于切線轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)的把握不一致，導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)航及航線導(dǎo)航方式下，航段切換不一致，兩部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置輸出的導(dǎo)航信息也就不一致。甚至在極端情況下，飛機(jī)按一部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置切換航段飛行后因偏離了前一航段，導(dǎo)致另外一部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置始終無法切換到該航段。

3　誤差消除或規(guī)避

3.1外部誤差

安裝誤差可通過軟件修訂進(jìn)行消除，修訂后的安裝誤差存儲(chǔ)于機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的非易失存儲(chǔ)器內(nèi)。但需注意的是，在更換捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置時(shí)，需記錄安裝誤差并將該誤差修訂于更換后的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置內(nèi)。

關(guān)于對(duì)準(zhǔn)時(shí)的輸入誤差，目前機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置已具有擾動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)的能力，可在飛機(jī)人員上下及進(jìn)行通常飛行準(zhǔn)備工作條件下完成對(duì)準(zhǔn)，但飛機(jī)較大幅度的抖動(dòng)仍會(huì)影響對(duì)準(zhǔn)時(shí)的精度。

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置外部誤差主要來源于人為因素，在生產(chǎn)、維護(hù)、使用過程中明確注意事項(xiàng)即可規(guī)避。

3.2內(nèi)部誤差

目前，部分機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置產(chǎn)品已具有視情標(biāo)定提示功能，以衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)計(jì)算純慣性導(dǎo)航位置精度誤差。當(dāng)機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置精度超差自動(dòng)輸出提示信息，此時(shí)需進(jìn)行離位標(biāo)定。當(dāng)前正在研究的課題還有自動(dòng)標(biāo)定功能，即利用衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)定出陀螺、加速度計(jì)的誤差參數(shù)，用于系統(tǒng)補(bǔ)償。

上述兩種方法代表了內(nèi)部誤差消除或規(guī)避的兩種解決思路，對(duì)設(shè)備的精度進(jìn)行監(jiān)控，超差后提示進(jìn)行標(biāo)定；自動(dòng)標(biāo)定則使機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置始終能滿足精度要求。

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置內(nèi)陀螺儀和加速度計(jì)本身的誤差導(dǎo)致推算捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置存在隨時(shí)間而不斷增加的誤差，導(dǎo)航精度將隨時(shí)間而發(fā)散。通過與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的淺組合，既可修正機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的位置誤差，又可修正由于衛(wèi)星切換導(dǎo)致位置輸出時(shí)的階躍干擾。但當(dāng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置誤差增長(zhǎng)速度大于衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)位置誤差的修正門限時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致組合導(dǎo)航出現(xiàn)較大誤差，無法修正到衛(wèi)星導(dǎo)航的位置。

機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的淺組合模式因衛(wèi)星導(dǎo)航的易受干擾性對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度有較大影響。目前國(guó)內(nèi)已有機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深組合模式，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)不僅能較快地捕獲，而且能跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星，提高了其抗干擾能力。

3.3導(dǎo)航管理誤差

導(dǎo)航管理誤差的核心在于雙余度或多余度導(dǎo)航設(shè)備輸出的統(tǒng)一性，即姿態(tài)、位置精度在誤差要求范圍之內(nèi)的情況下，如何保證機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置對(duì)于航路解算的唯一性。

不同的機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置尤其是不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備對(duì)于航路解算的處理方式不同，對(duì)于判據(jù)、閥值的要求也不同，因此航路解算不具備唯一性，通過采用多數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)可解決此問題。

4　結(jié)束語

通過在生產(chǎn)、維護(hù)、使用過程中明確注意事項(xiàng)即可規(guī)避機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置外部誤差，采用視情標(biāo)定提示和自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的內(nèi)部誤差補(bǔ)償，通過采用多數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)可規(guī)避導(dǎo)航管理誤差。