惯性导航系统导航原理

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惯性导航系统是利用加速度计和陀螺仪测量物体的加速度和角速度，利用计算机连续估计运动物体的位置、姿态和速度的辅助导航系统。它不需要外部参考系统，常用于飞机、潜艇、导弹和各种航天器。惯性导航系统至少包括计算机和包含加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台(或模块)。开始时，外部世界(运营商和GPS接收机等。)向惯性导航系统提供初始位置和速度，然后惯性导航系统通过整合和计算运动传感器的信息来不断更新当前位置和速度。其优点是在给定初始条件后，无需外部参考即可确定当前位置、方向和速度。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(如向东或向西运动)、速度变化(速度大小或方向)和姿态变化(绕各轴旋转)。

大气数据惯性基准

在737NG机型上，通过大气数据惯性参考系统ADIRS实现。

ADIRS向机组和飞机系统提供高度、空速度、温度、航向、姿态和当前位置的数据信息。整个系统包括大气数据部件ADM、总温探头TAT、迎角传感器AOA、惯性系统显示部件ISDU、模式选择部件MSU、大气数据惯性基准部件ADIRU和IRS主告警部件，其中最关键的部件是大气数据惯性基准部件ADIRU，它是主要的数据处理和计算单元。每个大气数据惯性参考单元ADirU由大气数据参考单元ADR和惯性参考单元IR组成。每个ADIRU中的ADR和IR系统独立工作，一个系统的故障不会导致另一个系统的故障。

大气数据参考模块ADR接收由惯性参考模块IR提供的俯仰、横滚、垂直速度和加速度数据。使用ADR的这些IR数据来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力源误差修正计算的一部分。静压和总压来自大气数据模块ADM。在ADR处理器接收数据之前，大气数据组件ADM将总温度TAT和AOA数据从模拟数据转换为数字数据。

惯性显示组件ISDU或飞行管理计算机FMC向惯性基准组件的红外处理器提供初始位置数据。模式选择组件MSU用于选择操作模式。陀螺仪和加速度计向红外处理器提供运动数据。为ADR处理器提供高度、高度变化率和真实空速度。使用来自IR的ADR数据作为惯性高度、垂直速度和风力计算的一部分。

惯性基准的工作原理

惯性参考IR有三个加速度计和三个激光陀螺仪，可以感知运动和角运动。利用红外加速度计和陀螺仪测量飞机的加速度和角速度。因为速度积分是两次位移，角速度积分是角姿态，所以可以通过上面的积分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)。简单来说，在得到的初始坐标上加上积分位移得到新的坐标，加上初始角度和积分角位移得到新的角度，这样就可以通过初始位置信息得到当前的实时位置信息。

三个加速度计位于飞行器的X轴、Y轴和Z轴上，用于测量三个轴上的加速度信息。分别对应于旋转轴(X，Y，Z)的三个环形激光陀螺仪提供内部旋转数据。

1个加速度计

在弹簧质点系中，当壳体(与飞机结构固定在一起)有沿飞机速度轴的加速度时，惯性力(等力)作用在惯性质量上使其运动，直至与弹簧的回复力平衡，电位器有与惯性力成正比的信号输出，从而可以测出载体的加速度。

在737NG飞机上，加速度计是由两个弹簧夹在外壳中心的一种物质。当飞机加速时，材料从中心移动，并通过传感器发送电信号。放大器放大信号，并将其发送到重新定心线圈，该线圈将物质移回中心。保持材料居中所需的信号数量与飞机的加速度成正比。IR处理器将反馈信号与时间积分以计算速度，然后将计算的速度与时间积分以计算飞行距离。然后，红外处理器将飞行距离加到初始位置，以计算当前位置。

2激光陀螺仪-萨尼亚克效应

Sagnac效应可以用半径为R的圆形光路来说明，如图所示:两束光同时从圆形光路的某个位置A以相反的方向射出，分别以光速C传播。

如果环路静止，两束光经过2πR的距离后同时回到位置A，两束光之间没有相位差；

如果圆环以角速度ω顺时针旋转，则光从A顺时针传播到原来的地方所需的时间为T，因为圆环旋转，在T时间内旋转的角度为ω t(即A移动到B)，所以对于顺时针光束，圆环传播的光程L实际上变成L = 2π r+δ l = 2π r+Rω t = CT，所以T = 2π r/(同理，对于逆时针光，有L # 39= 2πR-δL = 2πR-Rωt # 39；= c # 39t # 39因此，t # 39= 2πR/(c # 39；+rω).因为同一介质中两个方向的光速相等，即c = c # 39=C，(C为相同介质中的光速)因此，δt = t-t # 39；= 4πωR2/(C2-R2ω2)≈4πωR2/C2 = 4ω/C2，(其中c02=c2=c*c，A为光路面积)，对应的相位差为δ φ = 8π A ω/C λ，与介质无关，其中λ为光在同一介质中的波长。

激光陀螺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，从同一光源发出的顺时针和逆时针方向传播的两束光相互干涉。通过检测相位差或干涉条纹的变化，可以测量闭合光路的旋转角速度。激光陀螺的基本元件是环形激光器，它由一个三角形或正方形的应时制成的闭合光路，一个或几个充有混合气体(He-Ne气体)的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明的反射镜组成。混合气体由高频电源或DC电源激发产生单色激光。为了保持环的谐振，环的周长应该是光波波长的整数倍。激光由半透半反镜引出环路，两束反向传输的激光由反射镜干涉，光电探测器和电路输入与输出角度成正比的数字信号。

飞机上电后，惯性参考系只有经过惯性导航标定才能正常工作，其本质是设定初始位置。

ADIRU利用Z轴加速度计的重力，然后通过三轴陀螺仪和加速度计感知地球自转的线速度。然后利用地球的速度和重力计算出当地的垂线和真北。每个纬度的旋转角速度相同，但线速度不同。飞机的自转线速度在赤道是最快的，越靠近两极感觉越慢，所以可以根据测得的自转线速度来确定纬度信息。

但是经度信息无法通过测量和计算获得，需要手动输入位置信息。ADIRU测量这些值并与输入的纬度信息进行比较后，结合输入的经度信息，ADIRU完成对真北的校准，然后准备导航。ADIRS的校准时间会根据当地的纬度而变化。ADIRS校准时间从赤道的最短5分钟到78.25度(北纬或南纬)的最长17分钟不等。如果当前位置的纬度在北纬60.0度和南纬60.0度之间，则校准时间不会超过10分钟。在北纬60.0度和南纬70.2度之间，校准时间固定为10分钟。在北纬70.2度和南纬78.25度之间，校准时间固定在17分钟。在北纬78.25°或南纬78.25°以上的纬度不能进行惯性导航校准。

3惯性导航校准

使用模式选择组件MSU上的模式选择器启动ADIRU校准。将选择器从OFF位移到NAV位。左选择器控制左ADIRU，右选择器控制右ADIRU。

DC灯亮5秒钟。在此期间，ADIRU将检查其DC电源。5秒钟后，DC指示灯熄灭，校准指示灯点亮。ADIRU现在处于校准模式。

如果ADIRU在校准模式下探测到飞机移动，校准程序将停止。停止后，将开始新的校准。

校准期间必须输入ADIRU的当前位置数据。ADIRU计算当前位置的纬度，但不能计算当前位置的经度。它使用输入的纬度和经度。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。

您可以使用惯性系统显示单元ISDU或FMCS CDU输入当前位置数据。如果两个adiru都处于校准模式，只需输入一次数据，数据就会传输到两个adiru。

如果输入错误，可以重新输入数据，ADIRU会使用上次输入的数据。

4通过CDU查看维修信息

ADIRS可以通过飞行管理计算机控制CDU看到的维修信息。从维护咬合索引中选择ADIRS，并在4L行中选择键以显示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/当前状态、飞行故障/红外故障、地面测试/地面测试、识别/配置/识别/配置。“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个航段的故障，每个航段最多可以存储26个故障。如果地面发生故障，它将被存储为当前故障。如果故障存在于新航段的开始，ADIRU将故障存储在新航段中。

接地测试包括IR接地测试和ADR接地测试。

在红外测试中，如果地速超过20节或红外处于姿态模式，红外地面测试将不运行。测试开始时，MSU和ISDU上的所有指示灯都亮2秒钟。在2到10秒内，所有红外数据将失效，使用红外数据的部件和显示器将显示故障标志和故障状态。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地面测试的第2和第3页上，然后检查驾驶舱显示以验证测试值。

ADR测试如果计算的空速度超过30节，ADR地面测试将被抑制。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数据将无效。使用ADR数据的部件和显示器显示故障标志和故障状态。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地面测试的第2页，然后检查驾驶舱显示以验证测试值。

ADIRU硬件零件号和序列号可在IDENT/CONFIG页面查看。

文章来自微信官方账号:九号机车吴。

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