机载捷联惯性导航装置误差特性及分析

刘俊杰,刘中平,陈　健（中航飞机研发中心综合航电设计研究所,陕西　汉中　723000）

机载捷联惯性导航装置误差特性及分析

刘俊杰,刘中平,陈健
（中航飞机研发中心综合航电设计研究所,陕西汉中723000）

摘要:本文根据机载捷联惯性导航装置的工作原理，结合当前国产飞机导航系统的配置特点，对机载捷联惯性导航装置的各类误差进行了分析。

关键词:捷联惯性导航；误差;飞行管理系统

1　概述

目前未配备飞行管理系统的国产飞机中主要采用机载捷联惯性导航装置作为自主远距导航设备，机载捷联惯性导航装置能在飞行过程中连续实时的测量并计算飞机的即时位置、速度、加速度、角速度、角加速度、真/磁航向、姿态等载机运动信息，并通过数据总线向综合显示系统、飞行控制系统以及飞行数据记录系统等机载设备发送待飞时间/距离、惯性气压高度、偏航距、偏航角、操纵信号等导航信息。

机载捷联惯性导航装置的精度对完成飞行任务及飞机的精确控制起到了至关重要的作用。如何在捷联惯性导航装置的使用中尽可能的保证其载机运动信息及导航信息的精度成为了一项重要研究工作。

2　误差分析

机载捷联惯性导航装置计算的导航信息分别对应三类误差，即外部误差、内部误差和导航管理误差。以下就从这三方面对机载捷联惯性导航装置的误差进行分析。

2.1外部误差分析

机载捷联惯性导航装置的外部误差主要有安装误差，对准时的输入误差及飞机运动时的振动误差等。

2.1.1安装误差

机载捷联惯性导航装置安装时由于安装角度偏差而引起的误差称为安装误差。

2.1.2对准时的输入误差

机载捷联惯性导航装置初始对准的实质就是确定初始时刻的姿态阵，包含如下两个内容：

（1）粗对准，在这一阶段，依靠重力矢量及地球速率矢量的测量值，直接估算从机体坐标系到导航参考坐标系的变换矩阵；

（2）精对准，在这一阶段，通过处理惯性仪表的输出信号，精校计算的参考系与真实参考系间的小失准角，建立精确地初始变换矩阵。

对准时的精度直接影响机载捷联惯性导航装置转导航后的导航精度，对准时的输入误差主要由如下两种因素带来：

（1）初始条件误差是由于初始条件的不准确而引起的系统误差，初始条件误差将引起常值的经度误差，以及设备的其它振荡误差。当初始位置误差较大时，对准时的陀螺漂移较大，直接影响载机运动信息的精度。当陀螺漂移超过一定门限值时，机载捷联惯性导航装置将会无法通过对准。

（2）对准时飞机运动也会影响机载捷联惯性导航装置的精度。

2.1.3飞机运动时振动误差

机载捷联惯性导航装置通过安装在飞机支架上的机载捷联惯性导航装置安装托架固定，捷联惯性导航装置内的陀螺和加速度计相当于直接固连于机体上，直接承受振动和冲击。因此，用于固定捷联惯性导航装置的安装支架其振动特性决定了机载捷联惯性导航装置的精度。

2.2内部误差分析

机载捷联惯性导航装置内陀螺仪和加速度计本身的误差会随着使用时间的增加会不断增大，进而影响捷联惯性导航装置的精度。当捷联惯性导航装置精度超差时必须通过离位标定修正其误差，地面测试设备可定期对捷联惯性导航装置精度进行标定，但在正常使用过程中如何判断捷联惯性导航装置是否降低精度需要标定仍是一个重要的研究课题。

2.3导航管理误差分析

在未配备飞行管理系统的飞机上，对于双非相似余度配置的机载捷联惯性导航装置，如果加载的航路点信息不一致，即会出现导航误差。

由于两部非相似余度配置惯性机载导航装置对于切线转弯时机的把握不一致，导致自动导航及航线导航方式下，航段切换不一致，两部捷联惯性导航装置输出的导航信息也就不一致。甚至在极端情况下，飞机按一部捷联惯性导航装置切换航段飞行后因偏离了前一航段，导致另外一部捷联惯性导航装置始终无法切换到该航段。

3　误差消除或规避

3.1外部误差

安装误差可通过软件修订进行消除，修订后的安装误差存储于机载捷联惯性导航装置的非易失存储器内。但需注意的是，在更换捷联惯性导航装置时，需记录安装误差并将该误差修订于更换后的捷联惯性导航装置内。

关于对准时的输入误差，目前机载捷联惯性导航装置已具有扰动基座对准的能力，可在飞机人员上下及进行通常飞行准备工作条件下完成对准，但飞机较大幅度的抖动仍会影响对准时的精度。

机载捷联惯性导航装置外部误差主要来源于人为因素，在生产、维护、使用过程中明确注意事项即可规避。

3.2内部误差

目前，部分机载捷联惯性导航装置产品已具有视情标定提示功能，以卫星数据为基准计算纯惯性导航位置精度误差。当机载捷联惯性导航装置精度超差自动输出提示信息，此时需进行离位标定。当前正在研究的课题还有自动标定功能，即利用卫星导航数据标定出陀螺、加速度计的误差参数，用于系统补偿。

上述两种方法代表了内部误差消除或规避的两种解决思路，对设备的精度进行监控，超差后提示进行标定；自动标定则使机载捷联惯性导航装置始终能满足精度要求。

机载捷联惯性导航装置内陀螺仪和加速度计本身的误差导致推算捷联惯性导航装置存在随时间而不断增加的误差，导航精度将随时间而发散。通过与卫星导航系统的浅组合，既可修正机载捷联惯性导航装置的位置误差，又可修正由于卫星切换导致位置输出时的阶跃干扰。但当捷联惯性导航装置误差增长速度大于卫星导航对位置误差的修正门限时，则会导致组合导航出现较大误差，无法修正到卫星导航的位置。

机载捷联惯性导航装置与卫星导航系统的浅组合模式因卫星导航的易受干扰性对惯导系统的精度有较大影响。目前国内已有机载捷联惯性导航装置与卫星导航系统的深组合模式，卫星导航接收机不仅能较快地捕获，而且能跟踪导航卫星，提高了其抗干扰能力。

3.3导航管理误差

导航管理误差的核心在于双余度或多余度导航设备输出的统一性，即姿态、位置精度在误差要求范围之内的情况下，如何保证机载捷联惯性导航装置对于航路解算的唯一性。

不同的机载捷联惯性导航装置尤其是不同厂家生产的设备对于航路解算的处理方式不同，对于判据、阀值的要求也不同，因此航路解算不具备唯一性，通过采用多数据融合处理技术可解决此问题。

4　结束语

通过在生产、维护、使用过程中明确注意事项即可规避机载捷联惯性导航装置外部误差，采用视情标定提示和自动标定技术可实现机载捷联惯性导航装置的内部误差补偿，通过采用多数据融合处理技术可规避导航管理误差。