新型捷联航姿系统与传统航姿系统的对比浅析

摘 要：航姿系统作为飞机主导航系统的备份系统，是飞机上比较重要的电子设备，此系统的性能指标将直接关系到飞机的飞行安全和综合性能。本文阐述了新型捷联航姿系统工作原理，并将其与传统航姿系统进行对比，通过在某型飞机上应用证明了新型捷联航姿系统的先进性和实用性。

关键词：捷联航姿;对比;应用

1 绪论

航向姿态系统是飞机的备份航向姿态辅助系统，当飞机主导航系统故障时，向机上其它电子设备提供飞机的俯仰角、横滚角、航向角信息，确保飞行安全。

国内早期设计的飞机上配备的航姿系统主要是由航向陀螺和垂直陀螺两大部件组成的航向姿态系统，它是以框架式陀螺为基础的机电仪表，一般作为飞机的主要导航系统，在装有惯导系统的飞机上一般作为备份导航系统。随着航空电子技术的发展，尤其是微机械技术的发展，出现了无框架的捷联航姿系统，它以其结构简单，体积小，可靠性高等特点，逐漸取代了老一代航姿系统，成为众多飞机的主要或备份导航系统。

2 传统航姿系统的原理及功能

传统的航姿系统其姿态信息和航向信息是分别由两个独立的部件完成的，其中垂直陀螺感受并输出飞机的俯仰、倾斜角度，航向陀螺感受并输出飞机的航向角度。

2.1 传统航姿系统主要设备作用原理

2.1.1 垂直陀螺

垂直陀螺是由三自由度陀螺仪、托架随动系统、锁定机构、倾斜和俯仰机构修正系统等主要部分组成的。

三自由度陀螺仪是垂直陀螺的基础部分，它由陀螺马达、内环架和外环架构成。它的核心是一个绕自转轴作高速旋转的转子，转子借助自转轴承安装于内环中，内环借助内环轴上一对轴承安装于外环中，外环借助外环轴上的一对轴承安装于基座上。自转轴线与内环轴线垂直且相交，内环轴线与外环轴线垂直且相交。进入正常工作状态时，外环架轴平行于飞机横轴，并作为飞机俯仰角的测量轴，陀螺马达自转轴具有定轴性并依靠修正装置保持在当地的地垂线位置。

陀螺仪基本结构，随动托架由随动系统驱动，使陀螺马达自转轴、内环轴、外环轴之间始终保持垂直关系。随动环轴与飞机纵轴相平行，并作为飞机倾斜角的测量轴。

陀螺仪主轴的垂直位置由修正系统保证。修正系统由固定在陀螺组合件下面的液体修正开关位于万向支架内环轴上的纵向修正马达和位于外环轴上的横向修正马达等主要部分组成。当陀螺仪主轴偏离垂直位置时，液体修正开关输出电压信号，使相应的修正马达工作，陀螺仪主轴便恢复到垂直位置。

垂直陀螺结构原理，飞机在机动飞行时，为了提高倾斜和俯仰指示的精度，必须停止对陀螺仪的修正。飞机在转弯时的横向修正电路用角速度信号器和横向修正断开开关断开。在有纵向加速度作用时，纵向修正电路用位于陀螺仪上的液体纵向断开开关断开。角速度信号器的工作原理是利用二自由度陀螺仪为敏感元件，感受转弯角速度，并变换为电信号后，加到延时机构上。

2.1.2 航向陀螺

航向陀螺是三自由度陀螺仪，工作原理与垂直陀螺相同，它还有两个随动框架保持陀螺仪万向支架外环轴对地垂线的稳定。两个随动框架由垂直陀螺给出倾斜信号和俯仰信号（由放大器将信号放大）进行修正，而构成倾斜和俯仰随动系统。

为了提高航向精度，一般将航向陀螺与磁航向修正系统传感器配套使用。感应式磁航向传感器是磁航向修正系统的中心部件，它感受飞机相对于磁子午线的夹角，并输出与之相对应的信号到修正系统中，以此修正航向陀螺发出的航向信号。

2.2 传统航姿系统主要功能

传统航姿系统以ARINC407标准同步器形式向电子飞行仪表等系统提供飞机的航向姿态信号。

3 捷联航姿系统原理及功能

捷联航姿系统相比机械陀螺相比没有实际的惯性平台。惯性传感器（陀螺仪和加速度计）直接固连在平台上。

某型飞机的捷联航姿系统由航向计算机、磁传感器和GPS天线构成，通过航向姿态计算机内部的IMU感受并输出沿机体三个轴向的角速度和线加速度信号，然后将IMU的输出信号与磁传感器输出的航向信号以及GPS信息组合，经航姿解算，输出俯仰、横滚、航向信息，送到机上其他航电设备。

3.1 捷联航姿系统主要设备作用原理

航姿计算机由惯性测量单元（IMU）、航姿解算板、数字-同步器信号转换板、GPS接收板、电源转换盒、母板、箱体、2个接口和安装架组成。

航姿计算机通过接口1获得直流+28V及交流26V/400Hz电压，电源转换盒为计算机内各部件提供电源并向外输出磁传感器工作所需的+8V直流电压。航姿计算板采集计算机内、外部的传感器测量数据，对其进行误差补偿之后完成组合航姿解算。解算结果由接口1分两路输出：一路通过ARINC429数据总线输出，另一路通过D/S转换板以ARINC407信号的形式分别输出给其他设备。

3.2 捷联航姿系统主要功能

a）计算出飞机的姿态角和磁航向角，并以ARINC407标准同步器形式（电压范围11.8V/400Hz）输出;

b）以符合HB6096-86标准（以下简称429）的数据形式输出飞机的角速度、加速度、航姿角以及GPS信息;

c）系统具有上电自检、启动自检和周期自检功能;

d）系统可提供航姿有效离散量输出。

4 结论

综上所述，捷联航姿系统组件少、重量轻、精度高、体积小、操作简单、维修性好等性能优点能更好满足飞机的使用需求，能更好满足目前以及未来飞机减重的要求，是未来飞机航姿系统的主流;传统的机械式航姿系统将逐渐退出历史的舞台。

参考文献：

[1]樊尚春，吕俊芳，张庆荣，闫蓓.航空测试系统.北京航空航天大学出版社，2005，7.

[2]刘建业，曾庆化，赵伟，熊智，等.导航系统理论与应用.西北工业大学出版社，2010，3.

作者简介：沈惠秋（1985-），女，汉族，江苏南通人，本科，设计员，工程师，研究方向：飞机航电系统。