【《飞机的惯性导航技术综述》5700字】

飞机的惯性导航技术综述惯性导航技术时最初的导航手段，也是最可靠，最有效的手段。那些最基本的惯性导航对于飞机的一些信息显示特别的重要。虽然在使用时也会有一些局限性，但是，在每一架飞机的导航中，安全飞行中都有重要的作用。1.1惯性导航的概念、特点、分类及基本原理惯性导航就是一种不依赖任何外部信息、也不需要向外部辐射能量来获取信息的自主式导航系统。其最基本的原理就是利用牛顿所创造的力学原理为基础，通过计算飞机在建立的坐标系中的加速度，进行一个简单的计算，就能够得到在仪表上显示出飞机当前的速度、偏航角和位置等导航信息。飞机的惯性导航是我们目前使用的比较独特的导航方法，其中不依赖外部信息源就是最特别的一点，与其他那种对飞机的位置进行导航的技术相反，惯性导航就是飞机本身相对于移动平台的初始导航状态以相对的意义执行导航。因此，惯性导航系统不容易受到外界信息的干扰或欺骗。这也就说明惯性导航就是一种独立的导航技术，主要是用加速度计和陀螺仪进行测量，然后将这些测量出来的信息和你需要对比的信息进行比较，就可以得到起点，方向和速度的位置和方向。–四种类型的传感器：•皮托管•静压传感器•迎角传感器•总气温传感器这些传感器被电加热到防止结冰。惯性导航系统的组成：惯性导航的基本测量设备就通常包含三个相互垂直安装的陀螺仪和三个相互垂直安装的加速度计，就可以准确的得到飞机的角速度和线性加速度。飞机上的计算机或者机械设备通过处理来自这些测量元件的信号，就可以得到飞机的实时位置和当前的方向。目前民用飞机上的惯性导航系统必须至少要包括测量信息和数据的测量原件，读取和计算这些测量信息的计算机还要有固定的加速度计，陀螺仪或其他可以测量飞机所需要的信息的原件。惯性传感器细分来又包括运动转换机构，信号条件机构和传感器读出组件。民用飞机的惯性导航系统的种类：我们通常可以把飞机上的惯性导航系统就分为，为平台式惯性导航和捷联式惯性导航这两类惯性平台。1.1.1平台式惯性导航系统其中最初的平台式惯性导航系统：主要有一个三个方向轴陀螺的稳定平台，飞机的加速度计固定在平台上，其平台式导航的敏感轴与平台轴必须要保持平行，但是存在的问题就是，安装在平台式的惯性导航的三根稳定轴是一种导航坐标系。它的内部结构非常复杂，体积也非常大，制作成本也会相对会高一点。平台式的那种惯性导航采用物理平台模拟导航坐标系统，即将所需的加速度计安装在由陀螺仪控制的稳定平台上，让平台始终保持导航坐标系姿态不变。而捷联式惯性导航采用数学算法确定导航坐标系，即将加速度计和陀螺仪直接安装在运载体上，确定运载体的速度、位置以及姿态、航向等信息。这种基本的导航方式，对每一个飞行员在获取飞机导航信息和飞行安全都至关重要。当前民用飞机的惯性导航系统是用获取的导航信息来进行导航。飞机中安装有符合标准的运动传感器和陀螺仪，通过这些仪表持续不断的计算这些信息来得到自己的位置，方向和速度。根本不需要得到任何的外部参考，然后通过简单的运算就计算出惯性导航系统（INS）的更新位置和速度。平台式惯性导航系统的五个基本组件是：（1）三个线性加速度计正交排列以提供飞机X，Y和Z轴加速度分量。滚转偏航俯仰滚转偏航俯仰1.1.1飞机的三个轴和加速度的信息1.1.1飞机的三个轴和加速度的信息线性加速度计：加速度测量装置是所有惯性系统的核心。重要的是，它们必须在飞机的能力范围内对所有机动操作可靠地起作用，并且应将所有可能的错误源减至最少。必须检测到所有方向上的微小加速度和航向变化。温度和压力的变化不得影响INS的运行。为此，INS需要两种类型的加速度计：线性和角度。最简单的线性加速度计类型包括一个可绕仪器中的枢轴自由旋转的摆锤。有一个电传感器将摆动质量围绕其枢轴的旋转转换为输出信号。该输出信号用于使摆锤扭转以将其保持在原始位置，并且由于该信号与测得的加速度成比例，因此将其作为加速度输出信号发送到导航计算机。为了获得所有方向的加速度，三个加速度计以固定的方向相互垂直安装。为了将加速度转换成有用的信息，必须对加速度信号进行积分以产生速度，然后对速度信息进行积分以获得行进的距离。线性加速度计测得的力之一是重力。如果稳定平台相对于局部重力矢量倾斜，则该加速度可能会错误地解释为飞机的加速度。加速度计无法区分实际加速度和重力。这意味着，稳定平台上的线性加速度计必须相对于地球表面保持水平。（2）陀螺仪可测量并利用飞机矢量的变化来维持和调整稳定平台的方向。陀螺仪，是一种基于角动量守恒的理论，用来感测与维持方向的装置。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。由于转子的角动量，陀螺仪一旦开始旋转，即有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。惯性导航需要一个稳定的平台，并具有更高的精度指标。装有加速度计的陀螺稳定平台称为稳定元件。它通过三个同心的万向节与飞机的角运动隔离开来。稳定的元件是线性加速度计，陀螺仪和其他支持设备的安装。配套设备包括扭矩电机，伺服电机，传感器，放大器和接线。稳定平台的有效性取决于平台的所有部分，而不仅仅是加速度计和陀螺仪。线性加速度计可测量所有方向的加速度，而陀螺仪可控制平台的方向。平台必须包含至少两个具有两个自由度的陀螺仪。图1.1.2陀螺仪的基本安装显示图1.1.2陀螺仪的基本安装显示图1.1.2不管陀螺的位置如何，旋转轴都指向恒定的方向图1.1.3姿态指示仪，陀螺仪原理的代表图1.1.2不管陀螺的位置如何，旋转轴都指向恒定的方向图1.1.3姿态指示仪，陀螺仪原理的代表（3）一个稳定的平台，其方向是使X和Y轴线性加速度计保持南北向和东西向，以提供方位角方向，并使Z轴与局部重力矢量对齐。稳定的平台对于防止X或Y轴加速度计接收重力并将其解释为飞机上的加速度是必不可少的。（4）积分器将原始加速度数据转换为速度和距离数据。一般会通过计算机来进行计算得出所需要的结果。（5）连续计算位置信息的计算机。线性加速度计可测量所有方向的加速度，而陀螺仪可控制平台的方向。平台必须包含至少两个具有两个自由度的陀螺仪。我们要利用的陀螺仪的理想特性是其空间稳定性。旋转的陀螺仪倾向于保持其原始位置。在空间中对齐的自由旋转陀螺仪倾向于保持指向同一方向，除非有力作用在陀螺仪上。在稳定平台上，陀螺仪中的电传感器可感测到稳定元件相对于其参考系的任何位移。这些电信号被放大并用于驱动平台万向节，以将稳定元件重新对准原始位置。下面的表格就是具体的工作指示路径。图1.1.4平台式惯性导航的工作流程示意图图1.1.4平台式惯性导航的工作流程示意图1.1.2飞机捷联模式的惯性导航系统民用飞机捷联式惯性导航系统：基本的特点就是安装起来没有稳定的安装平台，在飞机的安装载体上直接把加速度计和陀螺仪安装在合适的位置上，然后获取所需要的信息，利用计算计算出飞机的信息，就是飞机载体在飞机设计的坐标系中的位置关系，利用这些加速度信息，得出来的导航信息，特点就是设备安装比较轻，得出的信息比较准确可靠，功能性也强，制作的成本也低，基于这些特点和优势，在飞机上的惯性导航都采取这种方式。轻型数字计算机允许该系统消除万向架，从而创建了捷联系统，之所以这样称呼是因为它们的传感器只是简单地绑在了飞机上。这样可以降低成本，无需进行某些校准，并通过消除一些活动部件来提高可靠性。民用飞机的捷联式惯性导航的主要优势就是：这种导航获得的信息是不需要任何外部的设备来进行协助，也不用向外部的导航台来发射信息，只要飞机装载正确，就不会受到外界的干扰，是一种自己靠自己的设备原件的导航系统。捷联式惯性导航系统主要由三个组成加速度计和陀螺仪组成。每个加速度计都测量飞机在三个方向上行驶，而三个陀螺仪用于获取信息关于飞机所面对的方向。随着这些传感器的信息，航向，速度以计算出飞机的位置。三个陀螺仪可以感应到横滚，俯仰和偏航的速率；三个加速度计可检测沿每个飞机轴的加速度。它集成了它们以获得方向，然后数学地计算了加速度。我们把捷联式惯性导航系统和平台式惯性导航系统的主要差距就是有以下两个方面：①首先在安装上去掉了惯性元件安装平台这一方面，在飞机上直接安装所需要的陀螺仪和加速度计，这样就让这个惯性导航系统体积变的更小、由于不需要平台后，重量也会降低轻、所需的元件式电子校对和驱动的，所以安装维护的成本低、维护起来也会更加方便。但是由于飞机上的陀螺仪和加速度计会随着飞机的震动和冲击，就会产生一些误差，就需要更高的要求。②相比较平台式惯性导航，捷联式惯性导航需要用更加先进的计算机对飞机上的信息进行计算，再加上仪表的显示，飞行员就可以直接读出飞机得位置，高度，速度等信息。1.1.3惯性导航的优势和限制的比较惯性导航的优势主要有以下几个方面：惯性导航系统明显减少了系统的成本和大小，并且没有需要任何外部输入或设备。而且测量的结果更加精确，获得的信息也更加让人信服。只需很少的活动部件，束缚式系统就更易于维护，并且随着时间的推移更加可靠。他们确实需要更精确的陀螺仪和更大的计算能力。但是，降低成本，尺寸，重量和可靠性的优势使这些系统成为飞机惯性导航的首选。惯性导航显示的信息不需要外界的设备进行辅助，这也是飞机必须具备的条件。惯性导航系统通常也有以下具体的缺点:飞行前，惯性导航系统必须校准或对齐，以确保准确。导航测量这种对齐方法很容易实现，现有的机载计算机，但要求非常高精密陀螺仪和加速度计。因为高质量传感器就需要高昂成本。但是，由于到制造中的错误和传播中的错误在机载计算中，惯性导航系统精度会随着时间而漂移；发生这种情况的原因可能多种不同。通常，惯导系统并不是商业客机的唯一导航手段。可以通过频繁更新GPS和地面导航设备的位置来减少INS位置错误。在确定飞机位置时，倾向于将GPS优先于惯性导航系统。但是，当GPS信号丢失或变得不可靠时，惯性导航系统可以保持有用的位置精度，直到GPS接收改善为止。惯性导航就是一种飞机的机械信息的显示，其中的机械会随时间的增长而出现磨损和误差，如果这种机械显示的工作太久，误差会越来越大，最后导航的信息就没有办法让人信服。另外的就是在校准的时候，操作必须规范，一旦出现误差，错误就会越来越多，最后导航信息就没法让人相信。在稳定的平台惯性导航系统中，这些缺陷存在于陀螺轴承和质量不平衡内。在捷联式设备中,加速度计中的微小缺陷会导致加速度感测中的微小误差，并且这些信号的积分会加剧这些误差，首先是速度，然后是距离。这称为集成漂移。陀螺仪将尝试保持其与地球的原始对准。当飞机在全球范围内飞行时，局部水平参考会发生变化，这将与陀螺仪形成一个角度。通常可以通过INS纬度和经度得出的信号进行校正。当惯性平台在任何一个平面上加速时，它不仅可以检测到这种线性加速度，平台将倾斜并检测重力分量，从而增加感测到的线性加速度。在减速过程中，情况恰恰相反。惯性导航系统也将尝试以与补偿运输漂移相同的方式来补偿这种额外的倾斜。像固定检测地球的自转以确定其纬度和方向一样，它在移动时也可以检测到该自转。检测到的最终运动将是飞机运动和地球自转的结合。这些误差很小，可以弥补。科里奥利当飞机从A到B在全球范围内飞行时，它实际上会遵循一条弯曲的路径（或一系列较短的弯曲路径）。惯性导航系统将检测到这是转弯（有点像摆在转弯中摆动），并且可能会引入错误。再加上地球本身的自转，根据经纬度的不同，地球表面的加速度会对飞机的惯性导航的测量元件产生影响。当然，天气的因素也会有影响，例如风速，风向，飞机的高度，大气的湿度对飞机的指标也会有误差。1.1.5捷联式惯性导航在飞机的具体工作示意图。。1.1.5捷联式惯性导航在飞机的具体工作示意图。1.2惯性导航的应用惯性导航有广泛的应用，基本上所有的飞机都必须安装惯性导航系统，这些装置使惯性导航系统成为飞机飞向更远的地方的一方面坚实的保证。不管是平台式惯性导航系统还是捷联式惯性导航系统都在不同的飞机上发挥着自己的重要作用。对飞机的姿态，航向，都有一个重要的指示。虽然说，惯性导航在实际的使用过程中会有很多的限制，但是人们在合理的改进和修改之后，惯性导航的指示信息的准确性，实时性会提高很多。所以在这种惯性导航的方式是每一架飞机必须必备的。再加上，任何其他的导航方式都不能保证在信息的传递过程中不出现问题，无线电导航在传播过程中可能会被阻碍，或者无线电导航台工作出现问题，就会让飞机接收不到信息，再或者在卫星导航的过程中，卫星因为某种因素的干扰，出现导航的误差，这些对于飞机的飞行安全都有重要的影响，因此我们飞机上那些不用接收任何的外部信息就可以自己获取飞机的实时信息的最基础的惯性导航方式就是保证飞行安全的最后防线和安全防线。1.3自身学习经验对其看法..在刚开始学习飞行的过程中，由于是初学者，无法掌握那些比较先进的导航技术，通常我们会在教员的帮助下进行惯性仪表加上目视进行飞行训练。每次飞行都需要结合惯性导航系统来确定飞机的位置，高度，航向等信息。在我们的飞行训练中，就需要对飞机得预定航线进行计算和设计，但是，我们的飞机相对于地面的移动速度快，而且飞行的目的地距离也更加远，长时间的飞行也可能让飞机偏离预先设计好的航线。惯性导航在初学飞行的时候，作为飞行员的我们，读取每个时刻的惯性单行仪表显示的信息，在与地面上的地标信息进行一个