A320飞机惯性导航系统校准分析与维护

A320飞机惯性导航系统校准分析与维护惯性导航是指利用惯性敏感元件测量航行体相对于惯性空间的线运动和角运动参数，在给定初始条件的情况下，由计算机推算出航行体的姿态、方位、速度、位置等导航参数，以引导航行体完成预定航行任务。这种建立在牛顿力学基础上的导航方法不依赖于任何外界信息，不受自然或人为因素的干扰，具有很好的隐蔽性，在航海、航空、航天等领域得到了广泛应用。惯性导航由于采用积分计算，其定位误差随时间而积累。目前普遍采用将惯性导航与其他种类的导航相组合的办法，这种组合能取各种导航方法之长，大大提高导航系统整体的定位精度和性能，是一种较为理想的导航方式。关键词：ADIRU校准维护我公司执管A320系列飞机采用惯性导航、无线电导航或惯性导航、卫星导航的组合导航方式，其中惯性导航系统采用捷联式惯性导航系统。系统的核心部件为三个惯性基准组件（IR），每个惯性基准组件已与相应的大气数据基准组件（ADR）组合在一起，称为大气数据惯性基准组件（ADIRU）。每个IR内均有三个激光陀螺和三个加速度计，分别用来测量绕飞机三轴的角加速度和沿飞机三轴的线加速度，测得的加速度信号经微处理器计算后，可以得到飞机各种各样的导航参数，这些参数一方面在各种显示仪表上显示，供飞行人员使用，另一方面传送至其他许多系统和设备，以完成特定的功能。每套惯性导航系统均有两种工作方式，导航方式和姿态方式。导航方式是系统的正常工作方式，系统能提供全部的导航参数；姿态方式是系统导航计算功能失效后的减精度工作方式，此时系统仅能提供飞机的姿态和航向信息。惯性导航系统进入导航工作方式前，必须进行校准。这是因为惯导系统采用的是积分计算，在进行计算前，系统必须知道飞机的初始状态。在校准过程中，系统寻找飞机所在处的地垂线，并确定当地的真北方位，从而获得飞机的初始姿态和初始方位信息。惯性导航系统通常有两种校准方式，正常校准和快速校准（又称反转校准）。正常校准飞机停在地面通电后，将惯导控制显示组件（CDU）上方式选择旋钮从OFF（关）位拔出置NAV（导航）位，系统在进行5秒钟的电瓶测试后即进入正常校准，CDU上校准（ALIGN）灯稳定地亮，飞机中央电子监控（ECAM）上显示屏显示IRSINALIGN7信息。此时，ADR提供的计算空速（CAS）、垂直速度（V/S）和气压高度（ALT）数据在正、副驾驶员位主飞行显示器（PFD）上显示。惯性导航系统的正常校准一般需10分钟，校准过程主要分为三个阶段；1.水平粗校准正常校准的头30秒为水平粗校准阶段，主要利用加速度计测量飞机的姿态角，即俯仰角和倾斜角。(1)利用纵向加速度计测量飞机的俯仰角飞机停在地面上，俯仰角为θ、倾斜角为０时，虽然沿飞机纵轴方向没有线加速度，但纵向加速度计壳体随飞机纵轴俯仰了θ角，此时加速度计的质量摆敏感到了重力加速度ｇ的分量ｇ·ｓｉｎθ输出信号Ｕｙ则Ｕｙ＝Ｋｙ·ｇ·sinθ(Ｋｙ为纵向加速度计比例系数）当俯仰角θ很小时，sinθ≈θ（θ单位为弧度）。θ=Ｕｙ/（Ｋｙ·ｇ）(2)利用横向加速度计测量飞机的倾斜角与上同理，飞机停在地面上，倾斜角为γ、俯仰角为0时，重力加速度ｇ沿飞机横轴的分量ｇ·sinγ被横向加速度计敏感到，输出信号Ｕｘ则Ｕｘ＝Ｋｘ·ｇ·sinγ（Ｋｘ为横向加速度计比例系数）。当倾斜角γ很小时，sinγ≈γ（γ单位为弧度）。γ=Ｕｘ/（Ｋｘ·ｇ)当飞机既有俯仰又有倾斜时，用上述公式测得的俯仰角为飞机真实俯仰角，测得的倾斜角为飞机非真实倾斜角（真实俯仰角为飞机纵轴与水平面之间的夹角，非真实倾斜角为飞机横轴与水平面之间的夹角）。30秒后，飞机的俯仰角和倾斜角被计算出来，正、副驾驶位的PFD上姿态旗消失，飞机符号及空地球出现，俯仰、倾斜刻度及指示被显示。2.陀螺-罗盘（或方位角）处理及水平精校准此阶段至少需要9分30秒，主要用于测量飞机的真航向角，并使用地球自转角速度的垂直分量计算出飞机所在处的纬度。(1)真航向角的测定假定飞机停在地面上，俯仰角、倾斜角均为0，真航向角为Ψ，飞机所在处纬度为Φ。由于飞机停在地面上，随地球一起自转，其自转角速度等于地球自转角速度ωｅ（ωｅ为15度/小时），ωe在飞机所在处水平面上的水平分量ωｅ·cosΦ在当地地垂线上的垂直分量为ωｅ·sinΦ。水平分量ωｅ·cosΦ又可以分解为沿飞机纵轴的分量ωｅ·cosΦ·cosΨ和沿飞机横轴的分量ωｅ·cosΦ·sinΨ这二个分量分别被纵向陀螺及横向陀螺所敏感，输出信号Ｖｙ和Ｖｘ则Ｖｙ＝Ｌｙ·ωｙ＝Ｌｙ·ωｅ·cosΦ·cosΨＶｘ＝Ｌｘ·ωｘ＝Ｌｘ·ωｅ·cosΦ·sinΨ(Ｌｙ为纵向陀螺比例系数、Ｌｘ为横向陀螺比例系数）。Ｖｘ/Ｖｙ＝Ｌｘ/Ｌｙ·tgΨΨ＝arctg[(Vx·Ｌｙ)/(Ｖｙ·Ｌｘ)](2)飞机所在处纬度的测定由上可知，垂直分量ωｅ·sinΦ可被垂直陀螺敏感到，输出信号ＶＺ则ＶＺ＝ＬＺ·ωｅ·sinΦ（ＬＺ为垂直陀螺比例系数）Φｃａｌ＝arcsin[ＶＺ/(ＬＺ．ωｅ)]考虑到飞机停放时，θ、γ不一定为零，故上述所得Ψ、Φｃａｌ为近似值。此外，在以上计算飞机θ、γ、Ψ和Φｃａｌ值时，没有考虑激光陀螺和加速度计的误差，也没有考虑到校准时飞机的动态干扰，如风、装卸货物的震动等因素，因此计算值精度不高，应作进一步修正。激光陀螺和加速度计的误差对系统精度至关重要，目前一般利用现代控制理论中的卡尔曼滤波技术对激光陀螺和加速度计进行误差处理和补偿，以达到精校准所需要的精度要求。3.输入位置数据处理在正常校准中，飞机所在处的经纬度位置可从CDU或多功能控制显示组件（MCDU）上输入。正常校准约5分钟后，真航向角被测定出来，如果此时已输入飞机有效的经纬度位置，则机长和副驾驶位的PFD、ND（导航显示器）上航向旗消失，航向标尺和航向指示符出现。系统接收到有效的经纬度位置后，内部软件即执行BITETEST（机内自测试），用以检查输入的经纬度位置（Φｅｎｔ、δｅｎｔ）是否在上次断电时系统记录的最后经纬度位置（Φｒｅｃ、δｒｅｃ）所允许的范围之内。系统进行的BITETEST主要包括以下三项：(1)3+3Ｔ测试人工输入的飞机经纬度位置与系统记录的最后位置之间的径向距离不得超过3+3Ｔ海里（Ｔ为上一航班系统导航方式的工作时间）；(2)输入的经纬度值与系统记录的经纬度值的比较；要求：|Φｅｎｔ－Φｒｅｃ|≤1°，｜δｅｎｔ－δｒｅｃ｜≤1°；(3)计算纬度值与输入纬度值的比较要求：|Φｃａｌ－Φｅｎｔ|≤0.5°。如果上述三项测试均能通过，则人工输入的经纬度值被系统接收，10分钟后校准结束，CDU上ALIGN灯灭，系统进入导航工作方式。系统在校准过程中，有时会出现CDU上ALIGN灯闪亮的现象，这不是系统故障的表现，通常可能有以下三种原因造成：一是系统在校准过程中出现差错，此时关掉相应的IR，重新校准即可；二是接通IR后，10分钟内一直未输入飞机的经纬度位置，此时PFD和ND上航向旗不消失，航向标尺及航向指示符不出现，在CDU或MCDU上输入飞机有效的经纬度位置后，ALIGN灯灭，系统进入导航方式；三是人工输入的经纬度位置与系统记录的最后位置相差太大，无法通过BITETEST，此时PFD和ND上航向旗不消失，航向标尺及航向指示符也不出现，这有可能是系统在上次航班导航方式中积累误差太大，或者是飞机断电后被移动了机位，此时，只需再次输入飞机所在处的经纬度位置，系统确认此位置为飞机目前的正确位置，ALIGN灯灭，系统进入导航方式。快速校准飞机停在地面上，地速小于20节时，在CDU上将IR方式选择旋钮在5秒钟内从NAV位置OFF位后再置NAV位，即可对系统进行快速校准，快速校准约需1分钟时间，并仍需输入飞机有效的经纬度位置。在快速校准中，所有的计算速度被置零，并使用上一次导航方式中飞机有效的姿态和航向数据进行精调。通常当飞机执行完一个航班后，如果还要继续飞行，或者当机场流量控制导致飞机停留原地等待了较长时间，为消除系统的积累误差，机组不必重新进行正常校准，通过快速校准即可在很短时间内消除误差。常见故障及维护注意事项激光陀螺惯性导航系统可靠性较高，平均无故障时间（MTBF）通常可达上万飞行小时，在两年的A320飞机维护工作中发现，该系统较少出现故障。一般系统出现故障时，系统内部软件能有效地探测到，CDU上FAULT（故障）灯亮，ECAM上显示屏出现故障信息，显示设备上出现相应的故障旗，一些导航参数消失。而更多时候，驾驶舱内没有惯导系统的故障指示，机组却经常反映正、副驾驶位显示器上飞机的显示位置相差太大，或者是飞机滑行时正、副驾驶位的地速指示不一致，在地面上对系统进行测试，测试结果又总是正常。对于这种情况，可以根据以下两项性能指标来判断系统性能下降是否超标，从而决定是否更换相应的惯性基准组件。1.径向位置误差（RPE）RPE更换标准的上下限值见表1RPE数值由MCDU→MFGC→DATA→POSITIONMONTIOR读出。导航时间由飞行记录本上的记录时间加上30分钟（假设ADIRU开始校准到关闭舱门准备退出之间的时间）所得。更换IR的标准：在AREA1区域时：ADIRU可用，没有更换的必要。在AREA2区域时：不需立即更换ADIRU，但必须监控后续航段，如仍在灰色区域则需更换ADIRU。在AREA3区域时：更换ADIRU。2.剩余地速偏差（RGSE）当飞机停稳后，可对每部IR进行RGSE值的检查。读取RGSE值的方法有二种，一是通过ND左上角的GS（地速）显示值，IR1在机长位的ND上读取，IR2在副驾驶位的ND上读取，对于IR3，须将ATT/HDG（姿态/航向）选择旋钮转换至CAPT3（机长3)或F/03（副驾驶3）位后，在相应的ND上读取。此外，在CDU上将显示方式置TK/GS（航迹/快速）位后，依次将系统选择旋钮置1、2、3位，即可分别读取三套IR的RGSE值。更换IR的标准：当RGSE值小于15节时，系统性能符合要求，不必更换IR。当RGSE值大于15节而小于21节时，应在下次飞行航段结束时再观察，如仍在此范围，需更换相应的IR。当RGSE值大于21节时，系统性能下降已超标，立即更换IR。在平时的航线维护中还会遇到惯导难以校准，特别是在冬季，这主要是激光陀螺对温度比较敏感，温度低时，校准精度差，导致惯导校不准。所以在冬季时，应该提前校准，让惯导有一个预热的过程。同时ADIRU对震动和静电比较敏感，所以在更换时要注意轻拿轻放，要提前释放身体的静电，手绝对不能接触电气接口。ADIRU在平时的维护中出现的故障不是太多，只要维护人员严格按照工作单操作维护，ADIRU就可以非常可靠的工作。