第十一章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

1、中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第十一章 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 概念： 利用慣性元件（加速度計(jì)）測(cè)量飛機(jī) 相對(duì)與慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定的初始條件下，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的積分運(yùn)算，確定飛機(jī)的姿態(tài)、航向、速度、位置，引導(dǎo)飛機(jī)沿區(qū)域?qū)Ш胶铰凤w行的領(lǐng)航系統(tǒng)。 功能 自動(dòng)測(cè)量飛機(jī)各種導(dǎo)航參數(shù)及飛行控制參數(shù)，供飛行人員使用； 與飛機(jī)其他控制系統(tǒng)配合，完成對(duì)飛機(jī)的人工或自動(dòng)駕駛。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點(diǎn) 自主性，全球、全天候?qū)Ш?隱蔽性 連續(xù)三維定位、定向 能獲取運(yùn)動(dòng)載體完備的運(yùn)動(dòng)信息中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（水平導(dǎo)航） 加速度計(jì)和陀螺儀安裝在12

2、個(gè)三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 體積大 重量重 可靠性差中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（水平導(dǎo)航和垂直導(dǎo)航） 將陀螺和加速度計(jì)直接固聯(lián)于機(jī)體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 數(shù)學(xué)平臺(tái)把加速度計(jì)的沿機(jī)體軸系的輸出轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系來；建立和修正姿態(tài)矩陣，并計(jì)算出飛機(jī)的姿態(tài)角。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點(diǎn) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 重量輕 成本低 維護(hù)簡(jiǎn)單 容錯(cuò)能力強(qiáng)中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 姿態(tài)矩陣就是機(jī)體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系間的方向余弦矩陣。 OXcYcZc為機(jī)體坐標(biāo)系：X縱軸、Y橫軸、Z垂直軸 OXpYpZp為導(dǎo)航坐標(biāo)系：X東

3、、Y經(jīng)線北端、Z垂直與地平面指天傾斜角俯仰角航向coscossincossincossincossinsincoscossinsincossincoscossinsinsincossincossinsinsincoscos333231232221131211TTTTTTTTT中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第一節(jié) INS的組成和工作原理一、INS組成 慣性導(dǎo)航組件（INU） ：主要完成導(dǎo)航參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。 平臺(tái)式：12個(gè)三軸空間穩(wěn)定平臺(tái)，23個(gè)高精度的陀螺儀及3個(gè)高精度的加速度計(jì)，一部數(shù)字計(jì)算機(jī)，其它電子線路板；

4、 捷聯(lián)式：3個(gè)高精度的陀螺儀及3個(gè)高精度的加速度計(jì)，一部數(shù)字計(jì)算機(jī)，其它電子線路板；沒有實(shí)際的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，將加速度計(jì)和陀螺儀直接與飛機(jī)機(jī)體固連，用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)計(jì)算“數(shù)學(xué)平臺(tái)”也叫“軟件平臺(tái)”。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 控制顯示組件（CDU） ： 包括導(dǎo)航參數(shù)的顯示，初始值的引入，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)故障顯示和告警等。 方式選擇組件（MSU） ： 主要用來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 備用電池組件（BU）：特殊情況下供電NAVATTREFALIGNSTBYOFFREADYNAVBATT中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院二、系統(tǒng)基本工作原理 平臺(tái)原理 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是利用陀螺的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性直

5、接或間接地使某一物體對(duì)地球或慣性空間保持給定位置或按照給定規(guī)律改變起始位置的一種陀螺裝置。 在平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，要把加速度計(jì)安裝在一個(gè)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的平臺(tái)上（宇宙航行和彈道導(dǎo)彈）或安裝在一個(gè)相對(duì)于地球穩(wěn)定的平臺(tái)上（飛機(jī)），以提供準(zhǔn)確的加速度。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 積分修正 由于陀螺穩(wěn)定性，飛機(jī)在平飛過程中，如果不加修正，慣性平臺(tái)將穩(wěn)定在起始經(jīng)線處的方位上。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 積分修正原理： 平臺(tái)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，如果能控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，使它等于地垂線的的角加速度， 其中 由加速度計(jì)測(cè)量，以經(jīng)過積分所得的陀螺羅盤的進(jìn)動(dòng)角速度作為指令信號(hào)，

6、加給陀螺力矩器，強(qiáng)迫陀螺平臺(tái)以指定的角速度進(jìn)動(dòng)，從而保持在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)。dtdtRGSRGS平臺(tái)地垂線平臺(tái)則GS中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 加速度計(jì) 加速度計(jì)安裝在慣性平臺(tái)上，慣性平臺(tái)依靠高精度的陀螺儀和修正機(jī)構(gòu)，始終保持陀螺平臺(tái)相對(duì)于地面的水平并且與經(jīng)線一致，從而使加速度計(jì)的軸線分別穩(wěn)定在南北方向和東西方向上。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 飛機(jī)位置計(jì)算原理 地速和航跡角SNEWEWSNtEWEWtSNSNGSGSTTKSGGSGSdtaGSdtaGStan2200 位置dtGSYdtGSXtEWtSN00t

7、EWtSNdtRGSdtRGS0000sec中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第二節(jié) 系統(tǒng)校準(zhǔn) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自校準(zhǔn)（捷聯(lián)式：10分鐘；平臺(tái)式：1520分鐘） 校準(zhǔn)的目的： 慣導(dǎo)系統(tǒng)在進(jìn)入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)前，應(yīng)當(dāng)首先解決積分運(yùn)算的初始條件及平臺(tái)初始調(diào)整問題。 通過引入初始坐標(biāo)將平臺(tái)調(diào)整到指定的坐標(biāo)系內(nèi)，同時(shí)為確保加速度計(jì)重心垂直當(dāng)?shù)厮矫?，軸線與東西方向、南北方向一致，必須使慣性平臺(tái)保持水平，以保證系統(tǒng)符合導(dǎo)航精度的要求。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在每次飛行前，在地面停放位置進(jìn)行自校準(zhǔn)，引進(jìn)飛機(jī)停放位置的坐標(biāo)，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)。 粗校準(zhǔn)、調(diào)水平、精校準(zhǔn) 校準(zhǔn)過程中，飛機(jī)不能開車、移

8、動(dòng)、陣風(fēng)、加油、裝卸貨物、上下旅客。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 位置更新 隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差（漂移誤差積累） 每隔23小時(shí)需要進(jìn)行一次位置更新。 自動(dòng)更新：飛行中，將CDU的顯示選擇旋鈕放于更新/磁差位，按功能鍵“” 人工位置更新：飛機(jī)到達(dá)檢查點(diǎn)時(shí)，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)于檢查點(diǎn)比較，如果誤差超過規(guī)定數(shù)值，則輸入檢查點(diǎn)精確的位置坐標(biāo)。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第三節(jié) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作程序 飛行前 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自校準(zhǔn) 引入現(xiàn)在飛機(jī)位置（經(jīng)緯度），對(duì)飛機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn) 要求：校準(zhǔn)過程中不能開車，移動(dòng)。校準(zhǔn)完成后不能斷開慣性導(dǎo)航系統(tǒng)電源。 引進(jìn)航路導(dǎo)航計(jì)劃（9個(gè)航路點(diǎn)）

9、依次引進(jìn)航路點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，人工編排飛行計(jì)劃。 人工輸入VOR/TAC臺(tái)站的數(shù)據(jù)（9個(gè)） 經(jīng)緯度坐標(biāo) 頻率 標(biāo)高 磁差 檢查航線數(shù)據(jù) 為防止編排的航線計(jì)劃出錯(cuò)，可以使用遙控功能檢查航線距離、待飛時(shí)間和航線角中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 飛行中 工作在導(dǎo)航（NAV）方式，引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行，向A/P、ADI輸入飛機(jī)的俯仰、傾斜姿態(tài)和平臺(tái)航向。當(dāng)飛機(jī)失去導(dǎo)航能力或不再需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用ATT REF方式為飛機(jī)提供姿態(tài)參數(shù)。 滑行：監(jiān)控真航跡角和滑行速度。 離場(chǎng)入航：選擇起始航段 飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行中，在航路點(diǎn)可以利用慣導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換航段，也可以人工轉(zhuǎn)換航段。 為擾飛雷雨或強(qiáng)頂

10、風(fēng)區(qū)，可以利用慣導(dǎo)修改飛行計(jì)劃 位置更新：隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差，每隔23小時(shí)需要通過引入檢查點(diǎn)進(jìn)行一次位置更新 VOR/DME 有精確坐標(biāo)的位置點(diǎn)（NDB臺(tái)、機(jī)場(chǎng)上空、顯著地標(biāo)等） 航站區(qū)域飛行：截獲ILS前，可根據(jù)選定的電臺(tái)提供非精密導(dǎo)航操作。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 慣導(dǎo)的其他功能 順逆風(fēng)顯示 平行航線飛行 距離現(xiàn)在航跡400nm的范圍內(nèi)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以執(zhí)行平行偏離原航線飛行。使用自動(dòng)駕駛儀時(shí)，飛機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向偏離航線的平行航跡上。 檢查飛行中的航線數(shù)據(jù) 單獨(dú)提供姿態(tài)基準(zhǔn)信號(hào)中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第三節(jié) 慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)IRS 使用激光陀螺的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

11、 組成：IRU，MSU，CDU IRU：3個(gè)激光陀螺、三個(gè)撓性加速度計(jì)等。 顯示參數(shù)： 飛機(jī)的真航跡/地速 飛機(jī)的即時(shí)位置 空中氣象風(fēng)向/風(fēng)速 飛機(jī)的真航向中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 信號(hào)輸入和輸出中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第四節(jié) GPS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)GPS 全球、全天候和實(shí)時(shí)的導(dǎo)航可以提供精確的位置和時(shí)間信息。 定位誤差與時(shí)間無關(guān)，具有較高的定位精度和測(cè)速精度。GPS載體在作高速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，常使GPS接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星載波信號(hào)。 GPS接收機(jī)的信號(hào)輸出頻率較低（12Hz），有時(shí)不能滿足載體對(duì)于飛行控制對(duì)導(dǎo)航信號(hào)更新頻率的要求。 單獨(dú)使用GPS導(dǎo)航在飛機(jī)上也受到限制。INS

12、自主式導(dǎo)航系統(tǒng) 提供多種高精度的導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度、姿態(tài)），不能提供時(shí)間信息。 存在漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間的單獨(dú)導(dǎo)航。需要初始化、位置更新。 數(shù)據(jù)更新率高中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 GPS與INS導(dǎo)航組合，具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，使導(dǎo)航精度高于獨(dú)立系統(tǒng)的精度。 INS可以借助GPS的位置信息進(jìn)行位置更新，具有空中再對(duì)準(zhǔn)的能力。 GPS接收機(jī)在INS位置和速度信息的輔助下，也將大大改善捕獲、跟蹤和在捕獲能力，并且在衛(wèi)星分布條件差或可見星少的情況下，不致嚴(yán)重影響導(dǎo)航精度。 組合方式 松散組合 GPS接收機(jī)基本作為一個(gè)自主導(dǎo)航儀，通過自動(dòng)或手動(dòng)方式為INS提供周期性的位置和速度修正。 緊密組合 GP

13、S接收機(jī)和慣導(dǎo)裝置各自包含一個(gè)卡爾曼濾波器，他們產(chǎn)生的位置和速度導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)街醒肴蝿?wù)計(jì)算機(jī)經(jīng)過進(jìn)一步濾波后進(jìn)行同步數(shù)據(jù)處理。 深度組合 嵌入式足額和，GPS接收機(jī)作為一塊線路板嵌入到INS的單元內(nèi)，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院第四節(jié) 區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV，Area Navigation)中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 現(xiàn)代民航運(yùn)輸飛機(jī)RNAV導(dǎo)航能力的實(shí)現(xiàn)一般是利用飛行管理系統(tǒng)（FMS），通過處理一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)航源的數(shù)據(jù)，自動(dòng)確定飛機(jī)的位置。根據(jù)飛行指引儀或由自動(dòng)駕駛儀引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定的航跡飛行。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交

14、通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 LORAN C導(dǎo)航 LORAN-C is a pulsed hyperbolic system operating in the 90 to 110 kilohertz (kHz) frequency band Being used for marine and air navigation where signal coverage is available. The system is based upon the measurement of the time difference in the arrival of signal pulses f

15、rom a group or chain of stations. A chain consists of a master station linked to a maximum of four secondary stations with all of the signals synchronized with the master. 中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院Benefits of RNAV operations within RNP Concept Establishment of more direct routes permitting a redu

16、ction in flight distances. Establishment of dual or parallel routes to accommodate a greater flow of en-route traffic. Establishment of bypass routes for aircraft overflying high-density terminal areas. Establishment of alternatives or contingency（偶然的） routes on either a planned or an ad hoc basis.

17、Establishment of optimum locations for holding patterns. Reduction in the number of ground navigation facilities.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院RNP中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院RNP typesDepartureRNP0.3RNP0.5EnrouteRNP1RNP2RNP4-12.RNP2RNP1RNP0.5ApproachCat I & IIFAFRNP0.3RNP0.1Cat I200Cat II100 Landing Cat IIILow Visib

18、ilityTakeoffRNP Profile - Plan View中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院京滬平行航路實(shí)施方案 實(shí)施導(dǎo)航精度符合RNP-4要求的平行區(qū)域?qū)Ш胶铰罚涸跐M足高頻通信和雷達(dá)監(jiān)視的條件下航路間隔確定為30公里（16海里=4RNP） 注意：航路間隔不等于航空器之間的間隔標(biāo)準(zhǔn) 平行區(qū)域?qū)Ш胶铰芬袁F(xiàn)行A593航路為基礎(chǔ)，在其東側(cè)30千米建立，暫將其代號(hào)確定為A593a，高度為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度9000米及以上。在兩條平行航路中心線中間位置劃設(shè)寬度為4海里的保護(hù)區(qū)，其目的是明確任何一條航路上的航空器侵入保護(hù)區(qū)時(shí)，雷達(dá)管制員應(yīng)當(dāng)及時(shí)引導(dǎo)其從侵入方向離開保護(hù)區(qū)域。 中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院京滬平行航路使用方法 A593航路和A593a航路啟用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度9000米及以上的部分均作為區(qū)域?qū)Ш胶铰稲NAV/RNP-4航路使用。A593航路標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度8400米及以下高度層的飛行仍然按照常規(guī)航路的辦法執(zhí)行。 目前，北京至上海航路的雷達(dá)管制最低間隔為20千米。因此，為實(shí)施平行區(qū)域?qū)Ш胶铰?，該航路的雷達(dá)管制最低間隔應(yīng)當(dāng)適當(dāng)縮小，建議縮小為10千米。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院高度層使用方法 第一步：首先將兩條平行區(qū)域?qū)Ш胶铰穼?shí)行單向