某型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)地速超差故障分析

唐福軍 姚金彪 邵珠君 方燕子

摘要：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)）能輸出多種導(dǎo)航信息，主要考核指標(biāo)在于導(dǎo)航精度。某型慣導(dǎo)精度超差故障較為常見(jiàn)，以地速超差最為典型。通過(guò)建立慣導(dǎo)地速計(jì)算模型，分析其誤差源，對(duì)超差原因進(jìn)行了深入分析，提出應(yīng)對(duì)措施，從而解決該型慣導(dǎo)地速超差故障。

關(guān)鍵詞：慣導(dǎo)；地速；超差；故障樹(shù)

Keywords：inertial navigation system（INS）；ground speed；out of tolerance；fault tree

慣導(dǎo)能自主確定飛機(jī)的狀態(tài)矢量并為飛行提供導(dǎo)航支持，已成為飛機(jī)上不可缺少的機(jī)載電子設(shè)備，其工作穩(wěn)定性和導(dǎo)航信息的精度直接關(guān)系到飛行任務(wù)的順利完成。在實(shí)際使用過(guò)程中，某型慣導(dǎo)經(jīng)常出現(xiàn)地速超差的故障，致使整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)精度超差。

1 慣導(dǎo)地速超差判讀

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該型慣導(dǎo)的地速超差故障主要表現(xiàn)為飛行準(zhǔn)備、滑行過(guò)程或著陸后停車檢查地速超差，為找到地速超差的原因，需首先對(duì)地速的數(shù)據(jù)形式和超差判斷方法進(jìn)行針對(duì)性的分析。

1.1 反映地速的數(shù)據(jù)形式

該型慣導(dǎo)地速數(shù)據(jù)的讀取方式有兩種：一是在飛機(jī)平顯或下顯畫(huà)面上直接讀取地速數(shù)據(jù)；二是通過(guò)一線或二線檢測(cè)設(shè)備讀取計(jì)算模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，觀察反映加速度隨時(shí)間變化的脈沖數(shù)以及計(jì)算得到的三軸速度Vx、Vy、Vz的數(shù)值。

1.2 超差判斷方法

1）機(jī)上判斷

機(jī)上可從平顯或下顯畫(huà)面上觀察地速數(shù)值，若出現(xiàn)以下情況，則可判定為慣導(dǎo)地速超差：飛行準(zhǔn)備階段，導(dǎo)航后地速顯示不為零或出現(xiàn)大幅跳變；飛機(jī)著陸停車后，地速明顯大于11.9km/h；飛機(jī)滑行過(guò)程中，顯示地速與實(shí)際速度差異大。

2）地面或修理中判斷

在地面上，通過(guò)一線檢測(cè)設(shè)備，調(diào)取慣導(dǎo)內(nèi)存數(shù)據(jù)，檢查加計(jì)脈沖數(shù)據(jù)，觀察是否有大的數(shù)據(jù)跳變，以及觀察Vx和Vy的計(jì)算數(shù)值、Vx和Vy的單軸數(shù)據(jù)是否均不超過(guò)0.8m/s，若超過(guò)可判定為地速超差。

在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)二線檢測(cè)設(shè)備對(duì)慣導(dǎo)通電復(fù)測(cè)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下檢查其導(dǎo)航性能，若導(dǎo)航前15min和導(dǎo)航1h性能均達(dá)不到低于0.8m/s的技術(shù)指標(biāo)，可判定為慣導(dǎo)地速超差。

2 計(jì)算模型和物理實(shí)現(xiàn)

慣導(dǎo)能不依靠外界信息源而進(jìn)行自主導(dǎo)航引導(dǎo)飛行，主要依靠其自主提供的速度、距離、位置、姿態(tài)、航向等導(dǎo)航信息，地速是其中一個(gè)重要的導(dǎo)航信息。地速是在慣導(dǎo)測(cè)量加速度基礎(chǔ)上經(jīng)積分運(yùn)算得到的，故對(duì)慣導(dǎo)地速分析需先建立慣導(dǎo)地速的計(jì)算模型。

2.1 計(jì)算模型

2.2 物理實(shí)現(xiàn)

慣導(dǎo)的工程應(yīng)用較為復(fù)雜，本文就慣導(dǎo)地速的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。慣導(dǎo)輸出的地速數(shù)據(jù)依托載體加速度的測(cè)量和后期的計(jì)算來(lái)獲得，加速度的測(cè)量通過(guò)加速度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加速度計(jì)能測(cè)量載體的加速度（也叫比力），以電壓形式輸出，再經(jīng)量化器接收反饋放大器輸出的直流電壓，并對(duì)此電壓進(jìn)行量化，最終輸出以時(shí)間為單位的脈沖數(shù)，即每個(gè)脈沖數(shù)代表一定的速度增量。脈沖送到計(jì)算機(jī)模塊后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，在可逆計(jì)數(shù)器中計(jì)取脈沖數(shù)，由此可得到加速度，計(jì)算模塊對(duì)加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，即可算出飛機(jī)相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的地速。

實(shí)際應(yīng)用中，慣導(dǎo)利用撓性陀螺高速旋轉(zhuǎn)建立精確的初始水平和方位基準(zhǔn)，形成一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，為加速度計(jì)提供準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)，在慣性平臺(tái)指向東、北、天三個(gè)方位上各裝有一個(gè)加速度計(jì)，使三個(gè)加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在東、北、天方位。在這一平臺(tái)上，隔離了飛行狀態(tài)的干擾，加速度計(jì)感知飛機(jī)在機(jī)體X、Y和Z方向的即時(shí)加速度，再經(jīng)水平方位加速度的積分運(yùn)算，輸出水平速度，最終擬合出飛機(jī)相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的地速。

3 地速超差原因分析及預(yù)防措施

依據(jù)上文所建立的慣導(dǎo)地速簡(jiǎn)易計(jì)算模型以及對(duì)慣導(dǎo)地速的物理實(shí)現(xiàn)過(guò)程解析可知，慣導(dǎo)地速最直接的誤差源為即時(shí)加速度的測(cè)量和后續(xù)的量化積分運(yùn)算，而加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性除了受器件性能和零位誤差的影響外，還受慣性平臺(tái)穩(wěn)定狀態(tài)的影響，慣性平臺(tái)的穩(wěn)定又直接受穩(wěn)定回路的控制，且與慣性平臺(tái)中所使用的陀螺、導(dǎo)電環(huán)、電機(jī)、軸承等元件有著直接關(guān)系。結(jié)合實(shí)際工作中對(duì)多發(fā)故障部位的修理經(jīng)驗(yàn)，建立該慣導(dǎo)“地速超差故障”的簡(jiǎn)單故障樹(shù)，如圖1所示。

該故障樹(shù)中，方框內(nèi)表示故障事件，上下層事件之間由邏輯“或”符號(hào)關(guān)聯(lián)，表示任何一個(gè)輸入故障的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致輸出故障的發(fā)生。建立故障樹(shù)后，可根據(jù)故障樹(shù)的分支從上往下尋找地速超差故障問(wèn)題的源頭，并對(duì)故障原因進(jìn)行逐一分析，以提出針對(duì)性的修理預(yù)防措施。

3.1 故障原因分析

1）慣性元器件性能下降

慣導(dǎo)依靠慣性元器件（陀螺和加速度計(jì)）的慣性運(yùn)動(dòng)特性來(lái)測(cè)量飛機(jī)的加速度和角運(yùn)動(dòng)，陀螺的漂移和加速度計(jì)的零位偏差是其中主要的誤差來(lái)源。慣性元器件的性能下降必然導(dǎo)致測(cè)量的加速度和角速度不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致推算出的速度誤差大，產(chǎn)生地速超差故障。

2）慣導(dǎo)溫控回路故障

由于該型慣導(dǎo)所使用的慣性元器件的性能受溫度影響較大，設(shè)置溫控回路可以確保慣性元器件在最適宜的溫度下發(fā)揮其最佳性能，因此慣性平臺(tái)內(nèi)部工作時(shí)會(huì)保持一定溫度，同時(shí)通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)控制降溫對(duì)性能的影響。溫控回路故障將導(dǎo)致誤差補(bǔ)償不準(zhǔn)確，甚至直接降低慣性元器件的性能，最終導(dǎo)致地速超差。

3）元器件的安裝誤差

慣性平臺(tái)內(nèi)部為精密元器件，對(duì)安裝有著非常高的要求，安裝完成后需要將參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)補(bǔ)償誤差。一旦慣性平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化，根據(jù)慣導(dǎo)解算方程推導(dǎo)，地速將會(huì)產(chǎn)生更大的誤差。

4）計(jì)算誤差

計(jì)算誤差包括加速度計(jì)的量化誤差和計(jì)算模塊失效導(dǎo)致的計(jì)算誤差，其中，量化器的量化誤差影響最直接。量化器的主要考核指標(biāo)為非線性誤差和交叉耦合誤差以及零位一次啟動(dòng)穩(wěn)定性，若量化器考核指標(biāo)超差，將直接導(dǎo)致加速度經(jīng)量化后產(chǎn)生誤差，影響地速的最終計(jì)算結(jié)果。

5）慣性平臺(tái)元器件磨損

慣性平臺(tái)元器件磨損是地速超差可預(yù)見(jiàn)性因素，容易磨損的元器件包括軸承、導(dǎo)電環(huán)和電機(jī)，在慣性平臺(tái)中承擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)、信號(hào)傳輸和信號(hào)執(zhí)行的作用，其中導(dǎo)電環(huán)和精密軸承的磨損最為突出。

導(dǎo)電環(huán)是平臺(tái)式慣導(dǎo)慣性平臺(tái)的重要組成部分，承擔(dān)慣性平臺(tái)臺(tái)體內(nèi)各種信號(hào)與系統(tǒng)的傳輸和交聯(lián)，導(dǎo)電環(huán)因受限于制造技術(shù)和安裝空間以及平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的變化等因素，大機(jī)動(dòng)飛行后容易導(dǎo)致導(dǎo)電環(huán)相鄰線路搭線、燒斷等，表現(xiàn)為接觸電阻變大、絕緣差，直接導(dǎo)致穩(wěn)定回路控制精度降低或慣性元器件性能下降，最終間接影響地速的精度。

精密軸承在慣性平臺(tái)中起框架支撐和運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩是考核軸承的關(guān)鍵指標(biāo)，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，軸承的磨損會(huì)使摩擦力矩變大，直接導(dǎo)致穩(wěn)定回路的性能變化，最終引起地速超差。

3.2 預(yù)防措施

利用故障樹(shù)對(duì)地速超差故障開(kāi)展分析，并結(jié)合修理中地速超差故障排除情況，發(fā)現(xiàn)慣性元器件性能下降和元器件磨損是導(dǎo)致慣導(dǎo)報(bào)地速超差故障的主要原因，下面針對(duì)實(shí)驗(yàn)室修理保障提出針對(duì)性的預(yù)防措施，以確保產(chǎn)品質(zhì)量可控。

1）慣性元器件的精度檢查

在對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行指標(biāo)考核時(shí)，除了需檢查整體性能之外，還需對(duì)慣性元器件進(jìn)行單獨(dú)檢查，可復(fù)測(cè)其漂移常值和漂移變化量，以了解陀螺的性能變化情況，對(duì)漂移變化量較大的陀螺采取更換以避免隱患；還可對(duì)慣性元器件采取壽命控制措施，以避免慣性元器件性能突變導(dǎo)致超差故障。

2）易損元器件的檢查和更換

易損元器件尤其是軸承和導(dǎo)電環(huán)的檢查是修理中必不可少的項(xiàng)目。導(dǎo)電環(huán)主要檢查通道接觸電阻和絕緣性能，以判斷導(dǎo)電環(huán)的性能狀態(tài)，對(duì)不符合指標(biāo)要求的線路需要及時(shí)排除，可采用換環(huán)、并環(huán)甚至更換整個(gè)導(dǎo)電環(huán)的方式來(lái)確保平臺(tái)工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

對(duì)于慣性平臺(tái)中所使用的軸承，可參考平臺(tái)摩擦力矩測(cè)試結(jié)果，相應(yīng)地采取清洗、加潤(rùn)滑油或更換的方法，以達(dá)到良好的平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)和支撐狀態(tài)。

3）溫控回路和量化器的性能檢查

溫控回路的性能檢查體現(xiàn)在對(duì)溫控板的控制和執(zhí)行元件——加熱片的檢查上。實(shí)際修理中，通過(guò)復(fù)測(cè)溫控板的性能來(lái)監(jiān)控溫控回路的狀態(tài)，通過(guò)檢查加熱片的狀態(tài)和及時(shí)更換燒斷或鼓包的加熱片，確保整個(gè)溫控回路工作正常，從而降低慣性元器件受溫度影響而性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。

量化器的性能檢查體現(xiàn)在對(duì)量化器線路板的綜合指標(biāo)檢查上。通過(guò)復(fù)測(cè)三個(gè)通道的非線性誤差、交叉耦合誤差和零位一次啟動(dòng)穩(wěn)定性等性能，判斷量化器板的性能狀態(tài)，根據(jù)測(cè)試情況針對(duì)性地進(jìn)行修復(fù)和調(diào)試，以保證量化器板的指標(biāo)符合技術(shù)要求，從源頭上避免加速度量化過(guò)程中產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)地速模型和超差故障樹(shù)，對(duì)地速超差故障進(jìn)行了深入分析，以此提出相應(yīng)的預(yù)防措施。在修理中應(yīng)首先重點(diǎn)檢查慣性元器件的性能狀態(tài)，排除陀螺、加速度計(jì)等硬件性能下降帶來(lái)的測(cè)量誤差；其次檢查軸承和導(dǎo)電環(huán)等易損元器件的性能；最后檢查溫控回路和量化器的性能。通過(guò)上述措施，可以有效預(yù)防該型慣導(dǎo)地速超差的故障。

參考文獻(xiàn)

[1]張宗麟.慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航[M].西安：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]張東榮，黨進(jìn).機(jī)載平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)電環(huán)故障機(jī)理分析及解決措施[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（6）：58-61.

[3]盧錦明，邢立華.精密導(dǎo)電滑環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].導(dǎo)航與控制，2015（1）：20-26.