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）測量飛機 相對與慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，在給定的初始條件下，通過導(dǎo)航計算機的積分運算，確定飛機的姿態(tài)、航向、速度、位置，引導(dǎo)飛機沿區(qū)域?qū)Ш胶铰凤w行的領(lǐng)航系統(tǒng)。 功能 自動測量飛機各種導(dǎo)航參數(shù)及飛行控制參數(shù)，供飛行人員使用； 與飛機其他控制系統(tǒng)配合，完成對飛機的人工或自動駕駛。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點 自主性，全球、全天候?qū)Ш?隱蔽性 連續(xù)三維定位、定向 能獲取運動載體完備的運動信息中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（水平導(dǎo)航） 加速度計和陀螺儀安裝在12

2、個三軸陀螺穩(wěn)定平臺上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 陀螺穩(wěn)定平臺中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點 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） 將陀螺和加速度計直接固聯(lián)于機體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 數(shù)學(xué)平臺把加速度計的沿機體軸系的輸出轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系來；建立和修正姿態(tài)矩陣，并計算出飛機的姿態(tài)角。中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 特點 機構(gòu)簡單 體積小 重量輕 成本低 維護簡單 容錯能力強中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 姿態(tài)矩陣就是機體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系間的方向余弦矩陣。 OXcYcZc為機體坐標(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)的測量和計算。 平臺式：12個三軸空間穩(wěn)定平臺，23個高精度的陀螺儀及3個高精度的加速度計，一部數(shù)字計算機，其它電子線路板；

4、 捷聯(lián)式：3個高精度的陀螺儀及3個高精度的加速度計，一部數(shù)字計算機，其它電子線路板；沒有實際的陀螺穩(wěn)定平臺，將加速度計和陀螺儀直接與飛機機體固連，用導(dǎo)航計算機計算“數(shù)學(xué)平臺”也叫“軟件平臺”。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)實驗故障顯示和告警等。 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 平臺原理 陀螺穩(wěn)定平臺是利用陀螺的穩(wěn)定性和進動性直

5、接或間接地使某一物體對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。 在平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，要把加速度計安裝在一個相對慣性空間穩(wěn)定的平臺上（宇宙航行和彈道導(dǎo)彈）或安裝在一個相對于地球穩(wěn)定的平臺上（飛機），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，飛機在平飛過程中，如果不加修正，慣性平臺將穩(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： 平臺由A點移動到B點，如果能控制平臺轉(zhuǎn)動的角加速度，使它等于地垂線的的角加速度， 其中 由加速度計測量，以經(jīng)過積分所得的陀螺羅盤的進動角速度作為指令信號，

6、加給陀螺力矩器，強迫陀螺平臺以指定的角速度進動，從而保持在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)。dtdtRGSRGS平臺地垂線平臺則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 加速度計安裝在慣性平臺上，慣性平臺依靠高精度的陀螺儀和修正機構(gòu)，始終保持陀螺平臺相對于地面的水平并且與經(jīng)線一致，從而使加速度計的軸線分別穩(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 飛機位置計算原理 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；平臺式：1520分鐘） 校準(zhǔn)的目的： 慣導(dǎo)系統(tǒng)在進入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)前，應(yīng)當(dāng)首先解決積分運算的初始條件及平臺初始調(diào)整問題。 通過引入初始坐標(biāo)將平臺調(diào)整到指定的坐標(biāo)系內(nèi)，同時為確保加速度計重心垂直當(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，在地面停放位置進行自校準(zhǔn)，引進飛機停放位置的坐標(biāo)，由系統(tǒng)自動進行校準(zhǔn)。 粗校準(zhǔn)、調(diào)水平、精校準(zhǔn) 校準(zhǔn)過程中，飛機不能開車、移

8、動、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 隨著飛行時間的增長，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差（漂移誤差積累） 每隔23小時需要進行一次位置更新。 自動更新：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：飛機到達檢查點時，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的坐標(biāo)點于檢查點比較，如果誤差超過規(guī)定數(shù)值，則輸入檢查點精確的位置坐標(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)在飛機位置（經(jīng)緯度），對飛機進行校準(zhǔn) 要求：校準(zhǔn)過程中不能開車，移動。校準(zhǔn)完成后不能斷開慣性導(dǎo)航系統(tǒng)電源。 引進航路導(dǎo)航計劃（9個航路點）

9、依次引進航路點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，人工編排飛行計劃。 人工輸入VOR/TAC臺站的數(shù)據(jù)（9個） 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劃出錯，可以使用遙控功能檢查航線距離、待飛時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)飛機沿預(yù)定航線飛行，向A/P、ADI輸入飛機的俯仰、傾斜姿態(tài)和平臺航向。當(dāng)飛機失去導(dǎo)航能力或不再需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)時，可以使用ATT REF方式為飛機提供姿態(tài)參數(shù)。 滑行：監(jiān)控真航跡角和滑行速度。 離場入航：選擇起始航段 飛機沿預(yù)定航線飛行中，在航路點可以利用慣導(dǎo)系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換航段，也可以人工轉(zhuǎn)換航段。 為擾飛雷雨或強頂

10、風(fēng)區(qū)，可以利用慣導(dǎo)修改飛行計劃 位置更新：隨著飛行時間的增長，慣性導(dǎo)航將產(chǎn)生積累誤差，每隔23小時需要通過引入檢查點進行一次位置更新 VOR/DME 有精確坐標(biāo)的位置點（NDB臺、機場上空、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。使用自動駕駛儀時，飛機自動轉(zhuǎn)向偏離航線的平行航跡上。 檢查飛行中的航線數(shù)據(jù) 單獨提供姿態(tài)基準(zhǔn)信號中國民航大學(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個激光陀螺、三個撓性加速度計等。 顯示參數(shù)： 飛機的真航跡/地速 飛機的即時位置 空中氣象風(fēng)向/風(fēng)速 飛機的真航向中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 信號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、全天候和實時的導(dǎo)航可以提供精確的位置和時間信息。 定位誤差與時間無關(guān)，具有較高的定位精度和測速精度。GPS載體在作高速動態(tài)運動時，常使GPS接收機不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星載波信號。 GPS接收機的信號輸出頻率較低（12Hz），有時不能滿足載體對于飛行控制對導(dǎo)航信號更新頻率的要求。 單獨使用GPS導(dǎo)航在飛機上也受到限制。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)），不能提供時間信息。 存在漂移誤差，不適合長時間的單獨導(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)勢互補的特點，使導(dǎo)航精度高于獨立系統(tǒng)的精度。 INS可以借助GPS的位置信息進行位置更新，具有空中再對準(zhǔn)的能力。 GPS接收機在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接收機基本作為一個自主導(dǎo)航儀，通過自動或手動方式為INS提供周期性的位置和速度修正。 緊密組合 GP

13、S接收機和慣導(dǎo)裝置各自包含一個卡爾曼濾波器，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)計算機經(jīng)過進一步濾波后進行同步數(shù)據(jù)處理。 深度組合 嵌入式足額和，GPS接收機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)代民航運輸飛機RNAV導(dǎo)航能力的實現(xiàn)一般是利用飛行管理系統(tǒng)（FMS），通過處理一個或多個導(dǎo)航源的數(shù)據(jù)，自動確定飛機的位置。根據(jù)飛行指引儀或由自動駕駛儀引導(dǎo)飛機沿預(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 V

18、isibilityTakeoffRNP 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)院京滬平行航路實施方案 實施導(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海里的保護區(qū)，其目的是明確任何一條航路上的航空器侵入保護區(qū)時，雷達管制員應(yīng)當(dāng)及時引導(dǎo)其從侵入方向離開保護區(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，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管制最低間隔為20千米。因此，為實施平行區(qū)域?qū)Ш胶铰?，該航路的雷達管制最低間隔應(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胶铰穼嵭袉?/p>