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)（簡稱慣導(dǎo)）能輸出多種導(dǎo)航信息，主要考核指標在于導(dǎo)航精度。某型慣導(dǎo)精度超差故障較為常見，以地速超差最為典型。通過建立慣導(dǎo)地速計算模型，分析其誤差源，對超差原因進行了深入分析，提出應(yīng)對措施，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

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

慣導(dǎo)能自主確定飛機的狀態(tài)矢量并為飛行提供導(dǎo)航支持，已成為飛機上不可缺少的機載電子設(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。在實際使用過程中，某型慣導(dǎo)經(jīng)常出現(xiàn)地速超差的故障，致使整個慣導(dǎo)系統(tǒng)精度超差。

1 慣導(dǎo)地速超差判讀

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

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：一是在飛機平顯或下顯畫面上直接讀取地速數(shù)據(jù)；二是通過一線或二線檢測設(shè)備讀取計算模塊存儲的數(shù)據(jù)，觀察反映加速度隨時間變化的脈沖數(shù)以及計算得到的三軸速度Vx、Vy、Vz的數(shù)值。

1.2 超差判斷方法

1）機上判斷

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

2）地面或修理中判斷

在地面上，通過一線檢測設(shè)備，調(diào)取慣導(dǎo)內(nèi)存數(shù)據(jù)，檢查加計脈沖數(shù)據(jù)，觀察是否有大的數(shù)據(jù)跳變，以及觀察Vx和Vy的計算數(shù)值、Vx和Vy的單軸數(shù)據(jù)是否均不超過0.8m/s，若超過可判定為地速超差。

在實驗室，通過二線檢測設(shè)備對慣導(dǎo)通電復(fù)測，靜態(tài)和動態(tài)下檢查其導(dǎo)航性能，若導(dǎo)航前15min和導(dǎo)航1h性能均達不到低于0.8m/s的技術(shù)指標，可判定為慣導(dǎo)地速超差。

2 計算模型和物理實現(xiàn)

慣導(dǎo)能不依靠外界信息源而進行自主導(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，地速是其中一個重要的導(dǎo)航信息。地速是在慣導(dǎo)測量加速度基礎(chǔ)上經(jīng)積分運算得到的，故對慣導(dǎo)地速分析需先建立慣導(dǎo)地速的計算模型。

2.1 計算模型

2.2 物理實現(xiàn)

慣導(dǎo)的工程應(yīng)用較為復(fù)雜，本文就慣導(dǎo)地速的實現(xiàn)進行簡要分析。慣導(dǎo)輸出的地速數(shù)據(jù)依托載體加速度的測量和后期的計算來獲得，加速度的測量通過加速度計來實現(xiàn)。加速度計能測量載體的加速度（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，并對此電壓進行量化，最終輸出以時間為單位的脈沖數(shù)，即每個脈沖數(shù)代表一定的速度增量。脈沖送到計算機模塊后，經(jīng)過一定時間，在可逆計數(shù)器中計取脈沖數(shù)，由此可得到加速度，計算模塊對加速度進行積分運算，即可算出飛機相對地面運動的地速。

實際應(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，形成一個穩(wěn)定的平臺，為加速度計提供準確的安裝基準和測量基準，在慣性平臺指向東、北、天三個方位上各裝有一個加速度計，使三個加速度計的測量軸穩(wěn)定在東、北、天方位。在這一平臺上，隔離了飛行狀態(tài)的干擾，加速度計感知飛機在機體X、Y和Z方向的即時加速度，再經(jīng)水平方位加速度的積分運算，輸出水平速度，最終擬合出飛機相對地面運動的地速。

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)地速簡易計算模型以及對慣導(dǎo)地速的物理實現(xiàn)過程解析可知，慣導(dǎo)地速最直接的誤差源為即時加速度的測量和后續(xù)的量化積分運算，而加速度測量的準確性除了受器件性能和零位誤差的影響外，還受慣性平臺穩(wěn)定狀態(tài)的影響，慣性平臺的穩(wěn)定又直接受穩(wěn)定回路的控制，且與慣性平臺中所使用的陀螺、導(dǎo)電環(huán)、電機、軸承等元件有著直接關(guān)系。結(jié)合實際工作中對多發(fā)故障部位的修理經(jīng)驗，建立該慣導(dǎo)“地速超差故障”的簡單故障樹，如圖1所示。

該故障樹中，方框內(nèi)表示故障事件，上下層事件之間由邏輯“或”符號關(guān)聯(lián)，表示任何一個輸入故障的發(fā)生都會導(dǎo)致輸出故障的發(fā)生。建立故障樹后，可根據(jù)故障樹的分支從上往下尋找地速超差故障問題的源頭，并對故障原因進行逐一分析，以提出針對性的修理預(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）的慣性運動特性來測量飛機的加速度和角運動，陀螺的漂移和加速度計的零位偏差是其中主要的誤差來源。慣性元器件的性能下降必然導(dǎo)致測量的加速度和角速度不準確，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，因此慣性平臺內(nèi)部工作時會保持一定溫度，同時通過溫度補償來控制降溫對性能的影響。溫控回路故障將導(dǎo)致誤差補償不準確，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

慣性平臺內(nèi)部為精密元器件，對安裝有著非常高的要求，安裝完成后需要將參數(shù)輸入計算機，通過計算機補償誤差。一旦慣性平臺安裝結(jié)構(gòu)發(fā)生細微變化，根據(jù)慣導(dǎo)解算方程推導(dǎo)，地速將會產(chǎn)生更大的誤差。

4）計算誤差

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

5）慣性平臺元器件磨損

慣性平臺元器件磨損是地速超差可預(yù)見性因素，容易磨損的元器件包括軸承、導(dǎo)電環(huán)和電機，在慣性平臺中承擔(dān)轉(zhuǎn)動、信號傳輸和信號執(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)是平臺式慣導(dǎo)慣性平臺的重要組成部分，承擔(dān)慣性平臺臺體內(nèi)各種信號與系統(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運轉(zhuǎn)的變化等因素，大機動飛行后容易導(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中起框架支撐和運轉(zhuǎn)的功能，轉(zhuǎn)動摩擦力矩是考核軸承的關(guān)鍵指標，隨著使用時間的延長，軸承的磨損會使摩擦力矩變大，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

利用故障樹對地速超差故障開展分析，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)報地速超差故障的主要原因，下面針對實驗室修理保障提出針對性的預(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

在對慣導(dǎo)進行指標考核時，除了需檢查整體性能之外，還需對慣性元器件進行單獨檢查，可復(fù)測其漂移常值和漂移變化量，以了解陀螺的性能變化情況，對漂移變化量較大的陀螺采取更換以避免隱患；還可對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)，對不符合指標要求的線路需要及時排除，可采用換環(huán)、并環(huán)甚至更換整個導(dǎo)電環(huán)的方式來確保平臺工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

對于慣性平臺中所使用的軸承，可參考平臺摩擦力矩測試結(jié)果，相應(yīng)地采取清洗、加潤滑油或更換的方法，以達到良好的平臺運轉(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)在對溫控板的控制和執(zhí)行元件——加熱片的檢查上。實際修理中，通過復(fù)測溫控板的性能來監(jiān)控溫控回路的狀態(tài)，通過檢查加熱片的狀態(tài)和及時更換燒斷或鼓包的加熱片，確保整個溫控回路工作正常，從而降低慣性元器件受溫度影響而性能下降的風(fēng)險。

量化器的性能檢查體現(xiàn)在對量化器線路板的綜合指標檢查上。通過復(fù)測三個通道的非線性誤差、交叉耦合誤差和零位一次啟動穩(wěn)定性等性能，判斷量化器板的性能狀態(tài)，根據(jù)測試情況針對性地進行修復(fù)和調(diào)試，以保證量化器板的指標符合技術(shù)要求，從源頭上避免加速度量化過程中產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)地速模型和超差故障樹，對地速超差故障進行了深入分析，以此提出相應(yīng)的預(yù)防措施。在修理中應(yīng)首先重點檢查慣性元器件的性能狀態(tài)，排除陀螺、加速度計等硬件性能下降帶來的測量誤差；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

[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.機載平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)電環(huán)故障機理分析及解決措施[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，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[J].導(dǎo)航與控制，2015（1）：20-26.