某型惯性导航系统地速超差故障分析

王懋霖,李伟,高娇娇

航空工业陕西飞机工业有限责任公司723000

摘要：惯导系统广泛应用于各类飞行器上，为飞行器提供姿态、航向、地速以及加速度等重要参数。某型飞机机轮刹车系统引用惯导地速，并结合飞机的轮速设计了轮速比对逻辑，用于在飞机滑行过程中进行系统自检。在飞机试飞过程中，由于激发了轮速比对逻辑引发了刹车系统故障，对轮速比对逻辑进行了深入研究，发现了该逻辑的设计缺陷，提出了改进建议，供飞机设计优化使用。本文主要分析某型惯性导航系统地速超差故障。

关键词：惯导；地速；超差；故障树

引言

惯导能自主确定飞机的状态矢量并为飞行提供导航支持，已成为飞机上不可缺少的机载电子设备，其工作稳定性和导航信息的精度直接关系到飞行任务的顺利完成。在实际使用过程中，某型惯导经常出现地速超差的故障，致使整个惯导系统精度超差。

1、惯导地速超差判读

经统计，该型惯导的地速超差故障主要表现为飞行准备、滑行过程或着陆后停车检查地速超差，为找到地速超差的原因，需首先对地速的数据形式和超差判断方法进行针对性的分析。

1.1反映地速的数据形式

该型惯导地速数据的读取方式有两种：一是在飞机平显或下显画面上直接读取地速数据；二是通过一线或二线检测设备读取计算模块存储的数据，观察反映加速度随时间变化的脉冲数以及计算得到的三轴速度Vx、Vy、Vz的数值。

1.2超差判断方法

机上判断机上可从平显或下显画面上观察地速数值，若出现以下情况，则可判定为惯导地速超差：飞行准备阶段，导航后地速显示不为零或出现大幅跳变；飞机着陆停车后，地速明显大于11.9km/h；飞机滑行过程中，显示地速与实际速度差异大。地面或修理中判断在地面上，通过一线检测设备，调取惯导内存数据，检查加计脉冲数据，观察是否有大的数据跳变，以及观察Vx和Vy的计算数值、Vx和Vy的单轴数据是否均不超过0.8m/s，若超过可判定为地速超差。在实验室，通过二线检测设备对惯导通电复测，静态和动态下检查其导航性能，若导航前15min和导航1h性能均达不到低于0.8m/s的技术指标，可判定为惯导地速超差。

2、地速超差原因分析及预防措施

根据上述惯性导航地面速度的简单计算模型和惯性导航地面速度物理实现过程分析，可以确定惯性导航地面速度最直接的误差来源是测量瞬时加速度和随后的定量积分运算，加速度测量的精度不仅受到设备性能和零误差的影响，而且还受到惯性平台稳定状态的影响，该稳定状态直接受稳定循环控制，与惯性平台中使用的陀螺、导电环、电机、轴承等部件直接相关。结合实际工作中常见故障的修复经验，构建了这种惯性导航系统的简单故障树“土速源于公差误差”。在错误树中，该字段显示错误事件，并且顶部和底部事件由逻辑OR符号关联，这意味着每个输入错误都会导致输出错误。故障树建立后，可根据故障树的分支自上而下地速度公差之外找到故障源，分别分析故障原因，提出有针对性的修复和预防措施。

2.1故障原因分析

惯性元器件性能下降，惯导依靠惯性元器件（陀螺和加速度计）的惯性运动特性来测量飞机的加速度和角运动，陀螺的漂移和加速度计的零位偏差是其中主要的误差来源。惯性元器件的性能下降必然导致测量的加速度和角速度不准确，从而导致推算出的速度误差大，产生地速超差故障。惯导温控回路故障，由于该型惯导所使用的惯性元器件的性能受温度影响较大，设置温控回路可以确保惯性元器件在最适宜的温度下发挥其最佳性能，因此惯性平台内部工作时会保持一定温度，同时通过温度补偿来控制降温对性能的影响。温控回路故障将导致误差补偿不准确，甚至直接降低惯性元器件的性能，最终导致地速超差。元器件的安装误差，惯性平台内部为精密元器件，对安装有着非常高的要求，安装完成后需要将参数输入计算机，通过计算机补偿误差。一旦惯性平台安装结构发生细微变化，根据惯导解算方程推导，地速将会产生更大的误差。计算误差，计算误差包括加速度计的量化误差和计算模块失效导致的计算误差，其中，量化器的量化误差影响最直接。量化器的主要考核指标为非线性误差和交叉耦合误差以及零位一次启动稳定性，若量化器考核指标超差，将直接导致加速度经量化后产生误差，影响地速的最终计算结果。惯性平台元器件磨损，惯性平台元器件磨损是地速超差可预见性因素，容易磨损的元器件包括轴承、导电环和电机，在惯性平台中承担转动、信号传输和信号执行的作用，其中导电环和精密轴承的磨损最为突出。导电环是平台式惯导惯性平台的重要组成部分，承担惯性平台台体内各种信号与系统的传输和交联，导电环因受限于制造技术和安装空间以及平台运转的变化等因素，大机动飞行后容易导致导电环相邻线路搭线、烧断等，表现为接触电阻变大、绝缘差，直接导致稳定回路控制精度降低或惯性元器件性能下降，最终间接影响地速的精度。精密轴承在惯性平台中起框架支撑和运转的功能，转动摩擦力矩是考核轴承的关键指标，随着使用时间的延长，轴承的磨损会使摩擦力矩变大，直接导致稳定回路的性能变化，最终引起地速超差。

2.2预防措施

利用故障树对地速超差故障开展分析，并结合修理中地速超差故障排除情况，发现惯性元器件性能下降和元器件磨损是导致惯导报地速超差故障的主要原因，下面针对实验室修理保障提出针对性的预防措施，以确保产品质量可控。惯性元器件的精度检查，在对惯导进行指标考核时，除了需检查整体性能之外，还需对惯性元器件进行单独检查，可复测其漂移常值和漂移变化量，以了解陀螺的性能变化情况，对漂移变化量较大的陀螺采取更换以避免隐患；还可对惯性元器件采取寿命控制措施，以避免惯性元器件性能突变导致超差故障。易损元器件的检查和更换，易损元器件尤其是轴承和导电环的检查是修理中必不可少的项目。导电环主要检查通道接触电阻和绝缘性能，以判断导电环的性能状态，对不符合指标要求的线路需要及时排除，可采用换环、并环甚至更换整个导电环的方式来确保平台工作状态稳定可靠。对于惯性平台中所使用的轴承，可参考平台摩擦力矩测试结果，相应地采取清洗、加润滑油或更换的方法，以达到良好的平台运转和支撑状态。温控回路和量化器的性能检查，温控回路的性能检查体现在对温控板的控制和执行元件——加热片的检查上。实际修理中，通过复测温控板的性能来监控温控回路的状态，通过检查加热片的状态和及时更换烧断或鼓包的加热片，确保整个温控回路工作正常，从而降低惯性元器件受温度影响而性能下降的风险。量化器的性能检查体现在对量化器线路板的综合指标检查上。通过复测三个通道的非线性误差、交叉耦合误差和零位一次启动稳定性等性能，判断量化器板的性能状态，根据测试情况针对性地进行修复和调试，以保证量化器板的指标符合技术要求，从源头上避免加速度量化过程中产生误差。

地面速度是车轮速度比配对逻辑中非常重要的参数。该逻辑设计是指低精度惯性导航系统的地面速度，在飞机的小速度范围内启动车轮速度比对逻辑，导致上述误差。建议在车轮速度对逻辑中使用惯性导航的组合地面速度或GPS地面速度。当飞机在10 kn至60 kn的范围内滚动时，一旦满足车轮速度匹配逻辑，车轮速度就会进入无效状态，从而导致刹车恶化和前轮旋转恶化，使飞行员无法控制飞机进行大角度旋转，飞机可以停留在跑道上，影响机场的飞行组织和运行安全。建议相应调整逻辑地面速度范围，参照惯性导航组合的地面速度，更精确地调整车轮速度比。

结束语

本文根据土速模型和故障树，对土速扰动进行了深入分析，并提出了相应的预防措施。修复时，应首先检查惯性部件的性能状态，消除陀螺仪和加速度计等硬件性能下降所引起的测量误差。二、检查轴承和导电环等易受伤害部件的性能；最后，检查温度控制回路和量子器的性能。上述措施可有效地从这种惯性导航系统的公差误差中防止地面速度。

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