2018/09/04 開發(fā)日志補翻

原文地址：https://forums.eagle.ru/showthread.php?p=3447237#post3447237

譯者吐槽：眾所周知 DCS:F-14B 中，飛行手冊的總體設計部分其中一大半都在介紹 INS 導航，幾乎是1：1還原了真機中導航系統(tǒng)的工作方式（TARPS 目前還未加入游戲），如果你對 F-14 的導航感到迷惑的話，希望這篇往期的官方開發(fā)日志文章能夠更好的幫助你理解游戲中（也許）最具深度慣性導航模擬！

PS：手冊復讀內(nèi)容已用?*?號進行了標注，如對導航的理解感到自信，可以跳過這篇文章（本質(zhì)上是對手冊的一點補充，更詳細的請查看手冊：https://kaidrick.github.io/DCS-F-14-Flight-Manual-zh-CN/）。那么廢話不多說，開始我們本次文章！

親愛的玩家們，?

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如前所述；我們的主要目標為盡可能完整地將 F-14 模組發(fā)布出來。其中我們將完全籌備好的一個大項目就是導航系統(tǒng)，尤其是新的慣性導航系統(tǒng)模擬。導航系統(tǒng)與其他原件例如 TID 和 CAP 密切相關(guān)，以后我們將會在這方面進行更詳細的介紹。?

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享受由 F-14 開發(fā)人員 Krzysztof Sobczak（物理學教授）撰寫的與下方導航系統(tǒng)相關(guān)的專業(yè)和物理學更新！?

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引言?

*一架好的戰(zhàn)機應該能為機組乘員提供導航，而無需外部導航輔助或引導。實現(xiàn)這一目標的方法就是為飛機裝備慣性導航系統(tǒng)（INS）。INS 通過測量慣性力（即加速度）以及旋轉(zhuǎn)時的角速度并對其積分以計算飛機的位置以及線速度。一套良好的導航系統(tǒng)可以精確地引導飛機前往數(shù)百或數(shù)千英里外的任務目標，然后安全、可靠地返回到基地。當飛機被設計為在遠離地面塔康臺和目視參考點的大洋上執(zhí)行任務時，這樣的導航系統(tǒng)顯得更加重要。?

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F-14?中所使用的?INS 為?多裝置?艦載機慣性導航系統(tǒng)（CAINS）。你或許以及發(fā)現(xiàn)，本次開發(fā)介紹的中心正是此系統(tǒng)。?

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AN/ASN-92?特性?

AN/ASN-92 INS 是 F-14?中的主要導航系統(tǒng)，為機組和其它飛機系統(tǒng)提供：?

• 當前經(jīng)緯度?

• 姿態(tài)?

• 真航向和磁航向?

• 本機的地速和地面航跡?

• 存儲和顯示三個導航點，固定點（FP）、起始點（IP）、地面/水面目標（ST）、基地（HB）、防御點和敵對區(qū)域的能力?

• 距離，方位，指令航線，指令航向和到所選目標的剩余時間?

• 計算出的風速和風向?

• 計算出的磁差?

• 連續(xù)監(jiān)測設備狀態(tài)，并在發(fā)生故障時通過注意燈燈和在 TID 上顯示失效部件對應的的縮寫來通知機組的能力?

• 部分系統(tǒng)失效后的備用導航模式?

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*盡管對于機組來說，INS 主要用于導航，但其對其他機載設備的正常運行也是必不可少的。例如，雷達就需要從 INS 獲取飛機的姿態(tài)。一些武器投放模式（特別是那些長距離投放模式），需要獲取姿態(tài)以及本機位置信息。更令機組痛苦的是，INS 的完全失效使得例如 AIM-7 或 AIM-54 的某些高級模式無法使用。?

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*同樣的信息也被用于數(shù)據(jù)鏈路的運行——當使用錯誤的 INS 數(shù)據(jù)時，從友機接收的本機航跡以及目標信息將無法匹配，并且將導致 TID 顯示錯誤的目標。以上的情況只是一些例子，每當飛機系統(tǒng)需要用到飛機姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)時，這些數(shù)據(jù)均取自 INS 系統(tǒng)。?

構(gòu)成和運作原理。?

AN/ASN-92?由多個部件所組成，但是有兩個組成為系統(tǒng)核心的特殊部件：慣性測量裝置（IMU）和導航計算機。?

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*IMU 是一個三軸、三環(huán)式、全姿態(tài)單元，包含有兩個陀螺儀和三個加速度計。陀螺儀和加速度計安裝在相對于基座（飛機）可以自由旋轉(zhuǎn)的平臺上。平臺的四環(huán)架系統(tǒng)賦予了平臺自由旋轉(zhuǎn)時不被環(huán)架鎖定的能力，并能夠使用力矩電機來修正平臺姿態(tài)誤差。陀螺儀測量其敏感軸的旋轉(zhuǎn)角度，并且是有關(guān)飛機姿態(tài)信息的數(shù)據(jù)源。它們還負責穩(wěn)定整個平臺并保持加速度計相對于地面（重力）的垂直的方向。兩個加速度計負責測量水平方向的加速度，而第三個加速度計負責測量垂直方向的加速度。加速度計的敏感軸相互正交。力矩器線圈能檢測質(zhì)量塊的軸向位移并產(chǎn)生一個放大信號，這個信號然后發(fā)送給力矩器，將質(zhì)量塊恢復到零位。當前所需的力矩大小和加速度成正比。測得的加速度信號在計算機內(nèi)進行積分，并用于從起始點計算飛機的速度和位移。平臺的姿態(tài)也不斷修正來消除地球自轉(zhuǎn)和設備誤差相關(guān)的影響。?

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*這樣的設計被廣泛用于平臺式慣性導航系統(tǒng)。除了用于 F-14 外，還用于航天飛機和許多當代的其他飛機。?在下方，您可以從 JA-37 飛行手冊中找到 IMU 的草圖——這個模型與 F-14 所使用的幾乎一致。?

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*像 AN/ASN-92 這樣的 INS 設備需要對加速度和姿態(tài)進行高精度測量，因為即使最小的誤差也會在長時間累積后導致明顯的誤差。?

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*舉一個例子：慣性平臺從標稱位置略微傾斜，比如說，0.002°。然后，水平加速度計不再與地面平行，這意味著它們?nèi)菀资艿街亓τ绊?。如果不修正，則導航計算機會將重力分量誤認為水平加速度。如果錯誤的姿態(tài)保持一小時，將導致超過一海里的位置測量誤差。這樣巨大的誤差正是由最小的對準誤差造成的。?

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*INS?的精度會隨著時間的推移而降低——通常它們在導航模式下運行的時間越長,?累積的誤差就越大。?

INS?對準程序?

INS?設備在準備好導航前必須先準備好。這個過程我們將其稱之為【對準】。在對準開始前，RIO?必須輸入飛機的坐標和高度。?

選擇了對準模式后，對準子程序?qū)⒈蛔x入至計算機中并且第一階段——粗對準——將會開始。?

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*第二階段——精對準——使用陀螺儀漂移的精確測量值來計算飛機的真航向。由于地球的自轉(zhuǎn)，這是可能的。對準不會使用磁航向，并且整個過程僅依賴于測量 3D 空間內(nèi)平臺的非慣性運動。?

岸基作業(yè)來說，整個對準過程應該在8分鐘內(nèi)完成。飛機可以在地面預先進行對準來進行快速反應。這樣可以將對準的時間縮減至2分鐘，但這要求飛機系留在警戒位置。?

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對于艦上來說，由于母艦在不停的移動，所以艦上對準比地面對準稍微復雜些。因此，為了支持該（對準）過程，艦船 INS 數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)鏈路或甲板邊緣的線纜傳輸?shù)斤w機。艦上對準過程應該在10-12分鐘內(nèi)完成。如果艦船的數(shù)據(jù)無效，那么艦船的真艏向和航速可由 RIO 手動輸入。?

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性能?

按照海軍規(guī)范的需求，在北緯45°（注：為什么在北緯45度？https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%99%E6%BA%96%E9%87%8D%E5%8A%9B），完全對準后的 AN/ASN-92 INS 應該具備以下性能。?

• 航向 3 弧分。（注：誤差）?

• 俯仰和滾轉(zhuǎn) 2.5 弧分。?

• 0.75海里/小時的位置誤差率。?

• 3英尺/秒的垂直誤差?

• 所有值都表示標準偏差，并假設誤差為正態(tài)分布。?

• 在完成粗對準標準后，RIO 可以決定在任何時刻完成對準并切換至 INS 導航模式。但是，過早的選擇導航模式將會顯著降低導航質(zhì)量。?

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F-14 INS?無法在空中對準。如果在空中?INS?失效或沒有正確?INS?對準就起飛了，那么你可以使用兩種備用導航模式。這兩種備用導航模式通過從?IMU 或?AHRS（姿態(tài)航向基準系統(tǒng)）獲取的姿態(tài)信息，CADC（中央大氣數(shù)據(jù)計算機）中的空速，存儲的風向風速數(shù)據(jù)和磁差來提供航位推算。?

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RIO?可以通過更新飛機位置來提高（恢復）空中?INS?的精度：?

• 使用雷達鎖定一個已知的參考點（航路點）。?

• 通過 TACAN 信號和將已知的 TACAN 臺坐標存儲為航路點。?

• 通過飛躍目視參考點。?

• 使用數(shù)據(jù)鏈路，當飛機在密集編隊或選中一個雷達鎖定（合作的飛機）。?

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在空中更新飛機 INS 位置可能會引入比更新前更大的誤差，并且更新位置所使用的方法的精度也限制了更新的準確性。因此，當導航穩(wěn)定性顯著降低時，機組應該使用備用導航方式時才會有大的用處。?

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仿真?

*設計一套 INS（IMU）是一項有挑戰(zhàn)性的工作，工程師需要全面考慮各項問題，如校正、對準、地球自轉(zhuǎn)、慣性力、熱穩(wěn)定性、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器精度、各種類型的校正以保證設備長時間運行后依舊保持精度，以及更多需要考慮的問題。模擬一套 INS 系統(tǒng)是也很相似——這也不是什么輕松的活。?

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*在 Heatblur ，我們決定開發(fā)一套全新的數(shù)學模型來模擬我們 F-14 的 AN/ASN-92。模型包括了所有導致設備最終精度偏差的潛在誤差源，并重建了一個三環(huán)式三軸 INS 平臺的特性行為。這一系列下來的結(jié)果是一組算法可以在 DCS 中真實還原 AN/ASN-92，但經(jīng)過優(yōu)化之后卻能夠做到幾乎不影響 CPU 性能。?

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由于下面的圖片等價于1000個單詞，因此為了方便，你可以直接查看下方我們對 AN/ASN-92 仿真測試運行的結(jié)果。?

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該圖中，飛行已停放，IMU 的初始失準為 0.0005 度，即，非常低。圖中代表 INS 計算出的位置誤差隨時間變化的幅度。如您所見，變化是不定的，在某些時刻誤差的幅度會減小。這種震蕩行為是已知的一種效應，由德國工程師馬克西米利安舒勒提出（舒勒調(diào)諧）。理論上這個震蕩預計的周期為84分鐘。在我們的建模中，這些震蕩是在仿真物理過程中的自然的產(chǎn)物。最后，正如您所見，飛機不必移動來積累 IMU 誤差。?

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從功能的角度來看，我們對 AN/ASN-92 的仿真是真實的模擬真實裝置，并包含了上述所有功能。它們其中大多數(shù)已經(jīng)實裝，最后缺失的功能將會在接下來的幾周內(nèi)就完成。?

可以期待你的 INS 將會：?

• 將您導航至任意目標點?

• 漂移和并不是100%的準確?

• 與其他飛機系統(tǒng)通信并仿真 INS 的一些誤差會影響其性能

• 需要正確對準?

• 如果在任務編輯器中選擇了對應的復選框，使用預存航向?qū)史椒▉頊p少對準時間至2分鐘。?

• 有時會失效，迫使您使用備用模式。?

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飛行測試結(jié)果?

結(jié)束本次更新內(nèi)容，我們想向您提供我們在 DCS 中駕駛 F-14 進行的兩次飛行測試的記錄。我們從內(nèi)利斯空軍基地起飛，爬升至12000英尺，飛向克里奇，貼地飛行然后飛向古魯姆湖。在古魯姆湖上進行一次“zoom climb”（注：術(shù)語https://en.wikipedia.org/wiki/Zoom_climb）后，我們下降回到地面高度接著直線飛向米德湖，穿過米德湖至胡佛水壩，飛躍博爾德市，然后返回內(nèi)利斯基地。整個線路大概花費近40分鐘。?

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在飛行前，我們將 INS 對準至“精對準”狀態(tài)——消耗了大約8分鐘時間。第二次飛行前進行了部分對準，在對準了4分鐘后停止對準。?

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我們將數(shù)據(jù)導出并加載至谷歌地球中，并準備了真實飛行路線與 INS 測得的飛行路線的圖形對比。?

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完全對準情況下，計算出的 INS 位置的誤差在飛行的末尾時與真實的飛行路徑誤差有0.4海里，而4分鐘對準則有4海里。?

如果你想細看結(jié)果，你可以下載記錄下來的飛行路徑并在谷歌地球中打開來查看：?

精對準：https://drive.google.com/open?id=1yI...qvBaA6hnUHwDQx?

4分鐘對準：?https://drive.google.com/open?id=1Bx...M3ZHA6QqRaxZKE?

感謝您耐心地閱讀！?

當我們在更細致地探究在 F-14 導航系統(tǒng)的實際使用時，我們將在下一個開發(fā)更新中會返回 AN/ASN-92。?

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一如既往，感謝您的支持！?

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誠摯的，?

Heatblur?Simulations?