山海那边的云端
2024
众所周知，感知和控制人类身体平衡的部位是脑部结构中的小脑和前庭系统，那么在航空器上，是什么部件来实现上述功能的呢？ 在航空器上，实现此类功能的称谓有些不同，术语称为姿态与航向。本文介绍该系统，全称为航空器的姿态与航向基准系统 (Attitude Heading Reference System, AHRS) 。 需要说明的是，AHRS通常应用于中小型飞机、轻型公务机、部分民用直升机以及一些军用直升机上。而在大型民用客机上，实现类似功能的系统称为惯性基准系统（IRS），通常IRS相较于AHRS可以实现更多的功能，并且其精度和冗余度程度更高，更可靠。
注意：本文不做系统和性能比较，AHRS的介绍也只做普遍通识，参数与性能有差异，尽量不要对号入座。
一、AHRS概述
SUMMARY
姿态航向基准系统（Attitude Heading Reference System, AHRS）是现代航空器的重要飞行仪表系统之一，主要负责提供航空器在三维空间中的姿态信息（俯仰、滚转、偏航）以及航向数据。
随着航空技术的不断发展，AHRS逐渐取代了传统的机械式陀螺仪和磁罗盘系统，成为航空电子系统的核心组成部分。
AHRS系统的核心技术基于多个传感器的协同工作，包括加速度计、陀螺仪和磁力传感器部件，通过高精度的融合算法实时计算出飞机的姿态和航向信息。由于其高精度、可靠性和较低的维护需求，AHRS已广泛应用于民用航空、军用航空以及无人机系统。
二、AHRS系统组成
COMPONENTS
AHRS系统的组成包括多个传感器单元以及相应的计算与校正算法，通常可以分为以下几个主要部分：
1. 陀螺仪 (Gyroscopes)
陀螺仪是AHRS系统中至关重要的部分，它可以测量飞机绕着其三个轴的角速度，包括横轴（俯仰）、纵轴（滚转）和垂直轴（偏航）。
传统的陀螺仪基于机械转动原理，现代的陀螺仪则多采用MEMS（微机电系统）技术，通过微小的震动元件感应角速度。这种数字化的陀螺仪具备更高的可靠性和精度。
注意：虽然采用MEMS（微机电系统）技术是AHRS一部分的选择，但是对于很多先进航空器，光纤速率陀螺和激光陀螺仍然是不二选择。
题外话：
航电专业的朋友们非常清楚，在大学专业课里面，陀螺是入门知识：陀螺的概念，陀螺的分类，陀螺的特性，等等。陀螺的特性是实现其现实功能的关键部分。
感兴趣的朋友可以翻翻旧日教材，重温大学课程，挺有意思。
2. 加速度计 (Accelerometers)
加速度计用于测量航空器在三个轴向的线性加速度。通过测量加速度的方向和大小，可以推导出航空器的姿态变化，特别是在飞行初始状态时，它是计算俯仰和滚转角的关键。
与陀螺仪相比，加速度计可以更直接地感知重力方向，因此在航向稳定过程中有很大的作用。
3. 磁传感器单元 Magnetic Sensors Units (MSU)
磁传感器单元 Magnetic Sensors Units (MSU)也被称为磁通阀（Flux Valves）
磁通阀可以测量地球磁场的方向，提供航向信息。
尽管磁通阀的精度受限于飞机的磁场干扰，但它仍然是校正航向偏差的重要工具。特别是在没有GPS信号或其他外部导航系统时，磁通阀能为航向提供有效的冗余支持。
小问题：为什么磁通阀通常安装于航空器尾部非复杂设计区域？
4. AHRU
AHRU是系统的计算单元 (Processing Unit)。
现代AHRS系统中的计算单元负责实时接收传感器数据，并通过融合算法计算姿态和航向。这些计算单元通常具有很强的抗干扰能力和数据处理速度，以确保系统在飞行过程中能够快速响应。
Tips1：AHRU通常配备自己供电的风扇——和电脑一样，也需要散热。
Tips2：AHRU通常有模式按钮，根据系统状态，模式按钮可用于进入MSU校准模式或重置系统。
Tips3：AHRU后部会有快卸模块（IDM），用于存储AHRU配置信息，包括MSU补偿、GPS相关、校准补偿等信息，不累述。故如果更换MSU（磁通阀）的话需要重新校准该模块（因为内部有MSU补偿参数等信息）；如果只是更换AHRU则不需要。
Tips4：通常，陀螺仪（如光纤速率陀螺）和加速度计由于体积较小，会集成于AHRU内部。
术语解释：融合算法 (Sensor Fusion Algorithms)
AHRS系统不仅仅是简单的传感器组合，其核心在于通过融合算法对多个传感器数据进行校正与整合。常见的融合算法包括卡尔曼滤波（Kalman Filter）和补偿滤波（Complementary Filter）。
这些算法利用不同传感器的优势，将短期内较为精准的陀螺仪数据和长期稳定的加速度计、磁通阀数据结合起来，从而获得航空器准确的姿态和航向信息。
三、AHRS的工作原理
PRINCIPLE
AHRS系统通过各类传感器协同工作，精确感知和计算飞机的姿态和航向信息。其工作原理可以简单分为以下几个步骤：
第一步. 初始姿态检测：
在航空器启动时，加速度计检测重力方向，提供初始的俯仰角和滚转角数据。同时，磁通阀提供初始航向信息。
初始启动后，AHRS执行对齐，持续一定时间，通常一分钟内。在校准过程中，ATT和HDG警告标志在驾驶舱显示器上可见，并在校准完成后消失。
第二步. 传感器数据采集：
当飞机在飞行过程中发生姿态变化时，陀螺仪实时测量角速度，加速度计和磁力计则感知线性加速度和地磁场的变化。
第三步. 数据融合与计算：
计算单元根据陀螺仪的角速度数据，结合加速度计的重力向量和磁力计的航向数据，利用融合算法不断修正姿态和航向的计算结果。
第四步. 输出姿态与航向信息：
最终，AHRS系统将计算出的航空器姿态（包括俯仰角、滚转角、偏航角）和航向信息传输给飞行员显示系统，或者传输到自动飞行控制系统，用于自动驾驶。
TIPS:
AHRS使用磁性（MAG）模式作为航向的标准操作模式。在MAG或从动模式下，AHRU与磁通阀的磁航向输出对齐。
如果航向陀螺仪和通量阀输出之间存在差异，则航向陀螺仪与磁通阀对齐。
四、AHRS的功能与应用
FUNCTION AND APPLICATION
AHRS系统的主要功能是实时提供航空器的姿态和航向信息，这些信息在飞行过程中有多种重要应用：
1. 飞行仪表显示
AHRS系统的姿态信息通常直接显示在飞机的电子飞行仪表系统（EFIS）中，特别是姿态指引仪（Attitude Indicator, AI）和航向指示器（Heading Indicator）。
当然也包括备用姿态方向指引仪。
推荐阅读：强大的“备用姿态指引仪”
这些显示帮助飞行员在各种复杂飞行条件下保持对飞机姿态的准确感知，尤其是在能见度低、无外部参考的飞行环境中。在仪表飞行规则下，AHRS是重要的参考系统。
2. 自动飞行控制
现代航空器的自动驾驶系统依赖AHRS提供的姿态和航向信息进行飞行控制。例如，自动驾驶系统需要根据飞机的俯仰角、滚转角等数据来维持平稳飞行，尤其是在长途飞行或恶劣天气条件下。
AHRS与机载多功能计算机、自动驾驶系统、FMS、显示系统等机载系统交联，系统的交联和内部的融合计算为自动飞行控制提供实时姿态与航向信息。
AHRS为自动飞行控制提供了精确的数据支撑，确保自动驾驶系统的稳定性和准确性。
3. 无人机导航与控制
在无人机（UAV）领域，AHRS系统同样是其飞行控制的核心。
由于无人机多在复杂环境中飞行，且没有飞行员进行实时调整，AHRS提供了稳定的姿态信息，使无人机能够自动进行姿态调整、航向规划和飞行控制。
当然，无人机的AHR系统更为简单，更为融合，成本也更低。类似的惯导系统模块某宝大把。
小结
TO BE CONTINUED
姿态航向基准系统（AHRS）作为现代航空器的核心飞行系统之一，凭借其高精度、低维护和强大的姿态基准能力，已经成为现代航空飞行的技术支柱。
不同航空器实现该功能的系统称谓不同，系统组成也是有所差异，如果雷同或者不符，可留言回复探讨。
本文介绍了AHRS的组成部分及其基本工作原理，后面章节还描述了AHRS的功能实现以及显示应用。
后续文章将继续给朋友们介绍AHRS系统的特点和未来发展方向，感兴趣的朋友们可以继续关注。
