2. 导航传感器工作原理与故障模式

飞行器导航系统由多类传感器共同构成，它们分别提供姿态、位置、速度、高度、航向等关键状态量。要判断传感器是否故障，必须先理解每个传感器“正常时输出什么、依据什么物理量、在什么条件下会失真”。本节围绕惯性测量单元、卫星导航接收机、大气数据传感器、磁力计和气压高度表五类典型传感器，梳理其工作原理与常见故障模式，为后续故障检测与隔离建立物理基础。

惯性测量单元（IMU）

IMU 由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，陀螺仪测量机体角速率，加速度计测量比力。以常见的 MEMS 器件为例，陀螺仪利用科里奥利力使振动质量块产生位移，通过电容变化换算角速率；加速度计则通过检测质量块在加速度作用下的位移得到比力。IMU 输出的是相对机体坐标系的原始量，需经姿态解算才能得到姿态角。

IMU 的典型故障包括：零偏漂移，即静止时输出不为零且随时间缓慢变化；标度因数误差，使输出与实际角速率或比力不成比例；轴间耦合，某一轴运动引起其他轴虚假输出；随机游走与噪声增大；以及饱和与死区，在大角速率或大加速度下输出被限幅或小信号无响应。此外，安装误差和温度漂移也会导致系统性偏差。判断 IMU 是否异常，常通过静态零偏稳定性、 Allan 方差分析、六面标定残差以及与其他传感器的一致性比对来实现。

卫星导航接收机

卫星导航接收机通过天线接收多颗卫星的伪距和载波相位信号，经捕获、跟踪、解算得到位置、速度和时间。其核心观测量是伪距，定位精度受卫星几何分布（DOP）、电离层延迟、多路径和接收机噪声影响。接收机通常输出 PVT 解、卫星数、信噪比、定位模式等状态信息。

典型故障模式包括：信号遮挡或干扰导致卫星数不足、定位跳变；多路径引起伪距偏差，表现为位置缓慢漂移或周期性误差；欺骗干扰使接收机输出错误位置且难以察觉；接收机内部时钟异常导致时间跳变；以及天线故障、馈线损耗造成信噪比整体下降。工程上常通过检查卫星数、DOP 值、信噪比、定位模式变化率以及与其他导航源的位置差来识别异常。

大气数据传感器

大气数据传感器包括空速管、静压孔、总温探头等，用于测量动压、静压和总温，进而解算空速、气压高度和马赫数。空速管测量总压，静压孔测量静压，二者之差为动压，结合大气密度可得到指示空速。总温用于修正温度对密度和声速的影响。

常见故障有：空速管堵塞，导致总压停滞，空速随高度升高而异常增大或减小；静压孔堵塞，使气压高度和空速同时出现偏差；加热失效导致结冰，改变气动外形和压力分布；管路泄漏造成压力损失；以及总温探头故障使温度修正错误。判断时需对比左右空速管、备用静压源以及 GPS 高度，观察空速与姿态、油门是否匹配。

磁力计

磁力计测量地球磁场在机体三轴上的分量，用于确定航向。理想情况下，磁力计输出应满足总磁场强度恒定，且水平分量指向磁北。实际使用中需进行椭球拟合标定，消除硬磁和软磁干扰。

典型故障包括：硬磁干扰使磁场中心偏移；软磁干扰使椭球变形；附近电机、电流线或铁磁部件产生动态磁场；以及磁力计自身饱和或噪声增大。故障表现为航向跳变、航向与 GPS 航迹角不一致、总磁场强度异常。检测时可通过比较磁力计解算航向与 GPS 航迹角、检查总磁场强度是否在合理范围、观察标定残差来判断。

气压高度表

气压高度表通过测量静压，依据标准大气模型换算高度。其输出为气压高度，需结合当地气压基准修正为修正海压高度或场压高度。气压高度表结构简单，但受静压源和大气条件影响大。

常见故障有：静压孔堵塞导致高度停滞或缓慢漂移；管路泄漏使高度偏低；温度补偿错误；以及基准设置错误导致高度偏差。判断时可将气压高度与 GPS 高度、无线电高度进行对比，观察高度变化率与垂直速度是否一致。

故障模式与检测思路的对应关系

从上述五类传感器可以看出，故障模式虽然各异，但检测思路有共同规律：先明确传感器正常输出应满足的物理约束，再观察输出是否偏离约束，最后通过多源交叉比对定位故障源。例如，IMU 的零偏漂移可通过静态零偏稳定性判断；GNSS 的欺骗干扰可通过与惯导位置差和信噪比异常识别；大气数据传感器的堵塞可通过左右空速管和 GPS 高度对比发现；磁力计的硬磁干扰可通过总磁场强度和航向一致性判断；气压高度表的静压孔堵塞可通过与 GPS 高度和垂直速度对比识别。

在实际工程中，这些传感器往往同时工作，故障检测算法需要综合多源信息。例如，当空速管堵塞时，空速异常但 GPS 速度正常，气压高度可能同时异常；当 GNSS 信号丢失时，惯导可短时递推，但零偏漂移会逐渐累积。因此，理解每个传感器的物理原理和典型故障模式，是设计故障检测与隔离逻辑的前提。