新一代精确制导武器用的卫星定位惯性导航组合

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1、新一代精确制导武器用的卫星定位惯性导航组合新一代精确制导武器用的卫星定位惯性导航组合卫星定位/惯性导航（GPS/INS）组合制导技术，是目前最先进的、全天候、自主式 制导技术，有广泛应用前景，是国外正在发展的第四代中/远距精确制导空地武器、 尤其是第四代精确制导炸弹普遍采用的一项关键技术。最早采用 GPS/INS 组合制导技术的机载精确制导武器，是美国海军的舰载攻击机 A-7E 装备使用的“斯拉姆” （SLAM）AGM-84E 空舰导弹。该弹采用GPS/INS 组合制导为中 段制导，红外成像加视频数据链遥控为末段制导，在 1991 年初爆发的海湾战争中，以 其很高的命中精度取得引人注目的战绩。

2、海湾战争之后该弹的改进型“增敏斯拉姆” （SLAM-ER）AGM-84H 和“大斯拉姆” （Grand SLAM）空舰导弹，中段制导均采用 GPS/INS 组合制导。目前已经采用 GPS/INS 组合制导技术的新一代机载精确制导空地武器有：美国的 AGM-86C 空 射巡航导弹、AGM-130 空地导弹、 AGM-142 空地导弹、CBU-97/B 传感器引爆（SFW）子母 炸弹和 GBU-29/31“杰达姆” （JDAM）制导炸弹。 “杰达姆”由 B-2A隐身战略轰炸机携带 ，首次大量用于 1999 年 3 月 24 日至 6 月 10 日对南联盟持续 78 天的狂轰滥炸中，并于 5 月 8

3、 日 野蛮轰炸我驻南使馆。计划加装该组合制导的机载精确制导武器有：AGM-154“杰索伍” （JSOW）联合防区外发射武器、 “贾斯姆” （JASSM）联合防区外空地导弹和“杰达姆” （JDAM）第 2、3 阶段制导炸弹等。一、全球定位系统（GPS）技术美国 1993 年建成的“全球定位系统” （GPS） ，是美国国防部管理的军民两用的天基 无线电导航系统。它由导航星座、地面控制站和用户定位接收机组成。导航星座目前 由 24 颗卫星组成，其中有 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星，在离地高度约 20183 千米处有 6 个椭圆形轨道平面，轨道倾角 55，均匀分布 4 颗卫星，运行周期 12 小

4、时/转，3 颗卫星 的覆盖区域超过全球，故使全球各地用户至少可同时接收到 6 颗卫星播发的导航信号， 最多可同时接收 11 颗卫星播发的导航信号。地面控制站用于测量和预报卫星轨道并对 卫星上的设备工作情况进行监控，为用户接收机提供卫星相对于地面的位置数据。用户定位接收机利用接收的、来自由其星历数据准确获知空间位置的卫星发射的、以 光速传播的信息，测出该信息传播的时间，计算出其与该卫星的相对位置，即距离。 利用距离三角形测量原理，用户 GPS 接收机同时接收 3 颗卫星的信号，可以计算出用户 GPS 接收机所在的三维空间位置；同时，利用对在测量时间内获得的距离进行时间微 分，根据线性速度与多普勒

5、频率的关系，用户 GPS 接收机可测量出卫星的多普勒频率 ，从而计算出自身的运动速度。由于用户接收机的时钟基准，相对于 GPS 的原子钟基 准存在误差，因此，将其实际测量距离称之为“伪距” （pseudo range） ，将在其 实际测量时间间隔内对该伪距离微分所得之速度测量值称之为“差伪距” （Delta pseudo range） ，亦称“伪距率” 。为了确定用户 GPS 接收机所在的三维位置并对 其时钟误差进行校准，必须至少同时跟踪接收 GPS 导航星座中的 4颗卫星的信号，才 能完成导航计算任务。若同时跟踪接收 GPS 导航星座中的 4 颗以上的卫星，则在使用 相同的惯性导航系统时的导

6、航计算的精度会更高。GPS 导航星座中的每颗卫星均装有作为测量系统时间标准的同步的铯（Cs133）原子 钟和传送定位信号的载波发射机，载波信号工作在 L 波段的 2 个频率：L1 为 1575.42 MHz，L2 为 1227.6 MHz。L1 载波信号采用 1.023 MHz、带宽 1 MHz的伪随机噪声编 码进行调制，重复调制间隔时间为 1024 位或 1 毫秒，该调制编码称之为“粗截获 （C/A）码” ，为全球民用用户提供“标准定位服务” （SPS） 。 L2 载波信号采用 10.23 MHz、带宽 10 MHz 的伪随机噪声编码进行调制，重复调制间隔时间为 7 天， 该调制编码称之为“

7、精（P）码” ，为美国和其盟国军事用户提供“精确定位服务” （PPS） 。卫星播发的导航信号的传输速率为 50 位/秒，L1 和 L2 载波信号除运载导航 信息外，还有描述卫星轨道、时钟校准和其他系统参数的各数据位。为防止民用 C/A 码 GPS 接收机转为军事用途，美国国防部引入“选择可用性” （SA） 技术，即在现有 C/A 码 GPS 接收机性能水平上，将一个约 0.2 毫秒颤抖噪声的人为误差 加入到时钟信号，使接收到的定位信号偏差以 0.46 米/秒的速度增加，使其定位精度 下降到约 100 米。为防止敌方干扰，还对 P 码加密，使其工作在“抗电子欺骗” （AS） 方式，密码文件定期更

8、新，加密的 P 码正式称之为 Y 码，通常称之为 P（Y）码。只有加 装保密的 AS 模块的军用 GPS 接收机，才能正常接收 P（Y）码信号，其定位精度约 20 米。 由于 P（Y）码和 C/A 码的重复调制间隔时间分别为 7 天和 1 毫秒，而且 P（Y）码比 C/A 码 的编码要长得多，C/A 码很容易截获，P（Y）码若无辅助措施几乎不可能截获。因此 ，军用 GPS 接收机必须先接收 C/A 码信号，从中获取能实现快速截获 P（Y）码信号所需 的“交班字” （HOW）信息，然后才能转入接收 P（Y）码信号。同时，由于 L1 载波 C/A 码调制幅度大于 L2 载波 P（Y）码调制幅度，军

9、用 GPS 接收机可以从 2 个频率测量值，消 除空间电离层、对流层造成的定位误差，使其定位精度提高到约 18米。影响 GPS 接收机 定位精度的主要误差源为空间段、系统段和用户段，主要包括：电离层传播延时、对 流层传播延时，后者包括卫星时钟、卫星星历表、接收机等。目前，降低卫星时钟和 星历表误差的方法，主要有广域 GPS 增强（WAGE） 、差分GPS（DGPS）和相对 GPS（ RGPS）等。二、惯性导航系统（INS）技术惯性导航系统（INS）是一个自主式的空间基准保持系统，由惯性测量装置、控制显示 装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括 3 个加速度计和 3 个陀螺

10、仪。前者用来测量运载器的 3 个平移运动的加速度，指示当地地垂线的方向；后 者用来测量运载器的 3 个转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。对测出的加速度 进行两次积分，可算出运载器在所选择的导航参考坐标系的位置。按照惯性测量装置在运载器上的安装方式，可分为平台式和捷联式两类惯性导航系统。 平台式惯性导航系统是将加速度计和陀螺仪安装在惯导平台上，按照建立坐标系的不同 ，又可分为空间稳定和当地水平的惯性导航系统，前者的惯导平台相对惯性空间稳定， 后者的惯导平台能跟踪当地水平面，但其方位相对于地球可以是固定的，也可以是自由 的、游动的。由于平台能隔离运载体的振动，惯性仪表的工作条件较好，可减少测

11、量误 差，提高导航精度，但结构复杂，体积大，造价高。捷联式惯性导航系统是将加速度计 和陀螺仪安装在运载体上，由计算机软件建立一个数学平台，取代机械惯性平台，因而 结构简单，体积小，重量轻，成本低，但惯性仪表工作条件较差，测量误差增大，导航 精度下降，故对陀螺仪的要求很高，能耐冲击、振动，角速度测量范围要大，采用静电 陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等新型陀螺较为理想。最早采用惯性导航系统制导的武器，是二次世界大战期间法西斯德国的 V-2 地地弹道导弹 。战后发展的各种远程导弹，大都采用惯性导航系统作为中段制导或全程制导；各种近 距战术导弹则广泛采用捷联式惯性导航系统作为制导系统。惯性导航系统主要优点是

12、： 不依赖任何外界系统的支持而能独立自主地进行导航，能连续地提供包括姿态基准在内 的全部导航和制导参数，具有对准后良好的短期精度和稳定性。其主要缺点是：结构复 杂、造价较高，导航误差随时间积累而增大，加温和对准时间较长，因此，不能满足远 距离或长时间航行以及高精度导航或制导的要求。为了提高导航定位精度，出现了多种 组合导航的方式，即把各具特点的不同类型的导航系统匹配组合，使之相互取长补短， 从而形成一种更为优良的新型导航系统组合导航系统，如惯性导航与多普勒组合导 航系统、惯性导航与测向/测距（VOR/DME）组合导航系统、惯性导航与罗兰（LORAN） 或德卡（DECCA）或奥米加（OMEGA）

13、或康索尔（CONSOL）或地面参照导航（TRN）或地 形特征匹配（TCM）组合导航系统，以及惯性导航与全球定位系统（INS/GPS）组合导 航系统。在上述组合导航系统中，以后者最为先进，应用最为广泛。三、卫星定位/惯性导航（GPS/INS）组合制导技术惯性导航与卫星定位（INS/GPS）组合导航系统用于武器制导，能充分发挥两者各自 优势并取长补短，利用 GPS 的长期稳定性与适中精度，来弥补 INS的误差随时间传播或 增大的缺点，利用 INS 的短期高精度来弥补 GPS 接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢 失信号等的缺点，进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、重 量轻、造价低

14、的优势，并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息，提高 GPS 接收机天线 的定向操纵性能，使之快速捕获或重新捕获 GPS 卫星信号，同时借助 GPS 连续提供的高 精度位置信息和速度信息，估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和系统其它误 差参数，实现对其空中传递对准和标定，从而可放宽对其精度提出的要求，使得整个 组合制导系统达到最优化，具有很高的效费比。GPS/INS 两者组合的关键器件，是作为两者的接口并起数据融合作用的卡尔曼滤波器。 卡尔曼滤波技术是由 R.C.卡尔曼和 R.S.布西于 20 世纪 60 年代初期，为满足应用高速数 字式计算机进行人造地球卫星轨道和导航等计算要求，而提出的一

15、类新的线性滤波的 模型和方法，通称为卡尔曼滤波。采用卡尔曼滤波器，可以将惯导系统的误差、陀螺 的随机漂移、加速度计的误差，作为状态变量列出离散化的状态方程，建立描述系统 的统计数学模型，然后用该状态方程和测量方程共同描述卫星定位/惯性导航（GPS/INS） 组合系统的动态特性，由滤波方程经数据处理，给出系统状态变量的最优估值，控制器 根据这些误差的最优估值对惯导系统进行校正综合，使组合系统的导航定位误差为最小 。由于卡尔曼滤波器是一种具有无偏性的递推线性最小方差估计，即其估计误差的均值 或其数学期望为零，因此，GPS/INS 组合系统是最优的组合制导系统。GPS/INS 组合的 方式，按卡尔曼

16、滤波器的配置，分为两种：松耦合（亦称串行耦合） ，即两者各有 1 个卡尔曼滤波器。紧耦合，即两者共用 1 个卡尔曼滤波器。两种组合方式各有优缺点 ，从精度着眼，通常采用紧耦合方式。GPS/INS 组合制导主要关键技术为：GPS 接收机技术，主要是高效、低成本的器件技 术。INS 技术，包括各种新型惯性传感器技术，如激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀 螺，以及各种微机电制造技术等。GPS/INS 耦合技术，包括卡尔曼滤波配置、误差估 值技术等。GPS/INS 的机载/弹载综合技术，包括机载/弹载GPS/INS 的传递对准、 GPS/INS 的转换、相对 GPS 瞄准与攻击、GPS/INS 建模与精度分析等。GPS 干扰与抗干 扰技术，包括 GPS 接收机的干扰与抗干扰技术、加密与解密技术、精度补偿技术等。