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新一代精確制導武器用的衛(wèi)星定位/慣性導航

衛(wèi)星定位/慣性導航(GPS/INS)組合制導技術，是目前最先進的、全天候、自主式制導技術，有廣泛應用前景，是國外正在發(fā)展的第四代中/遠距精確制導空地武器、尤其是第四代精確制導炸彈普遍采用的一項關鍵技術。

最早采用GPS/INS組合制導技術的機載精確制導武器，是美國海軍的艦載攻擊機A-7E裝備使用的“斯拉姆”(SLAM)AGM-84E空艦導彈。該彈采用GPS/INS組合制導為中段制導，紅外成像加視頻數(shù)據(jù)鏈遙控為末段制導，在1991年初爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭中，以其很高的命中精度取得引人注目的戰(zhàn)績。海灣戰(zhàn)爭之后該彈的改進型——“增敏斯拉姆”(SLAM-ER)AGM-84H和“大斯拉姆”(Grand SLAM)空艦導彈，中段制導均采用GPS/INS組合制導。

目前已經(jīng)采用GPS/INS組合制導技術的新一代機載精確制導空地武器有：美國的AGM-86C空射巡航導彈、AGM-130空地導彈、AGM-142空地導彈、CBU-97/B傳感器引爆(SFW)子母炸彈和GBU-29/31“杰達姆”(JDAM)制導炸彈。“杰達姆”由B-2A隱身戰(zhàn)略轟炸機攜帶，首次大量用于1999年3月24日至6月10日對南聯(lián)盟持續(xù)78天的狂轟濫炸中，并于5月8日野蠻轟炸我駐南使館。計劃加裝該組合制導的機載精確制導武器有：AGM-154“杰索伍”(JSOW)聯(lián)合防區(qū)外發(fā)射武器、“賈斯姆”(JASSM)聯(lián)合防區(qū)外空地導彈和“杰達姆”(JDAM)第2、3階段制導炸彈等。

一、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術

美國1993年建成的“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，是美國國防部管理的軍民兩用的天基無線電導航系統(tǒng)。它由導航星座、地面控制站和用戶定位接收機組成。導航星座目前由24顆衛(wèi)星組成，其中有21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，在離地高度約20183千米處有6個橢圓形軌道平面，軌道傾角55°，均勻分布4顆衛(wèi)星，運行周期12小時/轉，3顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域超過全球，故使全球各地用戶至少可同時接收到6顆衛(wèi)星播發(fā)的導航信號，最多可同時接收11顆衛(wèi)星播發(fā)的導航信號。地面控制站用于測量和預報衛(wèi)星軌道并對衛(wèi)星上的設備工作情況進行監(jiān)控，為用戶接收機提供衛(wèi)星相對于地面的位置數(shù)據(jù)。

用戶定位接收機利用接收的、來自由其星歷數(shù)據(jù)準確獲知空間位置的衛(wèi)星發(fā)射的、以光速傳播的信息，測出該信息傳播的時間，計算出其與該衛(wèi)星的相對位置，即距離。利用距離三角形測量原理，用戶GPS接收機同時接收3顆衛(wèi)星的信號，可以計算出用戶GPS接收機所在的三維空間位置;同時，利用對在測量時間內獲得的距離進行時間微分，根據(jù)線性速度與多普勒頻率的關系，用戶GPS接收機可測量出衛(wèi)星的多普勒頻率，從而計算出自身的運動速度。由于用戶接收機的時鐘基準，相對于GPS的原子鐘基準存在誤差，因此，將其實際測量距離稱之為“偽距”(pseudo range)，將在其實際測量時間間隔內對該偽距離微分所得之速度測量值稱之為“差偽距”(Delta pseudo range)，亦稱“偽距率”。為了確定用戶GPS接收機所在的三維位置并對其時鐘誤差進行校準，必須至少同時跟蹤接收GPS導航星座中的4顆衛(wèi)星的信號，才能完成導航計算任務。若同時跟蹤接收GPS導航星座中的4顆以上的衛(wèi)星，則在使用相同的慣性導航系統(tǒng)時的導航計算的精度會更高。

GPS導航星座中的每顆衛(wèi)星均裝有作為測量系統(tǒng)時間標準的同步的銫(Cs133)原子鐘和傳送定位信號的載波發(fā)射機，載波信號工作在L波段的2個頻率：L1為1575.42 MHz，L2為1227.6 MHz。L1載波信號采用1.023 MHz、帶寬1 MHz的偽隨機噪聲編碼進行調制，重復調制間隔時間為1024位或1毫秒，該調制編碼稱之為“粗截獲(C/A)碼”，為全球民用用戶提供“標準定位服務”(SPS)。L2載波信號采用10.23 MHz、帶寬10 MHz的偽隨機噪聲編碼進行調制，重復調制間隔時間為7天，該調制編碼稱之為“精(P)碼”，為美國和其盟國軍事用戶提供“精確定位服務”(PPS)。衛(wèi)星播發(fā)的導航信號的傳輸速率為50位/秒，L1和L2載波信號除運載導航信息外，還有描述衛(wèi)星軌道、時鐘校準和其他系統(tǒng)參數(shù)的各數(shù)據(jù)位。

為防止民用C/A碼GPS接收機轉為軍事用途，美國國防部引入“選擇可用性”(SA)技術，即在現(xiàn)有C/A碼GPS接收機性能水平上，將一個約0.2毫秒顫抖噪聲的人為誤差加入到時鐘信號，使接收到的定位信號偏差以0.46米/秒的速度增加，使其定位精度下降到約100米。為防止敵方干擾，還對P碼加密，使其工作在“抗電子欺騙”(AS)方式，密碼文件定期更新，加密的P碼正式稱之為Y碼，通常稱之為P(Y)碼。只有加裝保密的AS模塊的軍用GPS接收機，才能正常接收P(Y)碼信號，其定位精度約20米。由于P(Y)碼和C/A碼的重復調制間隔時間分別為7天和1毫秒，而且P(Y)碼比C/A碼的編碼要長得多，C/A碼很容易截獲，P(Y)碼若無輔助措施幾乎不可能截獲。因此，軍用GPS接收機必須先接收C/A碼信號，從中獲取能實現(xiàn)快速截獲P(Y)碼信號所需的“交班字”(HOW)信息，然后才能轉入接收P(Y)碼信號。同時，由于L1載波C/A碼調制幅度大于L2載波P(Y)碼調制幅度，軍用GPS接收機可以從2個頻率測量值，消除空間電離層、對流層造成的定位誤差，使其定位精度提高到約18米。影響GPS接收機定位精度的主要誤差源為空間段、系統(tǒng)段和用戶段，主要包括：電離層傳播延時、對流層傳播延時，后者包括衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星星歷表、接收機等。目前，降低衛(wèi)星時鐘和星歷表誤差的方法，主要有廣域GPS增強(WAGE)、差分GPS(DGPS)和相對GPS(RGPS)等。

二、慣性導航系統(tǒng)(INS)技術

慣性導航系統(tǒng)(INS)是一個自主式的空間基準保持系統(tǒng)，由慣性測量裝置、控制顯示裝置、狀態(tài)選擇裝置、導航計算機和電源等組成。慣性測量裝置包括3個加速度計和3個陀螺儀。前者用來測量運載器的3個平移運動的加速度，指示當?shù)氐卮咕€的方向;后者用來測量運載器的3個轉動運動的角位移，指示地球自轉軸的方向。對測出的加速度進行兩次積分，可算出運載器在所選擇的導航參考坐標系的位置。

按照慣性測量裝置在運載器上的安裝方式，可分為平臺式和捷聯(lián)式兩類慣性導航系統(tǒng)。平臺式慣性導航系統(tǒng)是將加速度計和陀螺儀安裝在慣導平臺上，按照建立坐標系的不同，又可分為空間穩(wěn)定和當?shù)厮降膽T性導航系統(tǒng)，前者的慣導平臺相對慣性空間穩(wěn)定，后者的慣導平臺能跟蹤當?shù)厮矫?，但其方位相對于地球可以是固定的，也可以是自由的、游動的。由于平臺能隔離運載體的振動，慣性儀表的工作條件較好，可減少測量誤差，提高導航精度，但結構復雜，體積大，造價高。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)是將加速度計和陀螺儀安裝在運載體上，由計算機軟件建立一個數(shù)學平臺，取代機械慣性平臺，因而結構簡單，體積小，重量輕，成本低，但慣性儀表工作條件較差，測量誤差增大，導航精度下降，故對陀螺儀的要求很高，能耐沖擊、振動，角速度測量范圍要大，采用靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等新型陀螺較為理想。

最早采用慣性導航系統(tǒng)制導的武器，是二次世界大戰(zhàn)期間法西斯德國的V-2地地彈道導彈。戰(zhàn)后發(fā)展的各種遠程導彈，大都采用慣性導航系統(tǒng)作為中段制導或全程制導;各種近距戰(zhàn)術導彈則廣泛采用捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)作為制導系統(tǒng)。慣性導航系統(tǒng)主要優(yōu)點是：不依賴任何外界系統(tǒng)的支持而能獨立自主地進行導航，能連續(xù)地提供包括姿態(tài)基準在內的全部導航和制導參數(shù)，具有對準后良好的短期精度和穩(wěn)定性。其主要缺點是：結構復雜、造價較高，導航誤差隨時間積累而增大，加溫和對準時間較長，因此，不能滿足遠距離或長時間航行以及高精度導航或制導的要求。為了提高導航定位精度，出現(xiàn)了多種組合導航的方式，即把各具特點的不同類型的導航系統(tǒng)匹配組合，使之相互取長補短，從而形成一種更為優(yōu)良的新型導航系統(tǒng)——組合導航系統(tǒng)，如慣性導航與多普勒組合導航系統(tǒng)、慣性導航與測向/測距(VOR/DME)組合導航系統(tǒng)、慣性導航與羅蘭(LORAN)或德卡(DECCA)或奧米加(OMEGA)或康索爾(CONSOL)或地面參照導航(TRN)或地形特征匹配(TCM)組合導航系統(tǒng)，以及慣性導航與全球定位系統(tǒng)(INS/GPS)組合導航系統(tǒng)。在上述組合導航系統(tǒng)中，以后者最為先進，應用最為廣泛。

三、衛(wèi)星定位/慣性導航(GPS/INS)組合制導技術

慣性導航與衛(wèi)星定位(INS/GPS)組合導航系統(tǒng)用于武器制導，能充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢并取長補短，利用GPS的長期穩(wěn)定性與適中精度，來彌補INS的誤差隨時間傳播或增大的缺點，利用INS的短期高精度來彌補GPS接收機在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等的缺點，進一步突出捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、體積小、重量輕、造價低的優(yōu)勢，并借助慣導系統(tǒng)的姿態(tài)信息和角速度信息，提高GPS接收機天線的定向操縱性能，使之快速捕獲或重新捕獲GPS衛(wèi)星信號，同時借助GPS連續(xù)提供的高精度位置信息和速度信息，估計并校正慣導系統(tǒng)的位置誤差、速度誤差和系統(tǒng)其它誤差參數(shù)，實現(xiàn)對其空中傳遞對準和標定，從而可放寬對其精度提出的要求，使得整個組合制導系統(tǒng)達到最優(yōu)化，具有很高的效費比。

GPS/INS兩者組合的關鍵器件，是作為兩者的接口并起數(shù)據(jù)融合作用的卡爾曼濾波器?？柭鼮V波技術是由R.C.卡爾曼和R.S.布西于20世紀60年代初期，為滿足應用高速數(shù)字式計算機進行人造地球衛(wèi)星軌道和導航等計算要求，而提出的一類新的線性濾波的模型和方法，通稱為卡爾曼濾波

（責任編輯：中大編輯）

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