GPS與INS的運(yùn)用

1、GPS/INS的運(yùn)用一、進(jìn)行GPS/INS組合的必要性 GPS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，使用方便、成本低廉，其最新的實(shí)際定位精度已經(jīng)達(dá)到5米以內(nèi)。但是GPS系統(tǒng)軍事應(yīng)用還存在易受干擾、動態(tài)環(huán)境中可靠性差以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足。 INS系統(tǒng)則是利用安裝在載體上的慣性測量裝置（如加速度計(jì)和陀螺儀等）敏感載體的運(yùn)動，輸出載體的姿態(tài)和位置信息。INS系統(tǒng)完全自主，保密性強(qiáng)，并且機(jī)動靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時(shí)間迅速積累的問題，導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，不能單獨(dú)長時(shí)間工作，必須不斷加以校準(zhǔn)。 將GPS和INS進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長補(bǔ)短，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。二、GPS/IN

2、S組合制導(dǎo)技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛應(yīng)用 目前，以美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的對地攻擊導(dǎo)彈中制導(dǎo)方式仍然是慣導(dǎo)+輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。由于美國軍用GPS具有相當(dāng)高的精度并且使用方便，美國和其它一些西方國家都在中制導(dǎo)段采用GPS作為慣導(dǎo)的輔助導(dǎo)航系統(tǒng)而不再采用地形匹配。此外，許多新型制導(dǎo)武器如洛馬公司研制的“聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈”（JASSM）和波音公司制造的“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）等均依靠GPS/INS進(jìn)行高精度制導(dǎo)。 以JDAM為例，它是將現(xiàn)有庫存的普通炸彈加裝GPS/INS制導(dǎo)的尾部組件而改成的全天候制導(dǎo)彈藥，其慣導(dǎo)部分采用了一種小型激光陀螺儀。JDAM在投放前由載機(jī)的航空電子系統(tǒng)不斷修正。一旦

3、投放，炸彈的GPS/INS系統(tǒng)將接管載機(jī)航空電子系統(tǒng)的工作，并引導(dǎo)炸彈飛向目標(biāo)，而不受天氣情況的影響。制導(dǎo)通過一個(gè)精確的GPS部件和一個(gè)三軸INS部件的密切配合實(shí)現(xiàn)。制導(dǎo)控制部件在GPS輔助INS操作模式和INS單一操作模式都提供了精確制導(dǎo)。 以上這些武器比飛機(jī)更接近干擾機(jī)，所面臨的干擾強(qiáng)度比發(fā)射導(dǎo)彈的飛機(jī)要嚴(yán)重得多。GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)能識別干擾信號的存在，并在較短的時(shí)間內(nèi)以較小的制導(dǎo)誤差進(jìn)行精確制導(dǎo)。 一體化GPS/INS組合制導(dǎo)不僅提高了武器系統(tǒng)的可靠性，而且精度也高，通常其圓概率誤差在1013米之間，而單獨(dú)使用GPS制導(dǎo)的精度約為15米。 三、GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展趨勢

4、 美國計(jì)劃通過增強(qiáng)衛(wèi)星發(fā)布信號的功率、增強(qiáng)星上處理能力、改進(jìn)星上原子鐘和星歷外推算法來提高衛(wèi)星自主工作能力。增加發(fā)射3個(gè)新的信號：一是高功率點(diǎn)波束軍用M碼，信號的增益將比GPS發(fā)射機(jī)當(dāng)前采用的增益高得多，具備比P碼更強(qiáng)的安全保密性；二是將C/ A碼加載在L2載波上，原來加載在L1載波上的C/ A碼繼續(xù)保留；三是L5碼，用作生命安全信號，僅供民用。未來的GPS衛(wèi)星能用兩個(gè)頻段發(fā)布兩種軍用導(dǎo)航碼，在實(shí)戰(zhàn)中可以構(gòu)成4種工作模式，從而可以大大提高抗干擾的能力。同時(shí)，衛(wèi)星能在短時(shí)間內(nèi)自主運(yùn)行120天。另外，根據(jù)美國空軍公布的2025年長期規(guī)劃，美國還計(jì)劃在GPS衛(wèi)星上安裝后向天線，用于向高軌空間發(fā)布導(dǎo)航

5、定位信息和使高軌衛(wèi)星自主運(yùn)行。目前，美國軍方的GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室正在研究GPS 3型衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案。 為了進(jìn)一步提高性能，今后美國還將在飛機(jī)、船只、地面車輛和武器上使用更復(fù)雜的GPS接收機(jī)?，F(xiàn)役C/A碼的長度只有1023比特，以50比/秒的速度進(jìn)行逐個(gè)搜索，僅需20.5秒，易被敵方破譯。P碼長度約為2. 351014比特，需267天才重復(fù)一次，完成一次捕獲時(shí)間較長，安全性較好。但是，現(xiàn)役軍用P碼接收機(jī)是通過C/A碼引導(dǎo)才完成P碼捕獲的，因而容易受C/A碼狀態(tài)的影響。為此，美軍方正在研制能獨(dú)立捕獲P碼的軍用接收機(jī)。此外，美國軍方還在研制空間分集型接收機(jī)、調(diào)零型接收機(jī)和波束成形型接收機(jī)等抗干擾軍

6、用碼接收機(jī)，以通過改進(jìn)接收機(jī)的性能來提高接收機(jī)的抗干擾能力。 四、數(shù)據(jù)融合技術(shù)將進(jìn)一步提高GPS/INS組合制導(dǎo)的性能 GPS/INS兩者組合的關(guān)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。為了提高導(dǎo)航精度，目前普遍應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)來最優(yōu)地組合各導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，估計(jì)出導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，再用誤差狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值去校正系統(tǒng)。但是，系統(tǒng)的狀態(tài)方程是時(shí)變的，而且狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中含有導(dǎo)航信息及慣性元件測量值，這些含有誤差的參數(shù)使得濾波器模型不準(zhǔn)確。另外，很難精確地估計(jì)或測定系統(tǒng)噪聲與觀測噪聲，所以采用常規(guī)卡爾曼濾波器時(shí)常常會發(fā)散。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在研究新的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。例如采用自適應(yīng)濾波技術(shù)，在進(jìn)行濾波的同時(shí)，利用觀測數(shù)據(jù)帶來的信息，不斷地在線估計(jì)和修正模型參數(shù)、噪聲統(tǒng)計(jì)特性和狀態(tài)增益矩陣，以提高濾波精度，得到對象狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值。 此外，如何將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能、小波變換等各種信息處理方法引入以GPS/INS組合制導(dǎo)為核心的信息融合技術(shù)正在引起人們