GPS辅助惯性制导_在线百科全书查询
GPS辅助惯性制导
概述
全球定位系统（GPS）辅助惯性制导，也称GPS/INS组合制导。GPS/INS组合制导技术是发展中的第四代中/远距机载精确制导空地武器、尤其是第四代精确制导炸弹普遍采用的关键技术，有广泛应用前景。
特点
GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，其最新的实际定位精度已经达到5米以内。但是GPS系统军事应用还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。
INS系统则是利用安装在载体上的惯性测量装置（如加速度计和陀螺仪等）敏感载体的运动，输出载体的姿态和位置信息。INS系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必须不断加以校准。
GPS/INS组合制导，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全球定位卫星信号，同时借助全球定位系统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。
应用
GPS/INS组合制导技术广泛装备于国外的制导炸弹以及中/远距空地导弹中，例如美国的JDAM、小直径炸弹、"斯拉姆"(SLAM)AGM-84E空舰导弹、AGM-86C空射巡航导弹、AGM-130空地导弹、AGM-142空地导弹、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等。
在现代战争中的广泛应用
1． GPS/INS组合制导成为广泛应用的全程制导和中段制导技术
目前，以美国“战斧”巡航导弹为代表的对地攻击导弹中制导方式仍然是惯导+辅助导航系统。由于美国军用GPS具有相当高的精度并且使用方便，美国和其它一些西方国家都在中制导段采用GPS作为惯导的辅助导航系统而不再采用地形匹配。此外，许多新型制导武器如洛马公司研制的“联合防区外空地导弹”（JASSM）和波音公司制造的“联合直接攻击弹药”（JDAM）等均依靠GPS/INS进行高精度制导。
一体化GPS/INS组合制导不仅提高了武器系统的可靠性，而且精度也高，通常其圆概率误差在10~13米之间，而单独使用GPS制导的精度约为15米。
2． GPS/INS组合制导系统为飞机等武器平台提供导航定位服务
目前，美国和其它北约国家空军的绝大部分主战飞机都换装了以激光陀螺为核心的第二代标准惯导仪。其改装计划的重点是，在以光学陀螺为基础的惯性系统黑匣子中嵌入结实的、抗干扰的GPS接收机（OEMB板）。这种嵌入式配置不需要在惯导和单独的GPS接收机之间设置另外的安全总线，从而使GPS的伪距/伪距率数据不会受到威胁信号的干扰。这种INS和GPS的深耦合系统被称作“嵌入惯导系统中的GPS”，简称为EG1，其定位精度均为0.8海里 /小时（圆概率误差），准备时间也由过去的15分钟减少到5~8分钟，系统可靠性从原来的几百小时提高到2000~4000小时。
3． GPS/INS组合制导系统为军事侦察行动提供高精度定位信号
侦察的目的在于发现目标，确定目标的位置和评估武器的打击效果。对目标的命中率取决于武器制导的精度、发现目标的能力和对目标定位的精度。目前，很多国家正在利用高空成像技术建立全球地理信息数据库。高空成像系统主要由高空侦察机、低轨和中轨卫星组成，该系统就使用了GPS/INS组合制导系统，利用其提供的无人侦察机实时位置和炮弹所放出的侦察降落伞的实时位置将连同图像一并发送基地，进而确定目标的位置。
发展趋势
1． 提高GPS系统的抗干扰性能，从而提高GPS/INS组合制导的可靠性
美国计划通过增强卫星发布信号的功率、增强星上处理能力、改进星上原子钟和星历外推算法来提高卫星自主工作能力。增加发射3个新的信号：一是高功率点波束军用M码，信号的增益将比GPS发射机当前采用的增益高得多，具备比P码更强的安全保密性；二是将C/ A码加载在L2载波上，原来加载在L1载波上的C/ A码继续保留；三是L5码，用作生命安全信号，仅供民用。未来的GPS卫星能用两个频段发布两种军用导航码，在实战中可以构成4种工作模式，从而可以大大提高抗干扰的能力。同时，卫星能在短时间内自主运行120天。另外，根据美国空军公布的2025年长期规划，美国还计划在GPS卫星上安装后向天线，用于向高轨空间发布导航定位信息和使高轨卫星自主运行。目前，美国军方的GPS联合计划办公室正在研究GPS 3型卫星的设计方案。
为了进一步提高性能，今后美国还将在飞机、船只、地面车辆和武器上使用更复杂的GPS接收机。现役C/A码的长度只有1023比特，以50比/秒的速度进行逐个搜索，仅需20.5秒，易被敌方破译。P码长度约为2. 35×1014比特，需267天才重复一次，完成一次捕获时间较长，安全性较好。但是，现役军用P码接收机是通过C/A码引导才完成P码捕获的，因而容易受C/A码状态的影响。为此，美军方正在研制能独立捕获P码的军用接收机。此外，美国军方还在研制空间分集型接收机、调零型接收机和波束成形型接收机等抗干扰军用码接收机，以通过改进接收机的性能来提高接收机的抗干扰能力。
美国当前在GPS接收机方面的两项最为重要的技术是GPS接收机应用组件（GRAM）和选择可用性反欺骗模块（SAASM）。其中GRAM是一种标准电子插件，可将其加在未来的飞机、舰艇、导弹和各种武器中，目的是确保安全性和互通性。所有的GRAM将采用开放式系统结构，能灵活地增加、替代或取消系统中的某些元件。SAASM是第二代的GPS技术产品安全模块，用于保护保密的GPS算法、数据和校准。它将集成到接收机应用模块中，从而可提高GPS系统的安全性，使GPS接收机更易于维护，降低其费用。
2． 研制新型INS系统，从而提高GPS/INS组合制导的精度
目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式的惯导系统。利用激光来作为方位测向器的陀螺将逐渐取代传统的机械陀螺。激光陀螺惯导系统的定位精度高，随机漂移小，并能快速进入作战状态，于20世纪80年代初开始成功地应用于飞机及地面车辆的导航和舰炮等方面，以后又应用于导弹和运载火箭等领域。但是，环形激光陀螺的谐振腔必须严格密封，并保证其中的氦氖混合气体组分浓度恒定，反射镜镀膜工艺要求高，制造成本高，而且会有“闭锁现象”等问题产生，因此还有待于改进。目前，许多科研单位正致力于固体环形激光陀螺仪的研究。
光纤陀螺的基本工作原理与环形激光陀螺相似，除了具有激光陀螺所有的优点外，还不需要精密加工、严格密封的光学谐振腔和高质量的反射镜，所以减少了复杂性，降低了成本，具有更强的市场竞争力。日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纤陀螺。美国研制的光纤陀螺已应用于飞机俯冲、横滚和航向基准的惯性测量系统中。但目前的光纤陀螺会出现角度随机游动、零偏不稳定等缺陷，其性能有待提高。
随着现代微机电系统（MEMS）的飞速发展，近年来硅微陀螺（俗称芯片陀螺）和硅加速度计的研制工作进展很快。据报道，这种新的固态陀螺的零偏稳定性已能达到1 度/小时（温控条件下）。现在美国已开始小批量生产由硅微陀螺和硅加速度计构成的微型惯性测量装置，其低成本、低功耗及体积小、质量轻的特点很适于战术应用，在航空上最先的应用场合将是战术导弹和无人机。 高精度的惯导装置需要先进的精密加工工艺作为基础。随着关键理论和技术的突破，会有多种类型的惯性陀螺应用在军事领域，发挥出日益显著的作用。
3． 数据融合技术将进一步提高GPS/INS组合制导的性能
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。为了提高导航精度，目前普遍应用卡尔曼滤波技术来最优地组合各导航系统的信息，估计出导航系统的误差状态，再用误差状态的最优估计值去校正系统。但是，系统的状态方程是时变的，而且状态转移矩阵中含有导航信息及惯性元件测量值，这些含有误差的参数使得滤波器模型不准确。另外，很难精确地估计或测定系统噪声与观测噪声，所以采用常规卡尔曼滤波器时常常会发散。为了解决这个问题，研究人员正在研究新的数据融合技术。例如采用自适应滤波技术，在进行滤波的同时，利用观测数据带来的信息，不断地在线估计和修正模型参数、噪声统计特性和状态增益矩阵，以提高滤波精度，得到对象状态的最优估计值。
此外，如何将神经网络人工智能、小波变换等各种信息处理方法引入以GPS/INS组合制导为核心的信息融合技术正在引起人们的高度重视。这些新技术一旦研制成功，必将进一步提高GPS/INS组合制导的综合性能。
