一级计量师

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新一代精确制导武器用的卫星定位/惯性导航2

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：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）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，按卡尔曼滤波器的配置，分为两种：①松耦合（亦称串行耦合），即两者各有1个卡尔曼滤波器。②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：①GPS接收机技术，主要是高效、低成本的器件技术。②INS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。③GPS/INS耦合技术，包括卡尔曼滤波配置、误差估值技术等。④GPS/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。⑤GPS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。

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