从战斧导弹看GPS与惯性导航(INS)

从战斧导弹看GPS与惯性导航(INS)

从1991年美国的“沙漠风暴”到2003年的“震慑行动”，精确指导武器的应用已经成了高技术战争勿庸置疑的杀手锏,使用比例也从91年的40% 达到2003年的 90% .精确制导武器以其预先设定目标,防区外发射,发射后不用管,和高精确性改变了战争态势,使技术含量低的军队完全成为标靶甚至无法达到有效杀伤对手的目的.91年海湾战争以后,包括中国在内的很多国家都开始重新思考高技术条件下的战争模式.直接结果就是空军海军力量的加强和传统陆军的裁减.当然高技术战争不仅包括精确制导武器,还有以卫星,预警机,无人机为基础的战场信息获取系统,C4I 指挥通讯系统和优势的火力灵活的战术.但以战斧巡航导弹为代表的精确打击武器无疑是赢得战场优势的刀尖!

战斧导弹是一种亚音速的巡航导弹,可以从潜艇,军舰,飞机等不同载体发射,对视距外最远达2000公里的目标进行自主精确打击.精度可以在10米以内.正是由于战斧的高精度使它得以成为美军斩首行动的首选兵器.战斧如此高精度的打击能力要归功于独特的复合指导系统. 这套系统由GPS制导+惯性制导+数字地形匹配制导组成,由GPS接收机定时发送位置修正信号纠正惯性导航系统的漂移并配以精确的数字地形模型使导弹能以相当低的高度掠地飞行避开敌方雷达的搜索.在我们看来有GPS已经足够了为什么还要加上惯导呢?这是因为

尺有所长 寸有所短!

GPS系统是28颗在轨导航卫星不间断发射包含导航电文,轨道信息,时钟信号等无线电信号由接收机接收,利用几何交会原理得出精确坐标的系统.GPS单点定位精度可以优于20米,同时可以得到接收机所在载体的方向,速度高程等信息.
GPS的优势在于高精度,高动态,全天候,实时性,没有误差累积.但是GPS的弱点同样明显,第一必须与天空通视,不然无法收到信号.第二GPS无线电信号到达地面已经非常微弱,接收机必须增益才可以解算.这两点在浓烟,电磁辐射强烈,甚至人为干扰的战场环境变得比较突出!这在老型号战斧被伊军GPS干扰机欺骗偏离目标的战例中非常明显的表现出来.
INS惯性导航系统 是一种不需要外部信息接收,也不向外界发射任何信号的自主式导航系统.不受工作环境限制.地面,空中甚至水下都可以有效地自主导航.它的核心是IMU惯性测量单元(Inertial Measurement Unit),由陀螺和加速度计组成.加速计测量陀螺X,Y,Z三个方向上的加速度得出IMU所在载体的加速度.这样如果初始坐标已知,惯导系统就可以不断的提供速度,坐标信息和载体方位等信息.不受任何干扰和自持性是惯导系统的最大优势.INS系统的弱点和优点同样明显,如果没有外部坐标更新INS的精度会以与时间相关的函数降低.只有不断提高陀螺精度来延长精确定位时间,比如光纤陀螺,激光陀螺.

GPS/INS整合系统

比较GPS与INS的优缺点我们惊奇的发现这两种导航定位系统有着惊人的互补特性.由GPS给出惯导高精度的初始位置之后由几乎不受任何干扰的惯导系统进行自主导航,途中再由GPS适时给出修正指令抑制惯导的精度漂移,最后导弹可以采用INS,GPS,或数字景象匹配任意一种进行精确攻击.
军用产品一向是民用产品的先导.GPS/INS联合定位的方式对于民用GPS应用也具有相当广阔的前景.
众所周知GPS作为一种先进的生产方式已经被大多数测绘单位所接受,但GPS的固有弱点很大程度上限制了它的使用范围. 城市测图如果能高效地应用GPS技术将会大大提高效率,节约费用.但城市高楼林立,无线电环境复杂,造成GPS多路径效应极大增加,严重的遮挡甚至使接收机无法正常收星. 外业用户也会经常遇到需要在树下或遮挡严重的地域作业的问题.有的GPS接收机采取降低致信度的办法来达到抗干扰的目的.但致信度的降低造成GPS精度以无法预测的非线性变化,这是很难接受的.现在如果GPS与INS有机结合起来,这套系统可以在开阔环境以高精度RTK测量,并在相当长的时间内利用GPS给出的高精度初始位置进入原本不可能进入的林地,隧洞,桥下甚至室内进行作业!这是一个非常美妙的前景!尤其与降低致信度不同的是,虽然INS随时间降低精度但这是一个线性变化可以进行软件修正,或重新获取一个GPS位置进行修正.

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