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二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試專業(yè)實(shí)務(wù)案例分析

新一代精確制導(dǎo)武器用的衛(wèi)星定位/慣性導(dǎo)航

衛(wèi)星定位/慣性導(dǎo)航（GPS/INS）組合制導(dǎo)技術(shù)，是目前最先進(jìn)的、全天候、自主式制導(dǎo)技術(shù)，有廣泛應(yīng)用前景，是國外正在發(fā)展的第四代中/遠(yuǎn)距精確制導(dǎo)空地武器、尤其是第四代精確制導(dǎo)炸彈普遍采用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

最早采用GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)的機(jī)載精確制導(dǎo)武器，是美國海軍的艦載攻擊機(jī)A-7E裝備使用的“斯拉姆”（SLAM）AGM-84E空艦導(dǎo)彈。該彈采用GPS/INS組合制導(dǎo)為中段制導(dǎo)，紅外成像加視頻數(shù)據(jù)鏈遙控為末段制導(dǎo)，在1991年初爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng)之后該彈的改進(jìn)型——“增敏斯拉姆”（SLAM-ER）AGM-84H和“大斯拉姆”（Grand SLAM）空艦導(dǎo)彈，中段制導(dǎo)均采用GPS/INS組合制導(dǎo)。

目前已經(jīng)采用GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)的新一代機(jī)載精確制導(dǎo)空地武器有：美國的AGM-86C空射巡航導(dǎo)彈、AGM-130空地導(dǎo)彈、AGM-142空地導(dǎo)彈、CBU-97/B傳感器引爆（SFW）子母炸彈和GBU-29/31“杰達(dá)姆”（JDAM）制導(dǎo)炸彈。“杰達(dá)姆”由B-2A隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)攜帶，首次大量用于1999年3月24日至6月10日對(duì)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(jì)劃加裝該組合制導(dǎo)的機(jī)載精確制導(dǎo)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(dǎo)彈和“杰達(dá)姆”（JDAM）第2、3階段制導(dǎo)炸彈等。

一、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)

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(dǎo)航系統(tǒng)。它由導(dǎo)航星座、地面控制站和用戶定位接收機(jī)組成。導(dǎo)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(gè)橢圓形軌道平面，軌道傾角55°，均勻分布4顆衛(wèi)星，運(yùn)行周期12小時(shí)/轉(zhuǎn)，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(shí)接收到6顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，最多可同時(shí)接收11顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)。地面控制站用于測(cè)量和預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道并對(duì)衛(wèi)星上的設(shè)備工作情況進(jìn)行監(jiān)控，為用戶接收機(jī)提供衛(wèi)星相對(duì)于地面的位置數(shù)據(jù)。

用戶定位接收機(jī)利用接收的、來自由其星歷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲知空間位置的衛(wèi)星發(fā)射的、以光速傳播的信息，測(cè)出該信息傳播的時(shí)間，計(jì)算出其與該衛(wèi)星的相對(duì)位置，即距離。利用距離三角形測(cè)量原理，用戶GPS接收機(jī)同時(shí)接收3顆衛(wèi)星的信號(hào)，可以計(jì)算出用戶GPS接收機(jī)所在的三維空間位置；同時(shí)，利用對(duì)在測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得的距離進(jìn)行時(shí)間微分，根據(jù)線性速度與多普勒頻率的關(guān)系，用戶GPS接收機(jī)可測(cè)量出衛(wèi)星的多普勒頻率，從而計(jì)算出自身的運(yùn)動(dòng)速度。由于用戶接收機(jī)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，相對(duì)于GPS的原子鐘基準(zhǔn)存在誤差，因此，將其實(shí)際測(cè)量距離稱之為“偽距”（pseudo range），將在其實(shí)際測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該偽距離微分所得之速度測(cè)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(jī)所在的三維位置并對(duì)其時(shí)鐘誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，必須至少同時(shí)跟蹤接收GPS導(dǎo)航星座中的4顆衛(wèi)星的信號(hào)，才能完成導(dǎo)航計(jì)算任務(wù)。若同時(shí)跟蹤接收GPS導(dǎo)航星座中的4顆以上的衛(wèi)星，則在使用相同的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)的導(dǎo)航計(jì)算的精度會(huì)更高。2012年注冊(cè)計(jì)量師考試

GPS導(dǎo)航星座中的每顆衛(wèi)星均裝有作為測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的同步的銫（Cs133）原子鐘和傳送定位信號(hào)的載波發(fā)射機(jī)，載波信號(hào)工作在L波段的2個(gè)頻率：L1為1575.42 MHz，L2為1227.6 MHz。L1載波信號(hào)采用1.023 MHz、帶寬1 MHz的偽隨機(jī)噪聲編碼進(jìn)行調(diào)制，重復(fù)調(diào)制間隔時(shí)間為1024位或1毫秒，該調(diào)制編碼稱之為“粗截獲（C/A）碼”，為全球民用用戶提供“標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)”（SPS）。L2載波信號(hào)采用10.23 MHz、帶寬10 MHz的偽隨機(jī)噪聲編碼進(jìn)行調(diào)制，重復(fù)調(diào)制間隔時(shí)間為7天，該調(diào)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(wù)”（PPS）。衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)的傳輸速率為50位/秒，L1和L2載波信號(hào)除運(yùn)載導(dǎo)航信息外，還有描述衛(wèi)星軌道、時(shí)鐘校準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)為軍事用途，美國國防部引入“選擇可用性”（SA）技術(shù)，即在現(xiàn)有C/A碼GPS接收機(jī)性能水平上，將一個(gè)約0.2毫秒顫抖噪聲的人為誤差加入到時(shí)鐘信號(hào)，使接收到的定位信號(hào)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(duì)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(jī)，才能正常接收P（Y）碼信號(hào)，其定位精度約20米。由于P（Y）碼和C/A碼的重復(fù)調(diào)制間隔時(shí)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(jī)必須先接收C/A碼信號(hào)，從中獲取能實(shí)現(xiàn)快速截獲P（Y）碼信號(hào)所需的“交班字”（HOW）信息，然后才能轉(zhuǎn)入接收P（Y）碼信號(hào)。同時(shí)，由于L1載波C/A碼調(diào)制幅度大于L2載波P（Y）碼調(diào)制幅度，軍用GPS接收機(jī)可以從2個(gè)頻率測(cè)量值，消除空間電離層、對(duì)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(jī)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(shí)、對(duì)流層傳播延時(shí)，后者包括衛(wèi)星時(shí)鐘、衛(wèi)星星歷表、接收機(jī)等。目前，降低衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷表誤差的方法，主要有廣域GPS增強(qiáng)（WAGE）、差分GPS（DGPS）和相對(duì)GPS（RGPS）等。

二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是一個(gè)自主式的空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，由慣性測(cè)量裝置、控制顯示裝置、狀態(tài)選擇裝置、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和電源等組成。慣性測(cè)量裝置包括3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀。前者用來測(cè)量運(yùn)載器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度，指示當(dāng)?shù)氐卮咕€的方向；后者用來測(cè)量運(yùn)載器的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角位移，指示地球自轉(zhuǎn)軸的方向。對(duì)測(cè)出的加速度進(jìn)行兩次積分，可算出運(yùn)載器在所選擇的導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的位置。

按照慣性測(cè)量裝置在運(yùn)載器上的安裝方式，可分為平臺(tái)式和捷聯(lián)式兩類慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將加速度計(jì)和陀螺儀安裝在慣導(dǎo)平臺(tái)上，按照建立坐標(biāo)系的不同，又可分為空間穩(wěn)定和當(dāng)?shù)厮降膽T性導(dǎo)航系統(tǒng)，前者的慣導(dǎo)平臺(tái)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，后者的慣導(dǎo)平臺(tái)能跟蹤當(dāng)?shù)厮矫?，但其方位相?duì)于地球可以是固定的，也可以是自由的、游動(dòng)的。由于平臺(tái)能隔離運(yùn)載體的振動(dòng)，慣性儀表的工作條件較好，可減少測(cè)量誤差，提高導(dǎo)航精度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，造價(jià)高。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將加速度計(jì)和陀螺儀安裝在運(yùn)載體上，由計(jì)算機(jī)軟件建立一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)，取代機(jī)械慣性平臺(tái)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，成本低，但慣性儀表工作條件較差，測(cè)量誤差增大，導(dǎo)航精度下降，故對(duì)陀螺儀的要求很高，能耐沖擊、振動(dòng)，角速度測(cè)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(dǎo)航系統(tǒng)制導(dǎo)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(dǎo)彈。戰(zhàn)后發(fā)展的各種遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，大都采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為中段制導(dǎo)或全程制導(dǎo)；各種近距戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈則廣泛采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為制導(dǎo)系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：不依賴任何外界系統(tǒng)的支持而能獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，能連續(xù)地提供包括姿態(tài)基準(zhǔn)在內(nèi)的全部導(dǎo)航和制導(dǎo)參數(shù)，具有對(duì)準(zhǔn)后良好的短期精度和穩(wěn)定性。其主要缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高，導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累而增大，加溫和對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長，因此，不能滿足遠(yuǎn)距離或長時(shí)間航行以及高精度導(dǎo)航或制導(dǎo)的要求。為了提高導(dǎo)航定位精度，出現(xiàn)了多種組合導(dǎo)航的方式，即把各具特點(diǎn)的不同類型的導(dǎo)航系統(tǒng)匹配組合，使之相互取長補(bǔ)短，從而形成一種更為優(yōu)良的新型導(dǎo)航系統(tǒng)——組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如慣性導(dǎo)航與多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航與測(cè)向/測(cè)距（VOR/DME）組合導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)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(dǎo)航（TRN）或地形特征匹配（TCM）組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以及慣性導(dǎo)航與全球定位系統(tǒng)（INS/GPS）組合導(dǎo)航系統(tǒng)。在上述組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，以后者最為先進(jìn)，應(yīng)用最為廣泛。

三、衛(wèi)星定位/慣性導(dǎo)航（GPS/INS）組合制導(dǎo)技術(shù)

慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星定位（INS/GPS）組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于武器制導(dǎo)，能充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢(shì)并取長補(bǔ)短，利用GPS的長期穩(wěn)定性與適中精度，來彌補(bǔ)INS的誤差隨時(shí)間傳播或增大的缺點(diǎn)，利用INS的短期高精度來彌補(bǔ)GPS接收機(jī)在受干擾時(shí)誤差增大或遮擋時(shí)丟失信號(hào)等的缺點(diǎn)，進(jìn)一步突出捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小、重量輕、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，并借助慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息和角速度信息，提高GPS接收機(jī)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(hào)，同時(shí)借助GPS連續(xù)提供的高精度位置信息和速度信息，估計(jì)并校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差、速度誤差和系統(tǒng)其它誤差參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其空中傳遞對(duì)準(zhǔn)和標(biāo)定，從而可放寬對(duì)其精度提出的要求，使得整個(gè)組合制導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，具有很高的效費(fèi)比。

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?？柭鼮V波技術(shù)是由R.C.卡爾曼和R.S.布西于20世紀(jì)60年代初期，為滿足應(yīng)用高速數(shù)字式計(jì)算機(jī)進(jìn)行人造地球衛(wèi)星軌道和導(dǎo)航等計(jì)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。采用卡爾曼濾波器，可以將慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差、陀螺的隨機(jī)漂移、加速度計(jì)的誤差，作為狀態(tài)變量列出離散化的狀態(tài)方程，建立描述系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，然后用該狀態(tài)方程和測(cè)量方程共同描述衛(wèi)星定位/慣性導(dǎo)航（GPS/INS）組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，由濾波方程經(jīng)數(shù)據(jù)處理，給出系統(tǒng)狀態(tài)變量的最優(yōu)估值，控制器根據(jù)這些誤差的最優(yōu)估值對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正綜合，使組合系統(tǒng)的導(dǎo)航定位誤差為最小。由于卡爾曼濾波器是一種具有無偏性的遞推線性最小方差估計(jì)，即其估計(jì)誤差的均值或其數(shù)學(xué)期望為零，因此，GPS/INS組合系統(tǒng)是最優(yōu)的組合制導(dǎo)系統(tǒng)。GPS/INS組合的方式，按卡爾曼濾波器的配置，分為兩種：①松耦合（亦稱串行耦合），即兩者各有1個(gè)卡爾曼濾波器。②緊耦合，即兩者共用1個(gè)卡爾曼濾波器。兩種組合方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，從精度著眼，通常采用緊耦合方式。

GPS/INS組合制導(dǎo)主要關(guān)鍵技術(shù)為：①GPS接收機(jī)技術(shù)，主要是高效、低成本的器件技術(shù)。②INS技術(shù)，包括各種新型慣性傳感器技術(shù)，如激光陀螺、光纖陀螺、半球諧振陀螺，以及各種微機(jī)電制造技術(shù)等。③GPS/INS耦合技術(shù)，包括卡爾曼濾波配置、誤差估值技術(shù)等。④GPS/INS的機(jī)載/彈載綜合技術(shù)，包括機(jī)載/彈載GPS/INS的傳遞對(duì)準(zhǔn)、GPS/INS的轉(zhuǎn)換、相對(duì)GPS瞄準(zhǔn)與攻擊、GPS/INS建模與精度分析等。⑤GPS干擾與抗干擾技術(shù)，包括GPS接收機(jī)的干擾與抗干擾技術(shù)、加密與解密技術(shù)、精度補(bǔ)償技術(shù)等。

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