GPS之家

      自20世纪90年代以来，美军在四次主要的局部战争中，依靠大量使用精确制导武器取得了良好的作战效果。在四次战争中美军使用的精确制导武器数量所占比例分别为：1991年海湾战争占7.6%；1999年科索沃战争占35%；2001年阿富汗战争占60%；2003年伊拉克战争占68.3%。由此可以看出，从海湾战争到伊拉克战争，精确制导武器的使用增加了近9倍，使“不接触作战”、“外科手术式” 打击成为可能。正是一体化的GPS/INS（全球定位系统+惯性导航系统）组合制导技术进一步推动了精确制导武器向“百发百中”的方向发展。

   　一、进行GPS/INS组合的必要性
　　
　　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。

　　将GPS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体。GPS/INS组合制导的优势主要体现在：

　　1. GPS/INS组合改善了系统精度

　　高精度的GPS信息可以用来修正INS，控制其误差随时间的积累。利用GPS信息可以估计出INS的误差参数以及GPS接收机的钟差等量。另一方面，利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息。利用这些辅助信息，GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽，从而可以改善系统重新俘获卫星信号的能力。

　　2. GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力

　　当GPS信号受到高强度干扰，或当卫星系统接收机出现故障时，INS系统可以独立地进行导航定位。当GPS信号条件显著改善到允许跟踪时，INS系统向GPS接收机提供有关的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新获取GPS码和载波时使用。INS系统信号也可用来辅助GPS接收机的天线对准GPS卫星，从而减小了干扰对系统的影响。

　　3. 解决周跳问题

　　对于GPS载波相位测量，INS可以很好地解决GPS周跳和信号失锁后整周模糊度参数的重新解算，也降低了至少4颗卫星可见的要求。

　　4. 解决GPS动态应用采样频率低的问题

　　在某些动态应用领域，高频INS数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置（如航空相机曝光瞬间的位置测定）。

　　5. 用途更广

　　 GPS/INS组合系统是GPS与INS互补的、互相提高的集成，而不是二者的简单结合。组合系统性能更强，应用领域更广。

　　正是由于这两套系统具有极好的互补性，不仅可以低成本提供全球精确导航，也可以满足军事应用对保密性的要求。

　　二、GPS/INS组合制导技术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。

　　以JDAM为例，它是将现有库存的普通炸弹加装GPS/INS制导的尾部组件而改成的全天候制导弹药，其惯导部分采用了一种小型激光陀螺仪。JDAM在投放前由载机的航空电子系统不断修正。一旦投放，炸弹的GPS/INS系统将接管载机航空电子系统的工作，并引导炸弹飞向目标，而不受天气情况的影响。制导通过一个精确的GPS部件和一个三轴INS部件的密切配合实现。制导控制部件在GPS辅助INS操作模式和INS单一操作模式都提供了精确制导。

　　以上这些武器比飞机更接近干扰机，所面临的干扰强度比发射导弹的飞机要严重得多。GPS/INS组合制导系统能识别干扰信号的存在，并在较短的时间内以较小的制导误差进行精确制导。

　　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。

　　三、GPS/INS组合制导技术的发展趋势

　　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。