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二級注冊計量師考試專業實務案例分析

新一代精確制導武器用的衛星定位/慣性導航

衛星定位/慣性導航（GPS/INS）組合制導技術，是目前最先進的、全天候、自主式制導技術，有廣泛應用前景，是國外正在發展的第四代中/遠距精確制導空地武器、尤其是第四代精確制導炸彈普遍采用的一項關鍵技術。

最早采用GPS/INS組合制導技術的機載精確制導武器，是美國海軍的艦載攻擊機A-7E裝備使用的“斯拉姆”（SLAM）AGM-84E空艦導彈。該彈采用GPS/INS組合制導為中段制導，紅外成像加視頻數據鏈遙控為末段制導，在1991年初爆發的海灣戰爭中，以其很高的命中精度取得引人注目的戰績。海灣戰爭之后該彈的改進型——“增敏斯拉姆”（SLAM-ER）AGM-84H和“大斯拉姆”（Grand SLAM）空艦導彈，中段制導均采用GPS/INS組合制導。

目前已經采用GPS/INS組合制導技術的新一代機載精確制導空地武器有：美國的AGM-86C空射巡航導彈、AGM-130空地導彈、AGM-142空地導彈、CBU-97/B傳感器引爆（SFW）子母炸彈和GBU-29/31“杰達姆”（JDAM）制導炸彈。“杰達姆”由B-2A隱身戰略轟炸機攜帶，首次大量用于1999年3月24日至6月10日對南聯盟持續78天的狂轟濫炸中，并于5月8日野蠻轟炸我駐南使館。計劃加裝該組合制導的機載精確制導武器有：AGM-154“杰索伍”（JSOW）聯合防區外發射武器、“賈斯姆”（JASSM）聯合防區外空地導彈和“杰達姆”（JDAM）第2、3階段制導炸彈等。

一、全球定位系統（GPS）技術

美國1993年建成的“全球定位系統”（GPS），是美國國防部管理的軍民兩用的天基無線電導航系統。它由導航星座、地面控制站和用戶定位接收機組成。導航星座目前由24顆衛星組成，其中有21顆工作衛星和3顆備用衛星，在離地高度約20183千米處有6個橢圓形軌道平面，軌道傾角55°，均勻分布4顆衛星，運行周期12小時/轉，3顆衛星的覆蓋區域超過全球，故使全球各地用戶至少可同時接收到6顆衛星播發的導航信號，最多可同時接收11顆衛星播發的導航信號。地面控制站用于測量和預報衛星軌道并對衛星上的設備工作情況進行監控，為用戶接收機提供衛星相對于地面的位置數據。

用戶定位接收機利用接收的、來自由其星歷數據準確獲知空間位置的衛星發射的、以光速傳播的信息，測出該信息傳播的時間，計算出其與該衛星的相對位置，即距離。利用距離三角形測量原理，用戶GPS接收機同時接收3顆衛星的信號，可以計算出用戶GPS接收機所在的三維空間位置；同時，利用對在測量時間內獲得的距離進行時間微分，根據線性速度與多普勒頻率的關系，用戶GPS接收機可測量出衛星的多普勒頻率，從而計算出自身的運動速度。由于用戶接收機的時鐘基準，相對于GPS的原子鐘基準存在誤差，因此，將其實際測量距離稱之為“偽距”（pseudo range），將在其實際測量時間間隔內對該偽距離微分所得之速度測量值稱之為“差偽距”（Delta pseudo range），亦稱“偽距率”。為了確定用戶GPS接收機所在的三維位置并對其時鐘誤差進行校準，必須至少同時跟蹤接收GPS導航星座中的4顆衛星的信號，才能完成導航計算任務。若同時跟蹤接收GPS導航星座中的4顆以上的衛星，則在使用相同的慣性導航系統時的導航計算的精度會更高。2012年注冊計量師考試

GPS導航星座中的每顆衛星均裝有作為測量系統時間標準的同步的銫（Cs133）原子鐘和傳送定位信號的載波發射機，載波信號工作在L波段的2個頻率：L1為1575.42 MHz，L2為1227.6 MHz。L1載波信號采用1.023 MHz、帶寬1 MHz的偽隨機噪聲編碼進行調制，重復調制間隔時間為1024位或1毫秒，該調制編碼稱之為“粗截獲（C/A）碼”，為全球民用用戶提供“標準定位服務”（SPS）。L2載波信號采用10.23 MHz、帶寬10 MHz的偽隨機噪聲編碼進行調制，重復調制間隔時間為7天，該調制編碼稱之為“精（P）碼”，為美國和其盟國軍事用戶提供“精確定位服務”（PPS）。衛星播發的導航信號的傳輸速率為50位/秒，L1和L2載波信號除運載導航信息外，還有描述衛星軌道、時鐘校準和其他系統參數的各數據位。

為防止民用C/A碼GPS接收機轉為軍事用途，美國國防部引入“選擇可用性”（SA）技術，即在現有C/A碼GPS接收機性能水平上，將一個約0.2毫秒顫抖噪聲的人為誤差加入到時鐘信號，使接收到的定位信號偏差以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，才能正常接收P（Y）碼信號，其定位精度約20米。由于P（Y）碼和C/A碼的重復調制間隔時間分別為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接收機必須先接收C/A碼信號，從中獲取能實現快速截獲P（Y）碼信號所需的“交班字”（HOW）信息，然后才能轉入接收P（Y）碼信號。同時，由于L1載波C/A碼調制幅度大于L2載波P（Y）碼調制幅度，軍用GPS接收機可以從2個頻率測量值，消除空間電離層、對流層造成的定位誤差，使其定位精度提高到約18米。影響GPS接收機定位精度的主要誤差源為空間段、系統段和用戶段，主要包括：電離層傳播延時、對流層傳播延時，后者包括衛星時鐘、衛星星歷表、接收機等。目前，降低衛星時鐘和星歷表誤差的方法，主要有廣域GPS增強（WAGE）、差分GPS（DGPS）和相對GPS（RGPS）等。

二、慣性導航系統（INS）技術

慣性導航系統（INS）是一個自主式的空間基準保持系統，由慣性測量裝置、控制顯示裝置、狀態選擇裝置、導航計算機和電源等組成。慣性測量裝置包括3個加速度計和3個陀螺儀。前者用來測量運載器的3個平移運動的加速度，指示當地地垂線的方向；后者用來測量運載器的3個轉動運動的角位移，指示地球自轉軸的方向。對測出的加速度進行兩次積分，可算出運載器在所選擇的導航參考坐標系的位置。

按照慣性測量裝置在運載器上的安裝方式，可分為平臺式和捷聯式兩類慣性導航系統。平臺式慣性導航系統是將加速度計和陀螺儀安裝在慣導平臺上，按照建立坐標系的不同，又可分為空間穩定和當地水平的慣性導航系統，前者的慣導平臺相對慣性空間穩定，后者的慣導平臺能跟蹤當地水平面，但其方位相對于地球可以是固定的，也可以是自由的、游動的。由于平臺能隔離運載體的振動，慣性儀表的工作條件較好，可減少測量誤差，提高導航精度，但結構復雜，體積大，造價高。捷聯式慣性導航系統是將加速度計和陀螺儀安裝在運載體上，由計算機軟件建立一個數學平臺，取代機械慣性平臺，因而結構簡單，體積小，重量輕，成本低，但慣性儀表工作條件較差，測量誤差增大，導航精度下降，故對陀螺儀的要求很高，能耐沖擊、振動，角速度測量范圍要大，采用靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等新型陀螺較為理想。

最早采用慣性導航系統制導的武器，是二次世界大戰期間法西斯德國的V-2地地彈道導彈。戰后發展的各種遠程導彈，大都采用慣性導航系統作為中段制導或全程制導；各種近距戰術導彈則廣泛采用捷聯式慣性導航系統作為制導系統。慣性導航系統主要優點是：不依賴任何外界系統的支持而能獨立自主地進行導航，能連續地提供包括姿態基準在內的全部導航和制導參數，具有對準后良好的短期精度和穩定性。其主要缺點是：結構復雜、造價較高，導航誤差隨時間積累而增大，加溫和對準時間較長，因此，不能滿足遠距離或長時間航行以及高精度導航或制導的要求。為了提高導航定位精度，出現了多種組合導航的方式，即把各具特點的不同類型的導航系統匹配組合，使之相互取長補短，從而形成一種更為優良的新型導航系統——組合導航系統，如慣性導航與多普勒組合導航系統、慣性導航與測向/測距（VOR/DME）組合導航系統、慣性導航與羅蘭（LORAN）或德卡（DECCA）或奧米加（OMEGA）或康索爾（CONSOL）或地面參照導航（TRN）或地形特征匹配（TCM）組合導航系統，以及慣性導航與全球定位系統（INS/GPS）組合導航系統。在上述組合導航系統中，以后者最為先進，應用最為廣泛。

三、衛星定位/慣性導航（GPS/INS）組合制導技術

慣性導航與衛星定位（INS/GPS）組合導航系統用于武器制導，能充分發揮兩者各自優勢并取長補短，利用GPS的長期穩定性與適中精度，來彌補INS的誤差隨時間傳播或增大的缺點，利用INS的短期高精度來彌補GPS接收機在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等的缺點，進一步突出捷聯式慣性導航系統結構簡單、可靠性高、體積小、重量輕、造價低的優勢，并借助慣導系統的姿態信息和角速度信息，提高GPS接收機天線的定向操縱性能，使之快速捕獲或重新捕獲GPS衛星信號，同時借助GPS連續提供的高精度位置信息和速度信息，估計并校正慣導系統的位置誤差、速度誤差和系統其它誤差參數，實現對其空中傳遞對準和標定，從而可放寬對其精度提出的要求，使得整個組合制導系統達到最優化，具有很高的效費比。

GPS/INS兩者組合的關鍵器件，是作為兩者的接口并起數據融合作用的卡爾曼濾波器。卡爾曼濾波技術是由R.C.卡爾曼和R.S.布西于20世紀60年代初期，為滿足應用高速數字式計算機進行人造地球衛星軌道和導航等計算要求，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，可以將慣導系統的誤差、陀螺的隨機漂移、加速度計的誤差，作為狀態變量列出離散化的狀態方程，建立描述系統的統計數學模型，然后用該狀態方程和測量方程共同描述衛星定位/慣性導航（GPS/INS）組合系統的動態特性，由濾波方程經數據處理，給出系統狀態變量的最優估值，控制器根據這些誤差的最優估值對慣導系統進行校正綜合，使組合系統的導航定位誤差為最小。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，即其估計誤差的均值或其數學期望為零，因此，GPS/INS組合系統是最優的組合制導系統。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個卡爾曼濾波器。②緊耦合，即兩者共用1個卡爾曼濾波器。兩種組合方式各有優缺點，從精度著眼，通常采用緊耦合方式。

GPS/INS組合制導主要關鍵技術為：①GPS接收機技術，主要是高效、低成本的器件技術。②INS技術，包括各種新型慣性傳感器技術，如激光陀螺、光纖陀螺、半球諧振陀螺，以及各種微機電制造技術等。③GPS/INS耦合技術，包括卡爾曼濾波配置、誤差估值技術等。④GPS/INS的機載/彈載綜合技術，包括機載/彈載GPS/INS的傳遞對準、GPS/INS的轉換、相對GPS瞄準與攻擊、GPS/INS建模與精度分析等。⑤GPS干擾與抗干擾技術，包括GPS接收機的干擾與抗干擾技術、加密與解密技術、精度補償技術等。

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