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GPS在导弹制导中的应用探讨

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　　3　GPS在导弹制导方面的应用

　　研究表明，理想的导弹制导系统应满足如下要求：全球覆盖;高的相对精度和绝对精度;对高动态载体具有良好的实时适应能力;能够提供三维位置、三维速度和姿态数据;工作不受外部环境影响;具有抗人为和非人为干扰的能力;不被他方利用;可供我方广大用户使用;能随时、自主地进行故障检测和故障排除;高的可靠性;与现行机载设备的规范要求相符;价格适中，为广大用户所接受等等。INS全程Inertial Navigation System，即惯性导航系统，有时也简称为惯性系统或惯性导航。惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。牛顿定律告诉人们：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动;而且，物体的加速度正比于作用在物体上的外力。如果能够测量得到加速度，那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位置的变化。惯性导航系统是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。

3.1　高动态GPS接收机在导弹制导中应用

　　采用新的制导技术是制导领域一直关注的问题，随着GPS这一全球卫星定位系统的建成，基于GPS系统的新型制导系统可以较好地满足导弹制导的诸项要求，用GPS制导系统来替换现有的惯导系统，实现导弹的长距离、高精度制导已引起越来越多的关注。

　　用高动态GPS接收机进行导弹制导需要解决的两个关键问题是：GPS全向天线的研究和基于GPS技术的导弹姿态测量方法研究。这两项研究已有所突破[3]，这里不再赘述。图2是基于高动态GPS接收机的导弹制导系统组成框图。其基本工作原理是：由GPS接收机测量出导弹的实时位置并与存储在程序装置中的预定轨道参数进行比较和计算综合，然后通过姿态控制系统控制弹体运动;而导弹的姿态信息也通过GPS接收机实时监测，并适时控制导弹进行调整。

　　图2　基于高动态GPS接收机的导弹制导系统组成框图

　　3.2　GPS和惯导组合的制导方法

　　完善现有的惯导系统就必须减小惯导仪表的工具误差。目前通过提高惯导仪表质量而减小工具误差的方法越来越困难[3];而采用组合制导技术来修正工具误差的方法周期短、成本低，随着GPS技术的出现，这种方法越来越受到重视。

　　普通的GPS接收机在高动态环境不易捕获和跟踪信号，甚至产生整周跳变现象;而惯导系统可实时提供多种导航信息，但其导航误差会随时间而积累，影响制导效果。GPS/INS组合制导系统使得新系统既具有惯导系统较高的相对精度，又具有GPS较高的绝对精度，并容易提供载体的姿态信息。用GPS连续提供的高精度位置和速度信息可以估计和校正惯导系统的位置误差、速度误差，从而显着提高惯导系统的定位精度;而借助惯导系统的加速度计速率信息，可改善GPS接收机的动态性能，使GPS接收机能够在高动态环境快速捕获和重新捕获卫星信号。

　　重调式是简单的组合方式。实质上，这种组合只是GPS向惯导单方向的校准，虽然有简单、易于实现的优点，但组合的潜能远没有发挥出来。

　　在卡尔曼滤波方式中采用了组合导航滤波器(实质上是一种卡尔曼滤波器)，通过估计惯导仪表的误差改善惯导系统的定位精度;如果惯导的速率数据作为GPS接收机码跟踪环路和载波跟踪环路的辅助信息，在高动态环境下可降低GPS接收机对动态信号跟踪能力的要求，从而提高抗干扰性能。另外，当因干扰和姿态变化丢失了GPS信号，此组合方式还具有快速重捕能力。图3为典型的GPS/INS组合系统的结构图。