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标 题: GPS/INS组合制导 xiaoxiang
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月03日17:07:33 星期二), 站内信件
发信人: xiaoxiang (潇湘一剑), 信区: AerospaceScience
标 题: GPS/INS组合制导
发信站: 紫 丁 香 (Fri Mar 17 18:53:48 2000), 转信
新一代精确制导武器用的卫星定位/惯性导航组合制导技术
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卫星定位/惯性导航（GPS/INS）组合制导技术，是目前最先进的、
全天候、自主式制导技术，有广泛应用前景，是国外正在发展的第四代
中/远距精确制导空地武器、尤其是第四代精确制导炸弹普遍采用的一项
关键技术。
最早采用GPS/INS组合制导技术的机载精确制导武器，是美国海军
的舰载攻击机A-7E装备使用的“斯拉姆”（SLAM）AGM-84E空舰导弹。该
弹采用GPS/INS组合制导为中段制导，红外成像加视频数据链遥控为末段
制导，在1991年初爆发的海湾战争中，以其很高的命中精度取得引人注目
的战绩。海湾战争之后该弹的改进型——“增敏斯拉姆”（SLAM-ER）AGM-
84H和“大斯拉姆”（Grand SLAM）空舰导弹，中段制导均采用GPS/INS组合
制导。
目前已经采用GPS/INS组合制导技术的新一代机载精确制导空地武器有：
美国的AGM-86C空射巡航导弹、AGM-130空地导弹、 AGM-142空地导弹、CBU-
97/B传感器引爆（SFW）子母炸弹和GBU-29/31“杰达姆”（JDAM）制导炸弹。
“杰达姆”由B-2A隐身战略轰炸机携带，首次大量用于1999年3月24日至6月
10日对南联盟持续78天的狂轰滥炸中，并于5月8日野蛮轰炸我驻南使馆。计
划加装该组合制导的机载精确制导武器有：AGM-154“杰索伍”（
JSOW）联合防区外发射武器、“贾斯姆”（JASSM）联合防区外空
地导弹和“杰达姆”（JDAM）第2、3阶段制导
炸弹等。
一、全球定位系统（GPS）技术
美国1993年建成的“全球定位系统”（GPS），是美国国防部管理
的军民两用的天基无线电导航系统。它由导航
星座、地面控制站和用户定位接收机组成。导航星座目前由24颗
卫星组成，其中有21颗工作卫星和3颗备用卫
星，在离地高度约20183千米处有6个椭圆形轨道平面，轨道倾
角55°，均匀分布4颗卫星，运行周期12小时/转，
3颗卫星的覆盖区域超过全球，故使全球各地用户至少可同时接收
到6颗卫星播发的导航信号，最多可同时接收11
颗卫星播发的导航信号。地面控制站用于测量和预报卫星轨道并
对卫星上的设备工作情况进行监控，为用户接收
机提供卫星相对于地面的位置数据。
用户定位接收机利用接收的、来自由其星历数据准确获知空间
位置的卫星发射的、以光速传播的信息，测出该信
息传播的时间，计算出其与该卫星的相对位置，即距离。利用
距离三角形测量原理，用户GPS接收机同时接收3颗
卫星的信号，可以计算出用户GPS接收机所在的三维空间位置；
同时，利用对在测量时间内获得的距离进行时间
微分，根据线性速度与多普勒频率的关系，用户GPS接收机可
测量出卫星的多普勒频率，从而计算出自身的运动
速度。由于用户接收机的时钟基准，相对于GPS的原子钟基准
存在误差，因此，将其实际测量距离称之为“伪
距”（pseudo range），将在其实际测量时间间隔内对该伪
距离微分所得之速度测量值称之为“差伪距”（
Delta pseudo range），亦称“伪距率”。为了确定用户GPS
接收机所在的三维位置并对其时钟误差进行校准，
必须至少同时跟踪接收GPS导航星座中的4颗卫星的信号，才能
完成导航计算任务。若同时跟踪接收GPS导航星座
中的4颗以上的卫星，则在使用相同的惯性导航系统时的导航
计算的精度会更高。
GPS导航星座中的每颗卫星均装有作为测量系统时间标准的
同步的铯（Cs133）原子钟和传送定位信号的载波发射
机，载波信号工作在L波段的2个频率：L1为1575.42 MHz，
L2为1227.6 MHz。L1载波信号采用1.023 MHz、带宽1
MHz的伪随机噪声编码进行调制，重复调制间隔时间为1024位
或1毫秒，该调制编码称之为“粗截获（C/A）码”
，为全球民用用户提供“标准定位服务”（SPS）。 L2载波
信号采用10.23 MHz、带宽10 MHz的伪随机噪声编码
进行调制，重复调制间隔时间为7天，该调制编码称之为“
精（P）码”，为美国和其盟国军事用户提供“精确定
位服务”（PPS）。卫星播发的导航信号的传输速率为50位/秒，
L1和L2载波信号除运载导航信息外，还有描述卫
星轨道、时钟校准和其他系统参数的各数据位。
为防止民用C/A码GPS接收机转为军事用途，美国国防部引入
“选择可用性”（SA）技术，即在现有C/A码GPS接收
机性能水平上，将一个约0.2毫秒颤抖噪声的人为误差加入
到时钟信号，使接收到的定位信号偏差以0.46米/秒的
速度增加，使其定位精度下降到约100米。为防止敌方干扰，
还对P码加密，使其工作在“抗电子欺骗”（AS）方
式，密码文件定期更新，加密的P码正式称之为Y码，通常
称之为P（Y）码。只有加装保密的AS模块的军用GPS接
收机，才能正常接收P（Y）码信号，其定位精度约20米。
由于P（Y）码和C/A码的重复调制间隔时间分别为7天和
1毫秒，而且P（Y）码比C/A码的编码要长得多，C/A码很
容易截获，P（Y）码若无辅助措施几乎不可能截获。因
此，军用GPS接收机必须先接收C/A码信号，从中获取能实
现快速截获P（Y）码信号所需的“交班字”（HOW）信
息，然后才能转入接收P（Y）码信号。同时，由于L1载
波C/A码调制幅度大于L2载波P（Y）码调制幅度，军用GPS
接收机可以从2个频率测量值，消除空间电离层、对流层造
成的定位误差，使其定位精度提高到约18米。影响GPS
接收机定位精度的主要误差源为空间段、系统段和用户段，
主要包括：电离层传播延时、对流层传播延时，后者
包括卫星时钟、卫星星历表、接收机等。目前，降低卫星
时钟和星历表误差的方法，主要有广域GPS增强（
WAGE）、差分GPS（DGPS）和相对GPS（RGPS）等。
二、惯性导航系统（INS）技术
惯性导航系统（INS）是一个自主式的空间基准保持系统，
由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导
航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括3个加速度计
和3个陀螺仪。前者用来测量运载器的3个平移运动的加
速度，指示当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的3个
转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。对测出
的加速度进行两次积分，可算出运载器在所选择的导航参考
坐标系的位置。
按照惯性测量装置在运载器上的安装方式，可分为平台式
和捷联式两类惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将
加速度计和陀螺仪安装在惯导平台上，按照建立坐标系的
不同，又可分为空间稳定和当地水平的惯性导航系统，
前者的惯导平台相对惯性空间稳定，后者的惯导平台能跟
踪当地水平面，但其方位相对于地球可以是固定的，也
可以是自由的、游动的。由于平台能隔离运载体的振动，
惯性仪表的工作条件较好，可减少测量误差，提高导航
精度，但结构复杂，体积大，造价高。捷联式惯性导航
系统是将加速度计和陀螺仪安装在运载体上，由计算机软
件建立一个数学平台，取代机械惯性平台，因而结构简单，
体积小，重量轻，成本低，但惯性仪表工作条件较
差，测量误差增大，导航精度下降，故对陀螺仪的要求很高，
能耐冲击、振动，角速度测量范围要大，采用静电
陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等新型陀螺较为理想。
最早采用惯性导航系统制导的武器，是二次世界大战期间
法西斯德国的V-2地地弹道导弹。战后发展的各种远程
导弹，大都采用惯性导航系统作为中段制导或全程制导；
各种近距战术导弹则广泛采用捷联式惯性导航系统作为
制导系统。惯性导航系统主要优点是：不依赖任何外界
系统的支持而能独立自主地进行导航，能连续地提供包括
姿态基准在内的全部导航和制导参数，具有对准后良好的
短期精度和稳定性。其主要缺点是：结构复杂、造价较
高，导航误差随时间积累而增大，加温和对准时间较长，
因此，不能满足远距离或长时间航行以及高精度导航或
制导的要求。为了提高导航定位精度，出现了多种组合
导航的方式，即把各具特点的不同类型的导航系统匹配组
合，使之相互取长补短，从而形成一种更为优良的新型
导航系统——组合导航系统，如惯性导航与多普勒组合导
航系统、惯性导航与测向/测距（VOR/DME）组合导航系统、
惯性导航与罗兰（LORAN）或德卡（DECCA）或奥米加
（OMEGA）或康索尔（CONSOL）或地面参照导航（TRN）或
地形特征匹配（TCM）组合导航系统，以及惯性导航与
全球定位系统（INS/GPS）组合导航系统。在上述组合导航
系统中，以后者最为先进，应用最为广泛。
三、卫星定位/惯性导航（GPS/INS）组合制导技术
惯性导航与卫星定位（INS/GPS）组合导航系统用于武器
制导，能充分发挥两者各自优势并取长补短，利用GPS的
长期稳定性与适中精度，来弥补INS的误差随时间传播或
增大的缺点，利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在
受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点，进一步突
出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、
重量轻、造价低的优势，并借助惯导系统的姿态信息和角
速度信息，提高GPS接收机天线的定向操纵性能，使之
快速捕获或重新捕获GPS卫星信号，同时借助GPS连续提供
的高精度位置信息和速度信息，估计并校正惯导系统的
位置误差、速度误差和系统其它误差参数，实现对其空中
传递对准和标定，从而可放宽对其精度提出的要求，使
得整个组合制导系统达到最优化，具有很高的效费比。
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。卡尔曼滤波技术是由R.C.
卡尔曼和R.S.布西于20世纪60年代初期，为满足应用高速
数字式计算机进行人造地球卫星轨道和导航等计算要
求，而提出的一类新的线性滤波的模型和方法，通称为卡
尔曼滤波。采用卡尔曼滤波器，可以将惯导系统的误
差、陀螺的随机漂移、加速度计的误差，作为状态变量列
出离散化的状态方程，建立描述系统的统计数学模型，
然后用该状态方程和测量方程共同描述卫星定位/惯性导航
（GPS/INS）组合系统的动态特性，由滤波方程经数据
处理，给出系统状态变量的最优估值，控制器根据这些误差
的最优估值对惯导系统进行校正综合，使组合系统的
导航定位误差为最小。由于卡尔曼滤波器是一种具有无偏性
的递推线性最小方差估计，即其估计误差的均值或其
数学期望为零，因此，GPS/INS组合系统是最优的组合制导
系统。GPS/INS组合的方式，按卡尔曼滤波器的配置，
分为两种：①松耦合（亦称串行耦合），即两者各有1个卡
尔曼滤波器。②紧耦合，即两者共用1个卡尔曼滤波
器。两种组合方式各有优缺点，从精度着眼，通常采用紧耦
合方式。
GPS/INS组合制导主要关键技术为：①GPS接收机技术，主要
是高效、低成本的器件技术。②INS技术，包括各种
新型惯性传感器技术，如激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀
螺，以及各种微机电制造技术等。③GPS/INS耦合技
术，包括卡尔曼滤波配置、误差估值技术等。④GPS/INS的
机载/弹载综合技术，包括机载/弹载GPS/INS的传递对
准、GPS/INS的转换、相对GPS瞄准与攻击、GPS/INS建模与
精度分析等。⑤GPS干扰与抗干扰技术，包括GPS接收
机的干扰与抗干扰技术、加密与解密技术、精度补偿技术等。
（王祖典）
http://personal.dfminfo.com.cn/~feibaozy/zs/zs22.htm
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