捷联惯导与导航卫星组合技术.docx

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1、捷联惯导与导航卫星组合技术hesp导语：介绍了捷联络统和组合导航系统在开展经过中存在的各种技术问题和解决这些技术难题的技术途径。b1前言/b捷联惯性系统由于构造简单、可靠性好、体积小、重量轻、本钱低、轻易维修等特点，近年来得到很快的开展，并且在一些战术武器中得到应用。由于精度尚未到达平台系统的精度程度，所以其应用范围受到了一定程度的限制。GPS全球卫星定位系统惯性组合技术在进步精度、降低本钱、全天候、全球导航等方面获得了举世瞩目的成就，其应用范围逐渐扩大。由于GPS的受权限制、动态性能及抗干扰才能等因素，其军事应用范围有一定程度的局限。解决矛盾的方法是进展惯性技术与多体制导航卫星系统的组合技术

2、研究，来防止单一的GPSINS组合形式所受到的限制，采用GPS与惯性系统深组合方式进步导航系统的动态性能和抗干扰才能，为军事装备提供了高性能的导航设备。第2次世界大战后期，德国人率先采用简单的捷联惯性仪表作为近程弹道导弹V-2火箭自主式制导系统的核心部件，随后，美苏两国进入了战后长期冷战的军备竞赛时期。随着各种战略战术导弹、空间技术、航空、航海及陆地战车等军事装备的开展和不断完善，惯性技术也得到了空前的开展与进步。惯性技术中首先重点开展的是平台系统和与之相适应的气浮、液浮和静电悬浮支撑技术为根底的各种惯性仪表。在长达30多年的时间内，陀螺漂移从10h左右进步到0.000015h，几乎进步了6个

3、数目级，但真正工程应用中的陀螺仪却长期停留在0.001h左右。为得到高精度程度的惯性系统却付出了特别昂贵的代价，仅一台浮球平台系统的研制费用就超过1000万美元，即使在投入批量消费以后，每套产品的本钱也高达400万美元。这种昂贵的产品，只有美国空军一家将其用在MX战略导弹上。市场需求是推动科学开展与技术进步的动力，随着前苏联-东欧体系的解体，美苏冷战时期完毕，各种战略性进攻型武器的研制冷却下来，各种防御性战术武器迅速开展，使惯性仪表及系统从单纯地追求高精度转向以降低本钱为主，兼顾可靠性、快速性、机动性、小型化为技术指标的开展方向。随着电子技术、计算机技术、当代控制理论的飞速进步，为捷联惯性技术

4、的开展创造了有利条件。新一代低本钱中等精度的惯性仪表如挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、石英加速度计的研制成功，为捷联络统打下了物质根底。捷联技术的研究工作，如算法编排、误差建模、误差标定与补偿、测试技术等迅速得到开展。新的捷联惯性系统产品普遍用于各种战术武器和飞机航姿系统中，随着固态仪表精度的不断进步，误差补偿技术的逐渐完善，捷联络统将逐步取代平台系统。b2捷联络统的精度/b目前，捷联络统的精度还未到达平台系统所获得的精度程度，还不能完全知足各种军用和民用的要求，其原因是：a新型捷联用惯性仪表，如动力调谐陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺等漂移到达0.01h，石英加速度计的标度因数误差到达110-4之

5、后，进一步进步仪表精度将会碰到加工工艺、材料、光电元器件等方面技术极限的限制，进一步进步仪表硬件精度将会更加困难，大幅度地追加投资不一定可以收到成比例的技术效益，同时也会给低本钱上风的捷联络统蒙上阴影。b捷联络统中的惯性仪表是直接与载体联接，飞行器的恶劣动力学环境如过载冲击、振动以及机动飞行等都会给惯性仪表和捷联络统带来动态误差。这类误差比拟难以补偿，这也是捷联络统还没有到达平台系统精度程度的主要原因。c为了充分发挥捷联惯性系统的技术上风，利用其它系统的高精度测量信息来补偿和抑制惯性系统随工作时间延长而增长的误差，到达进步导航制导精度的目的，建立以惯性系统为根底，以其它各种测量信息为辅助的组合

6、导航系统。惯性技术的开展说明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪激光、光纤和半球谐振陀螺仪转移并进一步向以半导体硅为根本材料的微机械振动陀螺开展；从框架式平台系统向捷联络统转移；从纯惯性捷联络统向以惯性系统为根底的多体制导航组合系统开展，成为今后惯性技术开展的总趋势。b3组合导航技术的上风/b组合导航系统技术解脱了惯性系统的精度负担，保存了惯性系统的自主性、短时间的相对高精度和连续提供全部导航制导参数的优点。美国的潘兴弹道导弹采用中等精度的挠性陀螺平台，加上数字景象匹配组合末制导技术，使导弹射程为1800km时落点误差CEP到达39m。战斧巡航导弹采用LN-35纯惯性系统时导航误差为1.17k

7、mh，这已经是相当高的精度程度，但在进一步采用惯性与地形匹配组合技术以后，当导弹巡航射程为2000km时，落点误差进一步缩小到100m。三叉戟洲际弹道导弹采用星光惯性组合制导技术，使落点误差CEP到达120m，这与MX导弹采用的浮球平台技术所到达的精度处于同一程度，但是该导弹的研制经费却只及MX导弹的15。当然这类组合制导系统，需要花费一定的人力、物力、财力进展各种作战区域的高精度地形地图的制作和高精度星光敏感器的研制，但它仍比浮球平台技术简单得多。利用国外现有的导航卫星资源进展导航卫星与惯性系统组合技术研究是一种比拟简捷的技术途径。GPS是导航星全球定位系统NavstarGPS的简称，它是由

8、美国从70年代开场研制的第2代星基无线电导航系统，系统包括地面主控站、监测站和注入站，空间包括24颗导航卫星。1994年GPS卫星布网完毕，正式投入使用。前苏联也建立了自己的全球导航卫星系统GLONASS，其系统的工作原理和组成与GPS相似。国际民航组织ICAO确定并进入施行阶段的全球导航卫星系统GNSS的根本思想是建立一个多星座的卫星导航系统，这个系统不是由某一个大国单独控制。第1代GNSS由GPS、GLONASS和INMARSAT组成，其中INMARSAT为国际海事卫星组织的通讯导航卫星，它包括4颗同步卫星，15颗中高空10000km非同步卫星。这个系统与GPS、GLONASS相对独立，即

9、使前二者关闭撤出效劳，它也可以知足全球导航的需要。GPS可以在全球为用户全天候地提供准确的位置、速度和授时数据，导航数据稳定准确，但不能提供载体的姿态信息，工作性能受环境条件山区、森林、隧洞、城市建筑及载体自身、载体机动飞行和无线电干扰的影响。惯性导航系统的优点是自主性好，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供全部导航参数位置、速度和姿态，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。但是随着工作时间的延长，导航误差随时间积累增长，对捷联络统来讲还存在附加的动态误差。实现以惯性系统为根底的GPSSINS组合导航系统就可以上风互补、取长补短。用GPS接收机的高精度定位信息通

10、过组合滤波器来标定和补偿捷联络统的积累误差，进步导航精度。同时，利用捷联络统的速度和加速度信息对GPS接收机进展速度辅助，以进步GPS接收机的抗干扰才能和动态性能，即使在GPS接收机测量数据短时间出现故障或者消失，惯性系统仍能独立工作并提供高精度的导航数据。这是一个最正确组合方案，其性能、本钱和体积均能知足各种运载器的导航技术要求。但是，这种组合导航方案在实际应用中也存在一些缺乏之处：aGPS为美国军方控制，他们对卫星系统施加SA噪声信号使接收机在使用CA码的情况下精度下降，定位误差到达100m。另外，根据国际形势的开展，美国军方可能对外国用户进展区域性封闭、关闭，这对国外军事用户来讲是值得警

11、觉的。为了减少这种风险，应该研究与开展多星座卫星导航系统与惯性系统的组合方式。采用惯性系统与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和国际海事卫星组织的INMARSAT进展多重兼容的组合形式，以减少某些大国在特定时间对国外用户单方面施行控制、封闭甚至关闭的危险，防止一国垄断卫星资源，保证用户平安可靠地工作。b为了有效地解决GPS接收机的抗干扰和动态性能问题，必须深化研究深组合的一些问题，例如将惯性速度信息加速度信息转换成多普勒频率变化估值输入到接收机的载波回路，以扩展接收机的快速追捕才能，进步动态性能，或采用自适应带宽控制和自适应相关器扩距技术来改善接收机的动态性能。当然这样做并不是一件轻易的事情

12、，它需要改变接收机内部的线路构造，修改内部软件，但是所需的投入不会像研制惯性器件那样多，所获得的效益却是相当可观的。位置组合即浅组合滤波器的观测量是GPS接收机输出的位置和速度信息，这些信息是经过一次滤波处理的。假如利用它与惯性系统的输出信息进展第2次滤波，然后反应校正就轻易出现系统不稳定。为了减小滤波的相关性，必须对组合滤波器的迭代频率作严格的限制。伪距和伪距变化率组合形式可以防止组合滤波器的相关性问题。由于伪距和伪距变化率是GPS接收机通道的原始测量数据，没有经过滤波处理，所以不存在组合滤波的相关性问题。这类测量数据数值很大，在组合滤波器中计算起来很不方便，利用伪距和伪距伪距变化率的残差进

13、展组合滤波就特别方便，它不是原始数据，而是一种补偿了确定性误差以后的准原始数据。残差数据数值较小，变化较慢，在时间延迟和不准确等方面对组合滤波的影响较小。利用伪距和伪距变化率残差还可以实现组合滤波器的多星测量模型，即所谓“All-in-view测量模型。利用多星测量信息可以得到更好的导航精度和改善换星引起的数据波动。c为了拓宽GPSSINS组合系统的应用范围，应研究和设计本钱更低、体积更小，适用于大批量消费的新的硅微固态惯性器件。近年来，GPS接收机的研制工作进展很快，本钱已大幅度下降，多通道、小型化的多路导航OEMGPS模块板已经商品化。随着微电子技术、光电技术和微细加工技术的开展，硅微惯性

14、器件也迅速开展起来。这种惯性器件以硅为基片材料，用半导体集成电路消费中的光刻和各向异性刻蚀技术进展微细加工，消费出低本钱、高可靠、抗振动、抗冲击和极小体积及重量的惯性器件，例如，硅微陀螺仪有双框架式陀螺、音叉式陀螺和框架振动轮式陀螺几种，单个陀螺尺寸小于1mm2，目前精度性能不高，带宽60Hz，分辨率为0.1s，预计到本世纪末，陀螺漂移将到达1h。硅微加速度计的最大尺寸为1mm，偏置稳定性补偿后20mg-1075，分辨率2mg60Hz带宽。由于这两种惯性器件体积小，因此，可以在一块不大的芯片上制作出多个陀螺和加速度计的惯性测量组合IMU。假如将它们与多路OEMGPS接收机模块设计成GPSSINS组合导航系统，那么可得到高精度、高可靠、耐恶劣环境条件、极小体积、低本钱的导航设备，其商品价值和应用领域是不可估量的。b参考文献/b1彭允祥.导弹惯性技术向何处去.当代军事，19897.2GreiffP，etal.Vibratingwhellmicromechanicalgyro.IEEE，1996.编辑：何世平