基本介紹
概述,特點,套用,發展趨勢,
概述
特點
GPS是當前套用最為廣泛的衛星導航定位系統，使用方便、成本低廉，其最新的實際定位精度已經達到5米以內。但是GPS系統軍事套用還存在易受干擾、動態環境中可靠性差以及數據輸出頻率低等不足。
INS系統則是利用安裝在載體上的慣性測量裝置（如加速度計和陀螺儀等）敏感載體的運動，輸出載體的姿態和位置信息。INS系統完全自主，保密性強，並且機動靈活，具備多功能參數輸出，但是存在誤差隨時間迅速積累的問題，導航精度隨時間而發散，不能單獨長時間工作，必須不斷加以校準。
GPS/INS組合制導，能充分發揮兩者各自優勢並取長補短，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，並藉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全球定位衛星信號，同時藉助全球定位系統連續提供的高精度位置信息和速度信息，估計並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最佳化，具有很高的效費比。
套用
GPS/INS組合制導技術廣泛裝備於國外的制導炸彈以及中/遠距空地飛彈中，例如美國的JDAM、小直徑炸彈、"斯拉姆"(SLAM)AGM-84E空艦飛彈、AGM-86C空射巡航飛彈、AGM-130空地飛彈、AGM-142空地飛彈、AGM-154"傑索伍"(JSOW)聯合防區外發射武器、"賈斯姆"(JASSM)聯合防區外空地飛彈等。
在現代戰爭中的廣泛套用
1． GPS/INS組合制導成為廣泛套用的全程制導和中段制導技術
目前，以美國“戰斧”巡航飛彈為代表的對地攻擊飛彈中制導方式仍然是慣導+輔助導航系統。由於美國軍用GPS具有相當高的精度並且使用方便，美國和其它一些西方國家都在中制導段採用GPS作為慣導的輔助導航系統而不再採用地形匹配。此外，許多新型制導武器如洛馬公司研製的“聯合防區外空地飛彈”（JASSM）和波音公司製造的“聯合直接攻擊彈藥”（JDAM）等均依靠GPS/INS進行高精度制導。
一體化GPS/INS組合制導不僅提高了武器系統的可靠性，而且精度也高，通常其圓機率誤差在10~13米之間，而單獨使用GPS制導的精度約為15米。
2． GPS/INS組合制導系統為飛機等武器平台提供導航定位服務
目前，美國和其它北約國家空軍的絕大部分主戰飛機都換裝了以雷射陀螺為核心的第二代標準慣導儀。其改裝計畫的重點是，在以光學陀螺為基礎的慣性系統黑匣子中嵌入結實的、抗干擾的GPS接收機（OEMB板）。這種嵌入式配置不需要在慣導和單獨的GPS接收機之間設定另外的安全匯流排，從而使GPS的偽距/偽距率數據不會受到威脅信號的干擾。這種INS和GPS的深耦合系統被稱作“嵌入慣導系統中的GPS”，簡稱為EG1，其定位精度均為0.8海里 /小時（圓機率誤差），準備時間也由過去的15分鐘減少到5~8分鐘，系統可靠性從原來的幾百小時提高到2000~4000小時。
3． GPS/INS組合制導系統為軍事偵察行動提供高精度定位信號
偵察的目的在於發現目標，確定目標的位置和評估武器的打擊效果。對目標的命中率取決於武器制導的精度、發現目標的能力和對目標定位的精度。目前，很多國家正在利用高空成像技術建立全球地理信息資料庫。高空成像系統主要由高空偵察機、低軌和中軌衛星組成，該系統就使用了GPS/INS組合制導系統，利用其提供的無人偵察機實時位置和炮彈所放出的偵察降落傘的實時位置將連同圖像一併傳送基地，進而確定目標的位置。
發展趨勢
1． 提高GPS系統的抗干擾性能，從而提高GPS/INS組合制導的可靠性
美國計畫通過增強衛星發布信號的功率、增強星上處理能力、改進星上原子鐘和星曆外推算法來提高衛星自主工作能力。增加發射3個新的信號：一是高功率點波束軍用M碼，信號的增益將比GPS發射機當前採用的增益高得多，具備比P碼更強的安全保密性；二是將C/ A碼載入在L2載波上，原來載入在L1載波上的C/ A碼繼續保留；三是L5碼，用作生命安全信號，僅供民用。未來的GPS衛星能用兩個頻段發布兩種軍用導航碼，在實戰中可以構成4種工作模式，從而可以大大提高抗干擾的能力。同時，衛星能在短時間內自主運行120天。另外，根據美國空軍公布的2025年長期規劃，美國還計畫在GPS衛星上安裝後向天線，用於向高軌空間發布導航定位信息和使高軌衛星自主運行。目前，美國軍方的GPS聯合計畫辦公室正在研究GPS 3型衛星的設計方案。
為了進一步提高性能，今後美國還將在飛機、船隻、地面車輛和武器上使用更複雜的GPS接收機。現役C/A碼的長度只有1023比特，以50比/秒的速度進行逐個搜尋，僅需20.5秒，易被敵方破譯。P碼長度約為2. 35×1014比特，需267天才重複一次，完成一次捕獲時間較長，安全性較好。但是，現役軍用P碼接收機是通過C/A碼引導才完成P碼捕獲的，因而容易受C/A碼狀態的影響。為此，美軍方正在研製能獨立捕獲P碼的軍用接收機。此外，美國軍方還在研製空間分集型接收機、調零型接收機和波束成形型接收機等抗干擾軍用碼接收機，以通過改進接收機的性能來提高接收機的抗干擾能力。
美國當前在GPS接收機方面的兩項最為重要的技術是GPS接收機套用組件（GRAM）和選擇可用性反欺騙模組（SAASM）。其中GRAM是一種標準電子外掛程式，可將其加在未來的飛機、艦艇、飛彈和各種武器中，目的是確保全全性和互通性。所有的GRAM將採用開放式系統結構，能靈活地增加、替代或取消系統中的某些元件。SAASM是第二代的GPS技術產品安全模組，用於保護保密的GPS算法、數據和校準。它將集成到接收機套用模組中，從而可提高GPS系統的安全性，使GPS接收機更易於維護，降低其費用。
2． 研製新型INS系統，從而提高GPS/INS組合制導的精度
目前已經發展出撓性慣導、光纖慣導、雷射慣導、微固態慣性儀表等多種方式的慣導系統。利用雷射來作為方位測向器的陀螺將逐漸取代傳統的機械陀螺。雷射陀螺慣導系統的定位精度高，隨機漂移小，並能快速進入作戰狀態，於20世紀80年代初開始成功地套用于飛機及地面車輛的導航和艦炮等方面，以後又套用於飛彈和運載火箭等領域。但是，環形雷射陀螺的諧振腔必須嚴格密封，並保證其中的氦氖混合氣體組分濃度恆定，反射鏡鍍膜工藝要求高，製造成本高，而且會有“閉鎖現象”等問題產生，因此還有待於改進。目前，許多科研單位正致力於固體環形雷射陀螺儀的研究。
光纖陀螺的基本工作原理與環形雷射陀螺相似，除了具有雷射陀螺所有的優點外，還不需要精密加工、嚴格密封的光學諧振腔和高質量的反射鏡，所以減少了複雜性，降低了成本，具有更強的市場競爭力。日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纖陀螺。美國研製的光纖陀螺已套用于飛機俯衝、橫滾和航向基準的慣性測量系統中。但目前的光纖陀螺會出現角度隨機遊動、零偏不穩定等缺陷，其性能有待提高。
隨著現代微機電系統（MEMS）的飛速發展，近年來矽微陀螺（俗稱晶片陀螺）和矽加速度計的研製工作進展很快。據報導，這種新的固態陀螺的零偏穩定性已能達到1 度/小時（溫控條件下）。現在美國已開始小批量生產由矽微陀螺和矽加速度計構成的微型慣性測量裝置，其低成本、低功耗及體積小、質量輕的特點很適於戰術套用，在航空上最先的套用場合將是戰術飛彈和無人機。 高精度的慣導裝置需要先進的精密加工工藝作為基礎。隨著關鍵理論和技術的突破，會有多種類型的慣性陀螺套用在軍事領域，發揮出日益顯著的作用。
3． 數據融合技術將進一步提高GPS/INS組合制導的性能
GPS/INS兩者組合的關鍵器件是作為兩者的接口並起數據融合作用的卡爾曼濾波器。為了提高導航精度，目前普遍套用卡爾曼濾波技術來最優地組合各導航系統的信息，估計出導航系統的誤差狀態，再用誤差狀態的最優估計值去校正系統。但是，系統的狀態方程是時變的，而且狀態轉移矩陣中含有導航信息及慣性元件測量值，這些含有誤差的參數使得濾波器模型不準確。另外，很難精確地估計或測定系統噪聲與觀測噪聲，所以採用常規卡爾曼濾波器時常常會發散。為了解決這個問題，研究人員正在研究新的數據融合技術。例如採用自適應濾波技術，在進行濾波的同時，利用觀測數據帶來的信息，不斷地線上估計和修正模型參數、噪聲統計特性和狀態增益矩陣，以提高濾波精度，得到對象狀態的最優估計值。
此外，如何將神經網路人工智慧、小波變換等各種信息處理方法引入以GPS/INS組合制導為核心的信息融合技術正在引起人們的高度重視。這些新技術一旦研製成功，必將進一步提高GPS/INS組合制導的綜合性能。
