[發明專利]半實物仿真用GPS和INS組合制導系統

有效

• 申請號: 201210093704.9
• 申請日: 2012-03-31
• 公開（公告）號: CN102620605A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 王偉;林德福;王江;范軍芳;王嘉鑫;王輝;羅艷偉;宋韜;袁亦方
• 申請（專利權）人: 林德福
• 主分類號: F41G3/32
• 分類號: F41G3/32;G05B17/02
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11369
• 代理人: 劉冬梅

技術領域

本發明涉及半實物仿真試驗系統，尤其涉及組合GPS技術和INS技術進行制導的半實物仿真試驗系統。

背景技術

慣性導航系統(INS)是利用彈上慣性設備測量導彈運動的速度和坐標來形成導引指令信息的系統，通常包括一個慣性組合(加速度計和陀螺儀)及一臺導航計算機，其中計算機除了計算傳感器的測量值和地心引力之外，還主要輸出導彈隨時間變化的位置、速度和姿態角。INS的基本原理是：應用慣性加速度計在三個互相垂直軸的方向上測量出導彈重心運動的加速度分量，并利用相應的積分裝置得到速度分量和坐標分量；在導彈發射點的坐標和初速度已知的情況下，計算出導彈在每一時刻的速度值和坐標值；然后，把這些計算值與程序值比較，得出偏差量進行修正，以使導彈沿著預定的運動程序飛向目標。

INS能夠滿足近程導彈制導精度的要求，但卻不能滿足遠程導彈制導精度的要求，這是因為INS的制導精度主要取決于慣性器件(陀螺儀和加速度計)的精度。INS的精度在開始工作和較短的時間內是優良的，但從初始對準之后，INS的精度將由于陀螺儀的漂移誤差以及這種誤差隨時間的積累而降低。除了器件誤差之外，INS還存在安裝誤差、初始對準誤差和運動干擾誤差等。

全球定位系統(GPS)是美國陸、海、空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統，主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成部分。GPS具有全天候、高精度的優點，但其局限性也非常明顯，其主要缺點是衛星信號在有些地方受遮擋丟失信號而影響定位，以及定位精度容易受電子欺騙等因素影響。再加上GPS技術與美國國防密切相關，美國采取了選擇可用性政策(SA)和精測距碼(P碼)等加密措施。雖然現在美國取消了SA政策，但是為了保障美國的利益，美國會隨時采取相應的措施干擾GPS信號。因此，我們不應該完全依賴GPS用于導航和定位，尤其在軍用上。

GPS和INS組合制導系統是以INS為主、以GPS為輔的導航系統，其既保持了INS系統的自主性，又防止了導航定位誤差隨時間積累。同時，在算法上應用卡爾曼濾波技術，對組合系統的狀態變量進行最優估計，獲得修正信息，從而可進一步提高導航精度。由于GPS的低動態、窄帶寬、高精度與SINS的高動態、寬頻帶、誤差慢漂移特性形成強烈的互補，所以GPS和INS組合制導在航空、航天、航海、陸地戰車等各種導航領域都得到越來越廣泛的應用。

把INS和GPS有效地組合的基本方法有兩種，一種是如圖1所示的松耦合，另一種是如圖2所示的緊耦合。其中，卡爾曼濾波器是INS和GPS組合的關鍵器件，起到數據融合作用。松耦合的主要特點是慣性導航和GPS獨立工作，僅僅利用組合后的信息輔助慣性導航，以達到抑制慣性導航誤差積累的目的。這種組合方式的優點是結構簡單，便于工程實現，且由于組合系統的計算量小而可以滿足對實時性要求較高的系統設計。另外，由于兩個子系統是獨立工作的，所以便于容錯處理。這種組合方式的缺點是，GPS接收機輸出的位置和速度信息是經過GPS接收機內部處理過的，一般由GPS接收機內部的卡爾曼濾波器得到的，而這種信息往往帶有有色噪聲，在組合濾波器中，普通的卡爾曼濾波器只能處理白噪聲，所以往往組合效果不理想。

緊耦合采用一個卡爾曼濾波器來統一處理GPS測量得到的偽距和距離差以及從慣性組合來的5s～10s更新一次的誤差狀態信息，在技術上有一定難度。由于系統共用一個卡爾曼濾波器，存在一個相互權衡、彼此協調的最優化設計問題。但由于偽距、偽距率是GPS接收機的原始信息，所以不存在有色噪聲的問題。在GPS與低精度的慣性導航設備的組合中，由于慣性導航設備精度較低，導致捷聯解算的誤差積累的速度很快。當由于遮擋導致天空可見星數目小于4顆并使得GPS接收機無法正常解算載體的位置與速度信息時、即導致GPS信號短時失效時(特別是在城市或森林等遮擋物較多，GPS信號失效的情況經常發生)，捷聯解算的誤差將快速積累，從而導致組合失敗。在緊耦合的組合方式中，由于利用的外部觀測量是偽距、偽距率等原始信息，所以當可見星數少于4顆時仍然能夠進行組合，避免了慣性導航單獨工作使捷聯解算的誤差積累過快的情況。在美國空軍和海軍的聯合直接攻擊武器(JDAM)計劃中，慣性測量部件(IMU)與GPS接收機就采用緊耦合的組合方式。這種組合方式的缺點是，因需要進行繁瑣的星歷計算和延遲補償而計算量較大，降低了實時導航性能，另外還要求GPS接收機能夠給出偽距、偽距率和星歷等原始測量數據。

發明內容