[实用新型]半实物仿真用GPS和INS组合制导系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及半实物仿真试验系统，尤其涉及组合GPS技术和INS技术进行制导的半实物仿真试验系统。 

背景技术

惯性导航系统(INS)是利用弹上惯性设备测量导弹运动的速度和坐标来形成导引指令信息的系统，通常包括一个惯性组合(加速度计和陀螺仪)及一台导航计算机，其中计算机除了计算传感器的测量值和地心引力之外，还主要输出导弹随时间变化的位置、速度和姿态角。INS的基本原理是：应用惯性加速度计在三个互相垂直轴的方向上测量出导弹重心运动的加速度分量，并利用相应的积分装置得到速度分量和坐标分量；在导弹发射点的坐标和初速度已知的情况下，计算出导弹在每一时刻的速度值和坐标值；然后，把这些计算值与程序值比较，得出偏差量进行修正，以使导弹沿着预定的运动程序飞向目标。 

INS能够满足近程导弹制导精度的要求，但却不能满足远程导弹制导精度的要求，这是因为INS的制导精度主要取决于惯性器件(它螺仪和加速度计)的精度。INS的精度在开始工作和较短的时间内是优良的，但从初始对准之后，INS的精度将由于陀螺仪的漂移误差以及这种误差随时间的积累而降低。除了器件误差之外，INS还存在安装误差、初始对准误差和运动干扰误差等。 

全球定位系统(GPS)是美国陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核 爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。GPS具有全天候、高精度的优点，但其局限性也非常明显，其主要缺点是卫星信号在有些地方受遮挡丢失信号而影响定位，以及定位精度容易受电子欺骗等因素影响。再加上GPS技术与美国国防密切相关，美国采取了选择可用性政策(SA)和精测距码(P码)等加密措施。虽然现在美国取消了SA政策，但是为了保障美国的利益，美国会随时采取相应的措施干扰GPS信号。因此，我们不应该完全依赖GPS用于导航和定位，尤其在军用上。 

GPS和INS组合制导系统是以INS为主、以GPS为辅的导航系统，其既保持了INS系统的自主性，又防止了导航定位误差随时间积累。同时，在算法上应用卡尔曼滤波技术，对组合系统的状态变量进行最优估计，获得修正信息，从而可进一步提高导航精度。由于GPS的低动态、窄带宽、高精度与SINS的高动态、宽频带、误差慢漂移特性形成强烈的互补，所以GPS和INS组合制导在航空、航天、航海、陆地战车等各种导航领域都得到越来越广泛的应用。 

把INS和GPS有效地组合的基本方法有两种，一种是如图1所示的松耦合，另一种是如图2所示的紧耦合。其中，卡尔曼滤波器是INS和GPS组合的关键器件，起到数据融合作用。松耦合的主要特点是惯性导航和GPS独立工作，仅仅利用组合后的信息辅助惯性导航，以达到抑制惯性导航误差积累的目的。这种组合方式的优点是结构简单，便于工程实现，且由于组合系统的计算量小而可以满足对实时性要求较高的系统设计。另外，由于两个子系统是独立工作的，所以便于容错处理。这种组合方式的缺点是，GPS接收机输出的位置和速度信息是经过GPS接收机内部处理过的，一般由GPS接收机内部的卡尔曼滤波器 得到的，而这种信息往往带有有色噪声，在组合滤波器中，普通的卡尔曼滤波器只能处理白噪声，所以往往组合效果不理想。 

紧耦合采用一个卡尔曼滤波器来统一处理GPS测量得到的伪距和距离差以及从惯性组合来的5s～10s更新一次的误差状态信息，在技术上有一定难度。由于系统共用一个卡尔曼滤波器，存在一个相互权衡、彼此协调的最优化设计问题。但由于伪距、伪距率是GPS接收机的原始信息，所以不存在有色噪声的问题。在GPS与低精度的惯性导航设备的组合中，由于惯性导航设备精度较低，导致捷联解算的误差积累的速度很快。当由于遮挡导致天空可见星数目小于4颗并使得GPS接收机无法正常解算载体的位置与速度信息时、即导致GPS信号短时失效时(特别是在城市或森林等遮挡物较多，GPS信号失效的情况经常发生)，捷联解算的误差将快速积累，从而导致组合失败。在紧耦合的组合方式中，由于利用的外部观测量是伪距、伪距率等原始信息，所以当可见星数少于4颗时仍然能够进行组合，避免了惯性导航单独工作使捷联解算的误差积累过快的情况。在美国空军和海军的联合直接攻击武器(JDAM)计划中，惯性测量部件(IMU)与GPS接收机就采用紧耦合的组合方式。这种组合方式的缺点是，因需要进行繁琐的星历计算和延迟补偿而计算量较大，降低了实时导航性能，另外还要求GPS接收机能够给出伪距、伪距率和星历等原始测量数据。 

实用新型内容