捷联惯导与导航卫星组合技术的发展趋势
编者按 由于传统机械转子式陀螺和平台惯性技术的局限和卫星导航存在的缺点，未来的导航体制将是一种能两者优势互 补的捷联惯导与导航卫星组合技术。此文着重对此进行了综述，并论述了发展过程中需解决的各种技术问题和技术途径。
摘要 惯性技术逐渐从平台系统过渡到捷联系统，从机械转子型陀螺向固态陀螺发展。以惯性技术为基础的组合导航系统得到了重视和发展。介绍了捷联系统和组合导航系统在发展过程中存在的各种技术问题和解决这些技术难题的技术途径。
关键词 捷联式惯性制导，＋组合导航技术，全球定位系统。
1 前 言
捷联惯性系统由于结构简单、可靠性好、体积小、重量轻、成本低、容易维修等特点，近年来得到很快的发展，并且在一些战术武器中得到应用。由于精度尚未达到平台系统的精度水平，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)／惯性组合技术在提高精度、降低成本、全天候、全球导航等方面取得了举世瞩目的成就，其应用范围逐渐扩大。由于GPS的授权限制、动态性能及抗干扰能力等因素，其军事应用范围有一定程度的局限。解决矛盾的方法是进行惯性技术与多体制导航卫星系统的组合技术研究，来避免单一的GPS／INS组合模式所受到的限制，采用GPS与惯性系统深组合方式提高导航系统的动态性能和抗干扰能力，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器|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发展和不断完善，惯性技术也得到了空前的发展与进步。惯性技术中首先重点发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基础的各种惯性仪表。在长达30多年的时间内，陀螺漂移从10°／h左右提高到0.000 015°／h，几乎提高了6个数量级，但真正工程应用中的陀螺仪却长期停留在0.001°／h左右。为得到高精度水平的惯性系统却付出了十分昂贵的代价，仅一台浮球平台系统的研制费用就超过1 000万美元，即使在投入批量生产以后，每套产品的成本也高达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发展与技术进步的动力，随着前苏联-东欧体系的解体，美苏冷战时期结束，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发展，使惯性仪表及系统从单纯地追求高精度转向以降低成本为主，兼顾可靠性、快速性、机动性、小型化为技术指标的发展方向。
随着电子技术、计算机技术、现代控制理论的飞速进步，为捷联惯性技术的发展创造了有利条件。新一代低成本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，为捷联系统打下了物质基础。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发展。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提高，误差补偿技术的逐渐完善，捷联系统将逐步取代平台系统。
2 捷联系统的精度
目前，捷联系统的精度还未达到平台系统所取得的精度水平，还不能完全满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、光纤陀螺等漂移达到0.01°／h，石英加速度计的标度因数误差达到1×10-4之后，进一步提高仪表精度将会遇到加工工艺、材料、光电元器件等方面技术极限的限制，进一步提高仪表硬件精度将会更加困难，大幅度地追加投资不一定能够收到成比例的技术效益，同时也会给低成本优势的捷联系统蒙上阴影。
b) 捷联系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系统带来动态误差。这类误差比较难以补偿，这也是捷联系统还没有达到平台系统精度水平的主要原因。
c) 为了充分发挥捷联惯性系统的技术优势，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，达到提高导航（制导）精度的目的，建立以惯性系统为基础，以其它各种测量信息为辅助的组合导航系统。
惯性技术的发展表明：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基本材料的微机械振动陀螺发展；从框架式平台系统向捷联系统转移；从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多体制导航组合系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。
3 组合导航技术的优势
组合导航系统技术解脱了惯性系统的精度负担，保留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Ⅱ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1 800 km时落点误差CEP达到39 m。战斧巡航导弹采用LN-35纯惯性系统时导航误差为1.17 km／h，这已经是相当高的精度水平，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2 000 km时，落点误差进一步缩小到100 m。
三叉戟Ⅱ洲际弹道导弹采用星光／惯性组合制导技术，使落点误差CEP达到120 m，这与MX导弹采用的浮球平台技术所达到的精度处于同一水平，但是该导弹的研制经费却只及MX导弹的1／5。当然这类组合制导系统，需要花费一定的人力、物力、财力进行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行导航卫星与惯性系统组合技术研究是一种比较简捷的技术途径。
GPS是导航星全球定位系统（NavstarGPS）的简称，它是由美国从70年代开始研制的第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卫星布网结束，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）确定并进入实施阶段的全球导航卫星系统GNSS的基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信导航卫星，它包括4颗同步卫星，15颗中高空（10 000 km）非同步卫星。这个系统与GPS、GLONASS相对独立，即使前二者关闭撤出服务，它也可以满足全球导航的需要。
GPS可以在全球为用户全天候地提供精确的位置、速度和授时数据，导航数据稳定精确，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，对捷联系统来说还存在附加的动态误差。
实现以惯性系统为基础的GPS／SINS组合导航系统就可以优势互补、取长补短。用GPS接收机的高精度定位信息通过组合滤波器来标定和补偿捷联系统的积累误差，提高导航精度。同时，利用捷联系统的速度和加速度信息对GPS接收机进行速度辅助，以提高GPS接收机的抗干扰能力和动态性能，即使在GPS接收机测量数据短时间出现故障或消失，惯性系统仍能独立工作并提供高精度的导航数据。这是一个最佳组合方案，其性能、成本和体积均能满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不足之处：
a) GPS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C／A码的情况下精度下降，定位误差达到100 m。另外，根据国际形势的发展，美国军方可能对外国用户进行区域性封锁、关闭，这对国外军事用户来说是值得警惕的。为了减少这种风险，应该研究与发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进行多重兼容的组合模式，以减少某些大国在特定时间对国外用户单方面实施控制、封锁甚至关闭的危险，防止一国垄断卫星资源，保证用户安全可靠地工作。
b) 为了有效地解决GPS接收机的抗干扰和动态性能问题，必须深入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能力，提高动态性能，或者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容易的事情，它需要改变接收机内部的线路结构，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。如果利用它与惯性系统的输出信息进行第2次滤波，然后反馈校正就容易出现系统不稳定。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模式可以避免组合滤波器的相关性问题。因为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行组合滤波就十分方便，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，在时间延迟和不精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GPS／SINS组合系统的应用范围，应研究和设计成本更低、体积更小，适用于大批量生产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，成本已大幅度下降，多通道、小型化的多路导航OEM GPS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发展，硅微惯性器件也迅速发展起来。这种惯性器件以硅为基片材料，用半导体集成电路生产中的光刻和各向异性刻蚀技术进行微细加工，生产出低成本、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1 mm2，目前精度性能不高，带宽60 Hz，分辨率为0.1 °／s，预计到本世纪末，陀螺漂移将达到1°／h。
硅微加速度计的最大尺寸为1 mm，偏置稳定性（补偿后）20 mg（-10 ℃～75 ℃），分辨率2 mg（60 Hz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)。如果将它们与多路OEM GPS接收机模块设计成GPS／SINS组合导航系统，则可得到高精度、高可靠、耐恶劣环境条件、极小体积、低成本的导航设备，其商品价值和应用领域是不可估量的。
作者单位：(北京控制仪器研究所，北京，100085)
参考文献
1 彭允祥. 导弹惯性技术向何处去. 现代军事，1989(7).
2 Greiff P ，et al . Vibrating whell micromechanical gyro. IEEE， 1996.
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/87c8c29a51e79b89680226c4.html
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