GPS制導

GPS（全球定位系統）制導的工作原理是利用彈上安裝的GPS接收機接收4顆以上導航衛星播發的信號，來修正飛彈的飛行路線，提高制導精度。例如，美國“戰斧”巡航飛彈已改裝成BlockⅢ型，其主要改進GPS接受機和天線系統，改裝後的飛彈，其圓機率誤差由原來的9米降為3米。該飛彈在科索沃戰爭中發揮出色。

基本介紹

• 中文名：GPS制導
• 原理：利用GPS接收機接收導航衛星信號
• 分類：測地型、全站型、定時型
• 構成：三部分構成

系統介紹

全球定位系統(GPS)是本世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，並用於情報收集、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。經過20餘年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

分類

GPS衛星接收機種類很多，根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型；

根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

構成

全球定位系統由三部分構成：

地面控制部分

由主控站(負責管理、協調整個地面控制系統的 工作)、地面天線(在主控站的控制下，向衛星注入尋電文)、監測站(數據自動收集中心)和通訊輔助系統(數據傳輸)組成；

空間部分

由24顆衛星組成，分布在6個道平面上

用戶裝置部分

主要由GPS接收機和衛星天線組成。

全球定位系統的主要特點：(1)全天候；(2) 全球覆蓋；(3)三維定速定時高精度；(4)快速省時高效率：(5)套用廣泛多功能。

用途

全球定位系統的主要用途：

陸地套用

主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市政規劃控制等

海洋套用

包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等

航空航天套用

包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衛星定軌、飛彈制導、航空救援和載人太空飛行器防護探測等。

套用

經過20餘年的實踐證明，GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。 GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

飛彈，其得名來源於它是能“自動導向目標的彈”，因此能自己奔著目標去是飛彈的根本特點。實現這個特點主要得靠飛彈制導系統。飛彈制導系統是導引和控制飛彈按選定的導引規律飛向目標的全部裝置和軟體的總稱，也稱飛彈導引和控制系統。

GPS制導在道路工程中的套用

GPS在道路工程中的套用，目前主要是用於建立各種道路工程控制網及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發展，對勘測技術提出了更高的要求，由於線路長，以知點少，因此，用常規測量手段不僅布網困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控制網，然後用常規方法布設導線加密。實踐證明，在幾十公里範圍內的點位誤差只有2厘米左右，達到了常規方法難以實現的精度，同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣套用於特大橋樑的控制測量中。由於無需通視，可構成較強的網形，提高點位精度，同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的套用前景，GPS測量無需通視，減少了常規方法的中間環節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經濟和社會效益。

GPS制導在汽車導航和交通管理中的套用

三維導航是GPS的首要功能，飛機、輪船、地面車輛以及步行者都可以利用GPS導航器進行導航。汽車導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發展起來的一門新型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理機、車速感測器、陀螺感測器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網路、計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。

GPS在飛彈制導方面的套用

研究表明，理想的飛彈制導系統應滿足如下要求：全球覆蓋；高的相對精度和絕對精度；對高動態載體具有良好的實時適應能力；能夠提供三維位置、三維速度和姿態數據；工作不受外部環境影響；具有抗人為和非人為干擾的能力；不被他方利用；可供我方廣大用戶使用；能隨時、自主地進行故障檢測和故障排除；高的可靠性；與現行機載設備的規範要求相符；價格適中，為廣大用戶所接受等等。目前，飛彈制導系統大都採用慣性制導系統(INS)，這種系統由於存在誤差隨時間而積累的固有缺點，所以很難滿足高精度、高可靠性等制導系統的要求。研究表明，在影響飛彈制導精度的誤差因素中，慣導儀表的測量誤差是主要誤差源。鑒於制導系統的要求以及慣導系統的固有缺陷，目前提高制導系統精度一般有兩條途徑：採用新的制導系統和完善現有的慣導系統。

3.1 高動態GPS接收機在飛彈制導中套用

採用新的制導技術是制導領域一直關注的問題，隨著GPS這一全球衛星定位系統的建成，基於GPS系統的新型制導系統可以較好地滿足飛彈制導的諸項要求，用GPS制導系統來替換現有的慣導系統，實現飛彈的長距離、高精度制導已引起越來越多的關注。

用高動態GPS接收機進行飛彈制導需要解決的兩個關鍵問題是：GPS全向天線的研究和基於GPS技術的飛彈姿態測量方法研究。這兩項研究已有所突破，這裡不再贅述。圖2是基於高動態GPS接收機的飛彈制導系統組成框圖。其基本工作原理是：由GPS接收機測量出飛彈的實時位置並與存儲在程式裝置中的預定軌道參數進行比較和計算綜合，然後通過姿態控制系統控制彈體運動；而飛彈的姿態信息也通過GPS接收機實時監測，並適時控制飛彈進行調整，整個制導系統是一個閉環系統，最終將飛彈引向目標。

圖2 基於高動態GPS接收機的飛彈制導系統組成框圖

3.2 GPS和慣導組合的制導方法

完善現有的慣導系統就必須減小慣導儀表的工具誤差。目前通過提高慣導儀表質量而減小工具誤差的方法越來越困難；而採用組合制導技術來修正工具誤差的方法周期短、成本低，隨著GPS技術的出現，這種方法越來越受到重視。

普通的GPS接收機在高動態環境不易捕獲和跟蹤信號，甚至產生整周跳變現象；而慣導系統可實時提供多種導航信息，但其導航誤差會隨時間而積累，影響制導效果。GPS/INS組合制導系統使得新系統既具有慣導系統較高的相對精度，又具有GPS較高的絕對精度，並容易提供載體的姿態信息。用GPS連續提供的高精度位置和速度信息可以估計和校正慣導系統的位置誤差、速度誤差，從而顯著提高慣導系統的定位精度；而藉助慣導系統的加速度計速率信息，可改善GPS接收機的動態性能，使GPS接收機能夠在高動態環境快速捕獲和重新捕獲衛星信號。因此，GPS和INS的組合可以構成真正理想的制導系統。慣導與GPS的組合方式一般可以分為兩大類：重調式和卡爾曼濾波方式。

重調式是簡單的組合方式。實質上，這種組合只是GPS向慣導單方向的校準，雖然有簡單、易於實現的優點，但組合的潛能遠沒有發揮出來。

在卡爾曼濾波方式中採用了組合導航濾波器(實質上是一種卡爾曼濾波器)，通過估計慣導儀表的誤差改善慣導系統的定位精度；如果慣導的速率數據作為GPS接收機碼跟蹤環路和載波跟蹤環路的輔助信息，在高動態環境下可降低GPS接收機對動態信號跟蹤能力的要求，從而提高抗干擾性能。另外，當因干擾和姿態變化丟失了GPS信號，此組合方式還具有快速重捕能力。圖3為典型的GPS/INS組合系統的結構圖。