惯导平台系统研究进展与发展趋势思考

现代军事应用中,远程导弹武器主要功能是精确打击关键军事目标,制导精度成为其首要性能指标。当前,国内外远程武器采用的主流惯性器件为惯导平台系统,平台框架在发射前可控制台体旋转实现自对准、自标定等功能。在导弹飞行过程中,平台控制台体稳定于惯性空间,通过隔离角运动提高惯性仪表使用精度,因而成为远程制导系统的首选惯性器件。我国惯导平台系统技术从20世纪60年代起步至今,先后经历了滚珠轴承平台、气浮陀螺平台、动调陀螺平台、静压液浮平台以及三浮平台系统的发展历程。目前,在研新型远程导弹制导系统主要采用基于三浮陀螺及陀螺加速度计的三浮平台系统,其关键技术包括亚微米精度特种材料加工与装配技术、抗高过载环境高可靠三浮惯性仪表技术、惯性/天文复合制导技术以及惯导平台自对准与自标定技术。近年来,以光学陀螺、半球谐振陀螺等为代表的新型惯性仪表的工程应用精度逐步提升。以平台稳定控制技术为基础,构建基于新型固态陀螺的惯导平台体系架构,将会推动我国远程武器性能跨越式发展。通过分析光纤陀螺、半球谐振陀螺等新型惯性仪表的技术优势以及新一代制导系统小型化、数字化、智能化等性能需求,对我国远程制导用惯导平台技术发展提出了几点建议。     

综合采用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度

仅用地面雷达跟踪数据评估制导系统的精度,其效果受客观条件限制。研究表明,把GPS(全球定位系统)作为外测资源在精度分析工作中加以利用,则效益显著。本文探讨综合利用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度的问题。即对飞行试验的导弹,除了采用地面雷达进行跟踪测量外,还假设其装有弹载接收机。该高动态接收机通过弹载天线接收从四颗(以上)卫星发射的信号,该信号提供伪距和伪距变化率数据及广播星历资料。将这些外测数据(GPS数据和雷达数据)与遥测信息结合起来,选定合适的状态参数后,即可建立状态方程和观测方程。本文采用先进的估计技术(尤指U-D型卡尔曼滤波器)可分离出制导系统惯性器件等误差。由于把导弹的遥测速度和位置(修正了已知误差)转化成相应的外测数据并与之求差产生观测量,同时形成相应的测量矩阵。而U-D型卡尔曼滤波器又能将观矢量进行标量化处理,因此综合利用GPS数据和地面跟踪数据,实际上增大了观测矢量的阶数,从而提高了状态估计精度。当仅有其中一种测量手段时,该滤波器仍能正常运算。     

纯惯导中制导误差分析

针对洲际弹道导弹,在分析加速度计测量误差和陀螺漂移误差对导弹视加速度影响的基础上,给出了中制导段惯性系统对速度和位置的误差传递模型,对给定的惯组误差系数偏差进行了纯惯性导航制导误差计算。仿真结果表明,纯惯导中制导对洲际导弹落点精度影响比较大。该算法可用于纯惯性中制导方案设计。     

科技成果

飞机着陆导引有新招 惯性/差分GPS精密进场着陆导引系统试飞成功 由西安飞行自动控制研究所和空军某部合作研制的惯性/差分GPS着陆导引系统经过试飞考核,获得满意结果。 该系统不仅精度高,可靠性和适时性好,而且一次投入低,易于普及推广。该系统除原有的导航功能外,还能以极高的精度指示飞机沿着指定的航迹飞行,给飞行员提供图形化的精确、安全的进场着陆导引信息,导引图像直观,操作方便,大大提高了飞机全天侯,尤其是在复杂条件下的飞行能     

图片消息

JDAM将采用罗克韦尔的GPS制导装置麦道公司已选择罗克韦尔公司的柯林斯航空电子与通信部为JDAM(联合直接攻击炸弹)制造GPS接收机模块(GPSRM)。这种模块是GEMⅢ(TM)(GPS嵌入式模块)接收机的修改型。它在世界上任何地方的定位精度达16米,当与惯性测量装置连接时,系统的定位精度将达到13米。     

2017年国外惯性技术发展与回顾

概述了国外惯性相关机构的发展变化,从环形激光陀螺（RLG）、光纤陀螺（FOG）、微机电（MEMS）陀螺和原子陀螺等角度详细介绍了近年来不同机构如美国诺格公司、霍尼韦尔公司、法国赛峰电子与防务公司、iXblue集团等的概况及其惯性仪表、系统的发展与应用。分析了全球定位系统（GPS）面临的严峻形势下,美国GPS的发展以及GPS拒止环境下部分项目的新进展。最后,对比了不同陀螺技术的发展和应用,总结了惯性技术的趋势。     

《飞行器测控技术》1988年总目录

测控总体 美国国防部有关GPS在试验和训练靶场的应用计划(一)P .1一4 GPS在弹道导弹跟踪中的应用(一)P .5一8 未来的小型机动式GFS靶场测量设备(一)P .9一10 全球定位系统用于空间超高动态飞行器的跟踪(一)P .11一13 GPS用于试验和训练靶场的误差估算、精度及其有关系问题(一)P .14一66 SATRACK一I和SATRACK一l导弹跟踪系统的工作经验与设计指标(一)P .6了一73 GPS用于MX导弹飞行试验的实时跟踪(一)P .74一80 三叉戟I型导弹利用转发GPS信号进行实时跟踪的现场试验结果(一)P .81一86 跟踪和数据中继卫星系统的近期发展(三)…     

GPS用于MX导弹飞行试验的实时跟踪

霍普金斯大学应用物理实验室最近完成了一项MX导弹(和平卫士)试验飞行的实时GPS跟踪研究。因为飞向夸贾林环礁所需靶场安全提出了严格的精度要求,故分析了各种跟踪方案。本文简述了导弹跟踪的经验之后,介绍了各种系统方案。讨论了各种远站处理方案,接着专门研究了电离层误差修正方法和接收机锁相环路热噪声。最后,叙述了瞬时落点(IIP)时间协方差仿真结果。     

用于精密定位的利用GPS的卫星跟踪系统

NASA正在研究一种以全球定位系统(GPS)为基础的测量系统,用以精密测量地球卫星轨道、测地基线、电离层电子含量和全球范围内跟踪站之间的时钟偏差。该系统将采用多种差分GPS观测技术,并将使用由九个固定地面终端所组成的网。GPS用于卫星跟踪时,卫星上或者配备GPS飞行接收机,或者配备星载GPS信标。整个系统将于1988年投入使用(卫星跟踪除外)。第一项大型卫星应用将是一项验证性应用,即在90年代初期确定TOPEX卫星的高度,使其精度达分米级。到那时,预计该系统对长基线测量的精度可达几厘米,而瞬时时间同步精度可达1毫微秒。     

SATRACK-Ⅰ和SATRACK-Ⅱ导弹跟踪系统的工作经验与设计指标

SATRACK-I是为美国海军战略系统计划局研制的,用来跟踪试飞的“三叉戟-I”型导弹。该系统利用GPS的L_1频率信号、弹载变频转发器、地基接收/记录站以及一套专用的事后处理设备(该设备设在约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室),用以对导弹初始状态、弹道及制导系统误差作最优估计。该系统从1978年沿用至今,进行了50多发试飞导弹的性能估计。本文评价了SATRACK-I系统的性能,其设计精度指标为12.2米和0.015米/秒(1σ/每轴)。由于SATRACK-I的卫星—导弹间是单频线路,所以要用电子密度数学模型来修正电离层的距离及多卜勒误差。本文讨论了所用模型的特点及其性能。目前正在设计的SATRACK-Ⅱ系统将用来跟踪和鉴定“三叉戟-Ⅱ”型试飞导弹。该系统的精度指标为6.1米和0.03米/秒(1σ/每轴)。为达到这些指标,必须使用双频卫星一导弹间线路,并作其它一些系统改进。已选定GPS的L_3频率信号作为第二个频率,这一选择的原因以及其它系统改进将在下面介绍。     

惯性传感器技术的发展趋势

本文概括叙述了惯性传感器技术，描述了在目前工业上的应用和它在近期及远期应用的前景。惯性传感器技术发展的趋势也在此得到详细阐述，即干涉型光纤陀螺，微机械陀螺和加速度计，还有微型光学传感器。微机械传感器和改进后的光纤陀螺预计在不远的将来会替代许多现行系统中采用的环形激光陀螺或者机械传感器。新技术成功的引进主要是由成本原因所驱使的，采用这些新技术的系统的成本项目也在此陈述。利用全球定位系统（GPS）辅助的惯性导航系统已使导航应用的领域面更扩大化，例如制导炸弹。这些新的应用场合将促使具有极其低廉价格、可批量生产的传感器的开发。     

空-空导弹微分对策最佳导引律的研究

本文研究空-空导弹微分对策最佳导引问题中目标加速度及导弹加速度对制导精度的影响。根据推得的三类制导律讨论了指标中权系数的选择原则,并给出了剩余飞行时间（time-to-go）的两种估计方案。仿真结果表明:导弹侧向加速度作为制导信号对导引精度有十分明显的提高,如果目标加速度不大,在制导过程中引入目标加速度则效果不显著。     

用于GPS接收机模拟和仿真的数字化基带信号处理器

全球定位系统(GPS)接收机可作成数学模型并由软件完成,接收机数字基带信号处理器完成GPS观测量的最大似然估计。本文讨论:1)数字化GPS接收机的原理;2)数字化基带信号处理器的模拟;3)模拟接收机静态和动态性能。在GPS接收机设计和系统性能分析过程中,软件接收机较之硬件接收机具有更强的灵活性,价格便宜,而且更为精确。     

基于弹体动力学信息的速率陀螺滤波

针对使用低精度惯性器件的战术制导武器中速率陀螺精度低、噪声大的问题,提出了一种基于弹体动力学信息降低陀螺噪声的方法.该方法通过将弹体姿态动力学方程与扩展卡尔曼滤波算法相结合来构建滤波器,并在飞行过程中利用导弹的先验特征信息和实测的执行机构信息来实时校正陀螺的测量值;然后从理论上证明了所建立非线性滤波系统是局部可观测和有效的.仿真结果表明,该滤波方法可以有效地抑制速率陀螺的测量误差.     

一种制导炮弹用组合导航系统设计

针对制导炮弹的需求设计了一种组合导航系统。该系统采用微机电 (MEMS)惯性传感器, 集成了GPS 接收机和磁阻传感器, 构成了微小型组合导航系统。 给出了系统的整体设计方案、硬件结构、导航算法设计和试验结果,并讨论了系统设计 中的一些问题。     

利用导航星全球定位系统鉴定下一代远程导弹

导航星(NAVSTAR)全球定位系统是一项三军联合计划,目前正在作方案验证。该计划由空军掌管,并有海军、陆军、海军陆战队和国防测绘局参加。当该系统全面投入工作后,它将为各种用户提供高精度定位和测速能力。美乐华(Mag-navox)公司先进产品部根据数个有偿合同,参与了几种用户设备的研制工作,并参与了其它部门应用全球定位系统的研究工作。本文介绍了为航天和导弹试验中心(SAMTEC)范登堡空军基地(西靶场)进行研究的结果,该项研究是要确定导航星全球定位系统用作下一代弹道导弹的外测和制导鉴定系统的可能性和能力。本文研究了利用全球导航系统跟踪导弹的三种主要方法,基于对导弹飞行方案、环境因素、系统要求和约束条件以及布局分析等方面的研究,提出了一些有关导弹外测的建议。     

用全球定位系统对导弹进行实时跟踪

本文将介绍一套利用全球定位系统(GPS)对远程导弹进行实时跟踪的系统。全球定位系统全面投入工作后(八十年代后期),用它来跟踪导弹、飞机和地面车船正是其英雄用武之地。为了充分利用该系统,必须要有一种高经济效率的跟踪方案。在跟踪导弹这样一些非回收性试验体时,尤其要注意这一点。本文所介绍的这些技术就是跟踪非回收性试验导弹的一种经济实惠的方法。其基本方案是被试导弹接收多个GPS信号,将这些混合信号的频率变换到一个新的S波段频率上、然后再将混合的S波段信号发送到地面接收站。地面站接收经转发的GPS信号,并加以处理,得到该导弹的正常伪距和伪距离率测量值。用卡尔曼滤波器计算出位置和速度解。除了能独立工作之外,本文所介绍的系统还能与现有跟踪系统相结合,提高跟踪精度。     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

游标测距数据在导弹事后精度鉴定中的应用

Rockwell公司为奥基丹(Ogden)空军后勤中心对选定的民兵导弹试验飞行进行了精度鉴定。其中一部份工作是对“制导-雷达”斜距比对进行回归分析。一般有六或七部雷达跟踪装有C波段相干应答机的被动段飞行器(PBV)。这些雷达中有几部还能测得距离变化率数据。最近的民兵Ⅲ试验飞行中,Rockwell可以得到联邦电子公司录取的实验性距离游标器磁带。该磁带只记录了一个站的数据,在事后鉴定中与标准的雷达磁带联合使用。本报告以实例叙述了采用游标测距数据的作用。     

防空导弹惯性技术综述及展望

从精确打击入手阐述了惯性技术对于防空导弹的重要性,提出惯性技术是防空导弹自主导航制导的核心之一。回顾了防空导弹惯性技术的发展历程,从快速反应、工作环境、测量精度等方面概述了防空导弹对惯性技术的需求,梳理了惯性传感器技术、动基座对准技术、高精度自主导航技术等几个关键技术。最后,从新型惯性传感器技术、新材料和新制造技术、新应用场景新需求等方面分析了防空导弹惯性技术的发展趋势,并从工程应用层面对防空导弹惯性技术的发展方向进行了展望。