基于GPS／INS實現(xiàn)某自行高炮導航系統(tǒng)的改造設計
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某自行高炮武器系統(tǒng)是我軍現(xiàn)役裝備，其通過INS(慣性導航系統(tǒng))對戰(zhàn)斗車行軍作戰(zhàn)進行導航。INS是一種自主式導航系統(tǒng)，它不依賴外界信息即可獲得載體的姿態(tài)、速度和方位信息，抗干擾能力強，而且不向外界輻射電磁信息，隱蔽性好。但隨著時間的延續(xù)INS的定位誤差不斷積累，漂移變大。GPS廣泛用于地球表面移動目標的跟蹤定位，特別是在美國取消SA限制后，GPS可以高精度、實時、連續(xù)地實現(xiàn)導航，由于GPS是一種非自主導航系統(tǒng)，在動態(tài)環(huán)境下或受遮攔時容易出現(xiàn)“丟星”現(xiàn)象而導致定位中斷，抗干擾能力低，更新率不高?？梢钥闯觯琁NS和GPS具有很強的互補特性，將兩者結合起來將大大提高該武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。表1為與INS組合的幾種無線電導航系統(tǒng)的性能比較對照表。
1 INS工作原理
INS是通過IMU(慣性測量組件)測量載體相對慣性空間的角速度和加速度，并根據(jù)牛頓運動定律對其進行時域積分并轉(zhuǎn)換到導航坐標系中，從而推算出載體的瞬時速度、偏航角和位置等導航信息，如圖1所示。
取xoy為定位坐標系，載體的瞬時位置為(x，y)，如果在載體內(nèi)用一個導航平臺把2個加速度計的測量軸分別穩(wěn)定在x和y軸向，則加速度計分別測量載體，x和y軸的相對慣性空間的運動加速度，經(jīng)導航計算機的運算得到載體的航行速度Vx，Vy，，故有：
若經(jīng)緯度為α，β，x正向為北，y正向為東，地球半徑為R，則用經(jīng)緯度表示位置信息為：
注：P為位置；V為速度；T為時間；A為姿態(tài)；c為通信。
2 GPS工作原理
GPS的工作原理如下：圍繞地球運轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)波無線電信號，信號中載有衛(wèi)星信號準確的發(fā)射時間以及不同時間衛(wèi)星在空間的準確位置(星歷)。位于載位上的衛(wèi)星導航接收機在接收到衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號之后，如果他們有與衛(wèi)星鐘準確的同步時鐘，便能測量出信號的到達時間，從而估算出信號在空間的傳播時間，再利用這個傳播時間乘以信號在空間的傳播速度便能求出接收機與衛(wèi)星之間的距離。即：
式中：R為衛(wèi)星與接收機之間的距離；(x0，y0，z0)表示接收機位置的三維坐標；(x，y，z)表示衛(wèi)星位置的三維坐標。其中R，(x，y，z)已知，(x0，y0，z0)未知。如果接收機能同時測出與三顆衛(wèi)星的距離，則構成三個方程式，聯(lián)立求解，即可求得接收機的位置(x0，y0，z0)。
高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面接收裝置不斷跟蹤衛(wèi)星，算出它們近期的準確軌道，并且不斷測量出衛(wèi)星所載原子鐘的微小誤差，以使衛(wèi)星播發(fā)的位置和時間一直保持著很高的精度。然而普通的接收機不可能有十分準確的時鐘，因此由它測出的衛(wèi)星信號在空間的傳播時間不準確，進而導致接收機與衛(wèi)星的距離不準確，這種距離叫做偽距(PR)。但是在接收衛(wèi)星信號的瞬間，接收機的時鐘與衛(wèi)星導航系統(tǒng)所用時鐘的時間差是一個定值，假設為△t，則式(1)改寫為：
如果接收機能測出距四顆星的偽距，聯(lián)立四個方程既能求解接收機的位置并告訴它準確的時間差。當載體不運動時，由于衛(wèi)星在運動，接收到的衛(wèi)星信號的載頻中會有多普勒頻移，這個頻移的大小和正負是根據(jù)衛(wèi)星的星歷、時間以及載體本身的位置計算求得。然而如果載體本身運動，則這個多普勒頻移便要發(fā)生變化，其大小和正負取決于載體運動的速度和方向，根據(jù)這個變化，可以求得載體的三維運動速度。這樣，GPS就可以為用戶提供準確的三維位置、三維速度和時間信息。
3 GPS／INS組合導航系統(tǒng)模型
組合導航系統(tǒng)的結構如圖2所示。
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