Sistema de navegación inercial del sistema de posicionamiento global GPS/INS
1. La necesidad de la combinación GPS/INS
El GPS es actualmente el sistema de navegación y posicionamiento por satélite más utilizado. sistema El sistema es fácil de usar y de bajo costo, y su última precisión de posicionamiento real ha alcanzado los 5 metros. Sin embargo, las aplicaciones militares de los sistemas GPS todavía tienen deficiencias como la susceptibilidad a las interferencias, la escasa confiabilidad en entornos dinámicos y la baja frecuencia de salida de datos.
El sistema INS utiliza dispositivos de medición inercial (como acelerómetros y giroscopios) instalados en el portaaviones para detectar el movimiento del portaaviones y generar información de actitud y posición del portaaviones. El sistema INS es completamente autónomo, altamente confidencial, móvil y flexible, y tiene una salida de parámetros multifuncional. Sin embargo, existe el problema de la rápida acumulación de errores con el tiempo. La precisión de la navegación difiere con el tiempo. tiempo y debe ser calibrado constantemente.
La combinación de GPS e INS puede hacer que los dos sistemas de navegación se complementen y formen un todo orgánico. Las ventajas de la guía combinada GPS/INS se reflejan principalmente en:
1. La combinación GPS/INS mejora la precisión del sistema
Se puede utilizar información GPS de alta precisión para corregir el INS y controlar su dirección. error en el tiempo. La acumulación del tiempo. La información del GPS se puede utilizar para estimar los parámetros de error del INS y la compensación del reloj del receptor GPS. Por otro lado, el INS puede proporcionar información auxiliar para el GPS aprovechando su precisión de posicionamiento a corto plazo y su alta tasa de muestreo de datos. Utilizando esta información auxiliar, el receptor GPS puede mantener un ancho de banda de seguimiento más bajo, mejorando así la capacidad del sistema para readquirir señales satelitales.
2. La combinación GPS/INS mejora la capacidad antiinterferencia del sistema.
Cuando la señal GPS está sujeta a interferencias de alta intensidad o cuando falla el receptor del sistema satelital, El sistema INS puede realizar de forma independiente la navegación y el posicionamiento. Cuando las condiciones de la señal de GPS mejoran significativamente para permitir el seguimiento, el sistema INS proporciona la posición inicial relevante, la velocidad y otra información al receptor de GPS para su uso en la readquisición rápida de códigos y portadores de GPS. La señal del sistema INS también se puede utilizar para ayudar a que la antena del receptor GPS se alinee con el satélite GPS, reduciendo así el impacto de la interferencia en el sistema.
3. Resolver el problema del deslizamiento del ciclo
Para la medición de la fase de la portadora GPS, INS puede resolver el problema del deslizamiento del ciclo del GPS y el recálculo de todos los parámetros de ambigüedad del ciclo después de que se pierde la señal. bloquear también se ha reducido el requisito de que al menos 4 satélites sean visibles.
4. Resolver el problema de la baja frecuencia de muestreo de las aplicaciones dinámicas GPS
En algunos campos de aplicaciones dinámicas, los datos INS de alta frecuencia pueden interpolar los eventos requeridos entre los resultados de posicionamiento GPS con alta precisión. lugar del suceso (como la determinación de la posición en el momento de la exposición de una cámara aérea).
5. Usos más amplios
El sistema combinado GPS/INS es una integración complementaria y mutuamente mejorada de GPS e INS, en lugar de una simple combinación de los dos. El sistema combinado tiene un rendimiento más sólido y campos de aplicación más amplios.
Precisamente porque estos dos sistemas son extremadamente complementarios, no solo pueden proporcionar una navegación global de precisión a bajo costo, sino también cumplir con los requisitos de confidencialidad de las aplicaciones militares.
2. Amplia aplicación de la tecnología de guía combinada GPS/INS en la guerra moderna
1. La guía combinada GPS/INS se ha convertido en una tecnología de guía de alcance completo y de guía a mitad de camino ampliamente utilizada.
En la actualidad, el método de guía de alcance medio de los misiles de ataque terrestre representado por el misil de crucero estadounidense "Tomahawk". Sigue siendo un sistema de navegación asistida por navegación inercial. Debido a que el GPS militar de EE. UU. tiene una precisión muy alta y es fácil de usar, Estados Unidos y algunos otros países occidentales utilizan el GPS como sistema de navegación auxiliar para la navegación inercial en la etapa de guía intermedia en lugar de la coincidencia del terreno. Además, muchas armas guiadas nuevas, como el "Misil aire-tierra de separación conjunta" (JASSM) desarrollado por Lockheed Martin y la "Munición de ataque directo conjunto" (JDAM) fabricada por Boeing, dependen del GPS/INS para alta -guía de precisión.
Tomemos JDAM como ejemplo. Es una munición guiada para todo clima que agrega un conjunto de cola guiada por GPS/INS a una bomba ordinaria existente. Su parte de navegación inercial utiliza un pequeño giroscopio láser. El JDAM es corregido continuamente por el sistema de aviónica del avión de transporte antes de su lanzamiento. Una vez lanzada, el sistema GPS/INS de la bomba se hará cargo del trabajo del sistema de aviónica de la aeronave y guiará la bomba hacia la sonda C4 del C4 y se logrará una estrecha coordinación de los componentes INS de tres ejes. El componente de control de guía proporciona una guía precisa tanto en el modo operativo INS asistido por GPS como en el modo operativo único INS.
Estas armas están más cerca de los inhibidores que de los aviones, y la intensidad de la interferencia a la que se enfrentan es mucho más severa que la de los aviones que lanzan misiles. El sistema de guía combinado GPS/INS puede identificar la presencia de señales de interferencia y proporcionar una guía precisa con errores de guía más pequeños en un período de tiempo más corto.
La guía combinada GPS/INS integrada no solo mejora la confiabilidad del sistema de armas, sino que también tiene una alta precisión. Por lo general, su error de probabilidad circular está entre 10 y 13 metros, mientras que la precisión de la guía GPS por sí sola es de aproximadamente. 15 metros.
2． El sistema de guía combinado GPS/INS proporciona servicios de navegación y posicionamiento para aviones y otras plataformas de armas
Actualmente, la mayoría de los principales aviones de combate de las fuerzas aéreas de los Estados Unidos y otros países de la OTAN han sido equipados con segundos -Giros láser de generación como instrumento de navegación inercial estándar. El objetivo del programa de modificación es integrar un receptor GPS robusto y resistente a interferencias (placa OEMB) en la caja negra del sistema inercial basado en giroscopios ópticos. Esta configuración integrada elimina la necesidad de un bus de seguridad adicional entre el sistema de navegación inercial y un receptor GPS separado, lo que permite que los datos de pseudorango/tasa de pseudorango del GPS permanezcan ininterrumpidos por señales de amenaza. Este sistema de acoplamiento profundo de INS y GPS se denomina "GPS integrado en el sistema de navegación inercial", denominado EG1. Su precisión de posicionamiento es de 0,8 millas náuticas/hora (error de probabilidad circular), y el tiempo de preparación también se ha reducido. pasados 15 minutos. Entre 5 y 8 minutos, la confiabilidad del sistema aumenta de los cientos de horas originales a 2000 a 4000 horas.
3. El sistema de guía combinado GPS/INS proporciona señales de posicionamiento de alta precisión para operaciones de reconocimiento militar.
El propósito del reconocimiento es descubrir objetivos, determinar la ubicación del objetivo y evaluar el efecto de ataque de las armas. La tasa de acierto en el objetivo depende de la precisión de la guía del arma, la capacidad de encontrar el objetivo y la precisión del posicionamiento del objetivo. Actualmente, muchos países están utilizando tecnología de imágenes a gran altitud para crear bases de datos de información geográfica global. El sistema de imágenes de gran altitud consta principalmente de aviones de reconocimiento de gran altitud, satélites de órbita baja y de órbita media. Este sistema utiliza un sistema de guía combinado GPS/INS para proporcionar posiciones en tiempo real de aviones de reconocimiento no tripulados y paracaídas de reconocimiento lanzados por artillería. proyectiles. La base se envía junto con la imagen para determinar la ubicación del objetivo.
3. Tendencia de desarrollo de la tecnología de guiado combinado GPS/INS
1. Mejorar el rendimiento antiinterferencias del sistema GPS, mejorando así la confiabilidad de la guía combinada GPS/INS
Estados Unidos planea aumentar la potencia de las señales satelitales, mejorar las capacidades de procesamiento a bordo y mejorar la -Relojes atómicos a bordo y método de extrapolación de efemérides para mejorar las capacidades de trabajo autónomo de los satélites. Se agregan tres nuevas señales: la primera es el código M militar de haz puntual de alta potencia. La ganancia de la señal será mucho mayor que la que utilizan actualmente los transmisores GPS y tiene mayor seguridad y confidencialidad que el código P; C/ El código A se carga en el portador L2 y el código C/A originalmente cargado en el portador L1 continúa reteniéndose. El tercero es el código L5, que se utiliza como señal de seguridad humana y es solo para uso civil; . Los futuros satélites GPS podrán utilizar dos bandas de frecuencia para emitir dos tipos de códigos de navegación militar, que pueden formar cuatro modos de trabajo en combate real, mejorando así en gran medida la capacidad de resistir interferencias. Al mismo tiempo, el satélite puede funcionar de forma autónoma durante 120 días en un corto período de tiempo. Además, según el plan a largo plazo para 2025 anunciado por la Fuerza Aérea de los EE. UU., Estados Unidos también planea instalar antenas orientadas hacia atrás en los satélites GPS para liberar información de navegación y posicionamiento al espacio de órbita alta y permitir que los satélites de órbita alta operar de forma autónoma. Actualmente, la Oficina del Programa Conjunto GPS del ejército estadounidense está estudiando el diseño del satélite GPS 3.
Para mejorar aún más el rendimiento, Estados Unidos también utilizará receptores GPS más sofisticados en aviones, barcos, vehículos terrestres y armas. La longitud del código C/A activo es de solo 1023 bits, y solo toma 20,5 segundos buscar uno por uno a una velocidad de 50 bits/segundo, lo que facilita que el enemigo lo descifre. La longitud del código P es de aproximadamente 2,35 × 1014 bits y tarda 267 días en repetirse. Lleva mucho tiempo completar una captura y tiene buena seguridad. Sin embargo, los receptores de códigos P militares activos son guiados por el código C/A para completar la adquisición del código P y, por lo tanto, se ven fácilmente afectados por el estado del código C/A. Con este fin, el ejército estadounidense está desarrollando un receptor militar que puede capturar códigos P de forma independiente. Además, el ejército de EE. UU. también está desarrollando receptores de código militar antiinterferencias, como receptores de diversidad espacial, receptores de ajuste cero y receptores de formación de haces, para mejorar las capacidades antiinterferencias del receptor mejorando el rendimiento del receptor.
Las dos tecnologías más importantes utilizadas actualmente en los receptores GPS en Estados Unidos son el Módulo de Aplicación del Receptor GPS (GRAM) y el Módulo Anti-Spoofing de Disponibilidad Selectiva (SAASM). Entre ellos, GRAM es un complemento electrónico estándar que se puede agregar a futuros aviones, barcos, misiles y diversas armas para garantizar la seguridad y la interoperabilidad. Todo GRAM adoptará una estructura de sistema abierta, que puede agregar, reemplazar o eliminar de manera flexible ciertos componentes del sistema. SAASM es un módulo de seguridad de productos con tecnología GPS de segunda generación que se utiliza para proteger calibraciones, datos y algoritmos GPS confidenciales. Se integrará en el módulo de aplicación del receptor, mejorando así la seguridad del sistema GPS, facilitando el mantenimiento del receptor GPS y reduciendo su coste.
2. Desarrollar nuevos sistemas INS para mejorar la precisión de la guía combinada GPS/INS
Actualmente, se han desarrollado varios sistemas de navegación inercial, como navegación inercial flexible, navegación inercial de fibra óptica, navegación inercial por láser y navegación inercial de microsólidos. instrumentos inerciales estatales. Los giroscopios que utilizan láseres como buscadores de orientación reemplazarán gradualmente a los giroscopios mecánicos tradicionales. El sistema de navegación inercial giroscópico láser tiene una alta precisión de posicionamiento, una pequeña deriva aleatoria y puede entrar rápidamente en estado de combate. Se utilizó con éxito en la navegación de aviones, vehículos terrestres y cañones navales a principios de la década de 1980, y luego se utilizó en misiles y lanzamiento. Vehículo y otros campos. Sin embargo, la cavidad resonante del giroscopio láser anular debe sellarse estrictamente y la concentración del componente de gas mixto helio-neón debe mantenerse constante. El proceso de recubrimiento del espejo requiere altos requisitos, el costo de fabricación es alto y habrá problemas como este. como "fenómeno de encierro", por lo que aún está por verse si se puede mejorar. Actualmente, muchas instituciones de investigación científica están trabajando en la investigación de giroscopios láser de anillo sólido.
El principio de funcionamiento básico del giroscopio de fibra óptica es similar al del giroscopio láser de anillo. Además de tener todas las ventajas del giroscopio láser, no requiere procesamiento de precisión, cavidad resonante óptica estrictamente sellada y alta precisión. reflector de calidad, por lo que reduce la complejidad, reduce los costos y aumenta la competitividad en el mercado. Japón tomó la iniciativa en el uso de giroscopios de fibra óptica en sus cohetes TR1 y M5. El giroscopio de fibra óptica desarrollado en los Estados Unidos se ha utilizado en el sistema de medición inercial de referencia de inmersión, balanceo y rumbo de aeronaves. Sin embargo, el giroscopio de fibra óptica actual sufrirá defectos como desviación aleatoria de ángulos y polarización inestable, y es necesario mejorar su rendimiento.
Con el rápido desarrollo de los modernos sistemas microelectromecánicos (MEMS), el desarrollo de microgiros de silicio (comúnmente conocidos como giroscopios de chip) y acelerómetros de silicio ha progresado rápidamente en los últimos años. Se informa que la estabilidad de polarización de este nuevo giroscopio de estado sólido puede alcanzar 1 grado/hora (en condiciones de control de temperatura). Ahora, Estados Unidos ha comenzado la producción en pequeños lotes de dispositivos de medición microinercial compuestos por microgiros y acelerómetros de silicio. Su bajo costo, bajo consumo de energía, tamaño pequeño y peso liviano son muy adecuados para aplicaciones tácticas. Fue la primera aplicación en la aviación. La ocasión serán misiles tácticos y drones.
Los dispositivos de navegación inercial de alta precisión requieren como base una tecnología avanzada de procesamiento de precisión. Con avances en teorías y tecnologías clave, se utilizarán varios tipos de giroscopios inerciales en el campo militar y desempeñarán un papel cada vez más importante.
3． La tecnología de fusión de datos mejorará aún más el rendimiento de la guía combinada GPS/INS.
El componente clave de la combinación GPS/INS es el filtro Kalman, que sirve como interfaz entre los dos y desempeña el papel de datos. fusión.
Para mejorar la precisión de la navegación, actualmente se usa comúnmente la tecnología de filtrado de Kalman para combinar de manera óptima la información de cada sistema de navegación, estimar el estado de error del sistema de navegación y luego usar la estimación óptima del estado de error para corregir el sistema. Sin embargo, la ecuación de estado del sistema varía en el tiempo y la matriz de transición de estado contiene información de navegación y valores de medición del elemento inercial. Estos parámetros que contienen errores hacen que el modelo de filtro sea inexacto. Además, es difícil estimar o medir con precisión el ruido del sistema y el ruido de observación, por lo que a menudo divergen cuando se utilizan filtros Kalman convencionales. Para solucionar este problema, los investigadores están trabajando en nuevas técnicas de fusión de datos. Por ejemplo, la tecnología de filtrado adaptativo se utiliza para estimar y corregir continuamente los parámetros del modelo, las características estadísticas de ruido y las matrices de ganancia de estado en línea mientras se filtra, utilizando la información aportada por los datos de observación para mejorar la precisión del filtrado y obtener la estimación óptima del valor del objeto.
Además, está atrayendo gran atención cómo introducir varios métodos de procesamiento de información, como la inteligencia artificial de redes neuronales y la transformación wavelet en tecnología de fusión de información con guía combinada GPS/INS como núcleo. Una vez que estas nuevas tecnologías se desarrollen con éxito, mejorarán aún más el rendimiento integral de la guía combinada GPS/INS.