Shanghai Tianfei Communications Co., Ltd.
1. La necesidad de una combinación GPS/INS
El GPS es actualmente el sistema de posicionamiento y navegación por satélite más utilizado. y de bajo costo. La última precisión de posicionamiento real alcanza los 5 metros. Sin embargo, los sistemas GPS todavía tienen deficiencias en aplicaciones militares, como ser susceptibles a interferencias, poca confiabilidad en entornos dinámicos y baja frecuencia de salida de datos.
El sistema INS utiliza dispositivos de medición inercial (como acelerómetros, giroscopios, etc.) 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, confidencial, flexible y tiene 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. No puede funcionar solo durante mucho tiempo. ser calibrado continuamente.
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 son las siguientes:
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 acumulación de errores a lo largo del tiempo. Utilizando la información del GPS, se pueden estimar los parámetros de error del sistema de navegación inercial y el error del reloj del receptor GPS. Por otro lado, las características de alta precisión de posicionamiento y alta velocidad de muestreo de datos del GPS se pueden utilizar para proporcionar información auxiliar para el GPS en poco tiempo. Utilizando esta información auxiliar, el receptor GPS puede mantener un ancho de banda de seguimiento más bajo, mejorando así la capacidad del sistema para capturar señales satelitales.
2. La combinación GPS/INS mejora la capacidad antiinterferencias del sistema.
Cuando la señal GPS está sujeta a interferencias de alta intensidad, o el receptor del sistema satelital falla, el sistema INS puede realizar navegación y posicionamiento de forma independiente. Cuando las condiciones de la señal de GPS mejoran significativamente para permitir el seguimiento, el sistema INS proporciona información sobre la posición inicial, velocidad, etc. al receptor de GPS para utilizarla en la readquisición rápida de códigos y portadoras de GPS. Las señales del sistema INS también se pueden utilizar para ayudar a la antena del receptor GPS a apuntar a los satélites 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 los parámetros de ambigüedad después de que la señal pierde el bloqueo. Al mismo tiempo, también se ha reducido el requisito de visibilidad para al menos cuatro satélites.
4. Resuelva el problema de la baja frecuencia de muestreo de las aplicaciones dinámicas de GPS.
En algunos campos de aplicación dinámicos, los datos INS de alta frecuencia pueden interpolar con precisión la ubicación de un evento entre los resultados de posicionamiento GPS (como la determinación de la ubicación en el momento de exposición de una cámara aérea).
5. Uso más amplio
El sistema combinado GPS/INS es una combinación complementaria 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.
Es precisamente debido a la excelente complementariedad entre los dos sistemas que no sólo pueden proporcionar navegación de precisión global a bajo costo, sino también cumplir con los requisitos de confidencialidad de las aplicaciones militares.
El segundo es la aplicación generalizada 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 ruta completa y de guía ampliamente utilizada.
En la actualidad, el método de guía a mitad de camino de los misiles de ataque terrestre representado por el misil de crucero Tomahawk de EE. UU. sigue siendo un sistema de navegación auxiliar de navegación inercial. Debido a la alta precisión y facilidad de uso del GPS militar estadounidense, Estados Unidos y algunos otros países occidentales utilizan el GPS como sistema de navegación auxiliar para la navegación inercial en la etapa de guía a mitad de camino, en lugar de la adaptación al terreno. Además, muchas armas guiadas nuevas, como la JASSM desarrollada por Lockheed Martin y la JDAM fabricada por Boeing, dependen del GPS/INS para una guía de alta precisión.
Tomemos JDAM como ejemplo. Agrega un conjunto de cola guiado por GPS/INS a una bomba ordinaria existente, y su parte de navegación inercial utiliza un pequeño giroscopio láser para formar una munición guiada para todo clima. El sistema de aviónica del avión modifica continuamente el JDAM antes de ponerlo en servicio.
Una vez lanzada, el sistema GPS/INS de la bomba se hará cargo del sistema de aviónica del avión y guiará la bomba hasta C4. ¿Qué sucede contigo? ¿Por qué? Se logra un ajuste perfecto entre el componente PS y el componente INS de tres ejes. La unidad de control de navegación proporciona una navegación precisa en el modo de funcionamiento INS asistido por GPS y en el modo de funcionamiento 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 grave que la de los misiles lanzados por aviones. El sistema de guía combinado GPS/INS puede identificar la presencia de señales de interferencia y realizar una guía precisa con pequeños errores de guía en un corto período de tiempo.
La guía combinada GPS/INS no solo mejora la confiabilidad del sistema de armas, sino que también tiene una alta precisión. Por lo general, el error de probabilidad circular está entre 10 y 13 metros, mientras que la precisión de la guía GPS por sí sola es de unos 15 metros.
2. El sistema de guía combinado GPS/INS proporciona servicios de navegación y posicionamiento para aeronaves y otras plataformas de armas.
En la actualidad, la mayoría de los principales aviones de combate de las fuerzas aéreas de los Estados Unidos y otros países de la OTAN han sido reemplazados por dispositivos de navegación inercial estándar de segunda generación con giroscopios láser como núcleo. El objetivo de su plan de modificación es integrar un potente receptor GPS antiinterferencias (placa OEMB) en la caja negra del sistema inercial basado en giroscopios ópticos. Esta configuración integrada no requiere un bus de seguridad adicional entre la navegación inercial y un receptor GPS separado, de modo que los datos de pseudorango/tasa de pseudorango del GPS no se vean interferidos por señales de amenaza. Este sistema profundamente acoplado de INS y GPS se denomina "sistema de navegación inercial integrado GPS", o EG1 para abreviar. Su precisión de posicionamiento es de 0,8 millas náuticas/hora (error de probabilidad circular), el tiempo de preparación se reduce de 15 minutos a 5-8 minutos y la confiabilidad del sistema aumenta de cientos de horas a 2000-4000 horas.
3. El sistema de guía combinado GPS/INS proporciona señales de posicionamiento de alta precisión para reconocimiento militar.
El propósito del reconocimiento es descubrir el objetivo, determinar su ubicación y evaluar el efecto de ataque del arma. 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 satélites de órbita media. Este sistema utiliza un sistema de guía combinado GPS/INS. La posición en tiempo real del avión de reconocimiento no tripulado y la posición en tiempo real del paracaídas de reconocimiento lanzado por el proyectil de artillería se enviarán a la base junto con la imagen para determinar la ubicación. del objetivo.
3. Tendencias de desarrollo de la tecnología de guía combinada GPS/INS
1. Mejorar el rendimiento antiinterferencias del sistema GPS, mejorando así la confiabilidad de la guía combinada GPS/INS.
Estados Unidos planea mejorar las capacidades de trabajo autónomo de los satélites mejorando la potencia de la señal del satélite, mejorando las capacidades de procesamiento a bordo y mejorando los relojes atómicos a bordo y los algoritmos de extrapolación de efemérides. Se han agregado tres nuevas señales para la transmisión: una es el código M militar de haz puntual de alta potencia, la ganancia de la señal será mucho mayor que la ganancia del transmisor GPS actual y tiene una seguridad más fuerte que el código P; Código C/A Cargado en el portador L2, el código C/A originalmente cargado en el portador L1 continúa reteniéndose; el tercer tipo es el código L5, que solo se utiliza como señal de seguridad de vida civil; Los futuros satélites GPS pueden emitir dos códigos de navegación militar en dos bandas de frecuencia y pueden formar cuatro modos de trabajo en combate real, mejorando así en gran medida las capacidades antiinterferentes. 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 para que los satélites de órbita alta puedan 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 utilizará receptores GPS más sofisticados en aviones, barcos, vehículos terrestres y armas en el futuro. La longitud del código C/A activo es de solo 1023 dígitos, y solo toma 20,5 segundos buscar uno por uno a una velocidad de 50/segundo, lo que facilita que el enemigo lo descifre. La longitud del código P es de aproximadamente 2,35 × 1014 bits y se necesitan 267 días para repetirlo una vez, por lo que lleva mucho tiempo completar un arresto y la seguridad es buena.
Sin embargo, el receptor de código P militar activo solo completa la captura del código P a través de la guía del código C/A, por lo que se ve fácilmente afectado 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 anulación y receptores de formación de haces, para mejorar sus capacidades antiinterferencias mejorando el rendimiento del receptor.
Actualmente, las dos tecnologías más importantes para los receptores GPS de EE. UU. son el Módulo de aplicación del receptor GPS (GRAM) y el Módulo antifraude de disponibilidad selectiva (SAASM). 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 arquitectura de sistema abierta, lo que permitirá la flexibilidad de agregar, reemplazar o eliminar ciertos componentes del sistema. SAASM es un módulo de seguridad de producto de segunda generación para tecnología GPS diseñado para proteger algoritmos, datos y calibraciones confidenciales de GPS. Integrarlo en el módulo de aplicación del receptor puede mejorar la seguridad del sistema GPS, facilitar el mantenimiento del receptor GPS y reducir costos.
2. Desarrollar nuevos sistemas de navegación inercial para mejorar la precisión del guiado combinado GPS/INS.
En la actualidad se han desarrollado sistemas de navegación inercial flexibles, sistemas de navegación inercial de fibra óptica, sistemas de navegación inercial láser e instrumentos inerciales microsólidos. 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. A principios de la década de 1980, se utilizó con éxito en la navegación de aviones, vehículos terrestres y cañones navales, y más tarde en misiles y vehículos de lanzamiento. Sin embargo, la cavidad resonante del giroscopio láser anular debe estar estrictamente sellada y la concentración del gas mixto He-Ne que contiene debe ser constante. El proceso de recubrimiento de espejos tiene altos requisitos, altos costos de fabricación y se producirán problemas como el "fenómeno de bloqueo", que deben mejorarse. Actualmente, muchas instituciones de investigación científica están comprometidas con la investigación de giroscopios láser de anillo de estado 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 de los giroscopios láser, los giroscopios de fibra óptica no requieren mecanizado de precisión, cavidades resonantes ópticas estrictamente selladas y reflectores de alta calidad, lo que reduce la complejidad y el costo y se vuelve más competitivo en el mercado. Japón fue el primero en utilizar 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 tiene algunos defectos, como movimiento de ángulo aleatorio e inestabilidad de polarización, y es necesario mejorar su rendimiento.
Con el rápido desarrollo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) modernos, 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 65438 ± 0 grados/hora (bajo control de temperatura). En la actualidad, Estados Unidos ha iniciado la producción en pequeña escala de dispositivos de medición microinercial compuestos de microgiros y acelerómetros de silicio. Su bajo coste, bajo consumo de energía, tamaño pequeño y peso ligero son muy adecuados para aplicaciones tácticas. Las primeras aplicaciones en la aviación serán los misiles tácticos y los vehículos aéreos no tripulados.
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 de Kalman, que sirve como interfaz entre GPS e INS y desempeña un papel en la fusión de datos. Para mejorar la precisión de la navegación, la tecnología de filtrado de Kalman se utiliza ampliamente para combinar de manera óptima la información de cada sistema de navegación, estimar el estado de error del sistema de navegación y luego utilizar 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 mediciones de elementos inerciales, lo que hace 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 los filtros Kalman convencionales a menudo divergen. 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 modificar 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, mejorando así la precisión del filtrado y obteniendo la estimación óptima del estado del objeto.
Además, ha atraído mucha atención cómo introducir 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, se mejorará aún más el rendimiento integral de la guía combinada GPS/INS.