自20世紀(jì)90年代以來，美軍在四次主要的局部戰(zhàn)爭中，依靠大量使用精確制導(dǎo)武器取得了良好的作戰(zhàn)效果。在四次戰(zhàn)爭中美軍使用的精確制導(dǎo)武器數(shù)量所占比例分別為：1991年海灣戰(zhàn)爭占7.6%；1999年科索沃戰(zhàn)爭占35%；2001年阿富汗戰(zhàn)爭占60%；2003年伊拉克戰(zhàn)爭占68.3%。由此可以看出，從海灣戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭，精確制導(dǎo)武器的使用增加了近9倍，使“不接觸作戰(zhàn)”、“外科手術(shù)式” 打擊成為可能。正是一體化的GPS/INS（全球定位系統(tǒng)+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）組合制導(dǎo)技術(shù)進(jìn)一步推動了精確制導(dǎo)武器向“百發(fā)百中”的方向發(fā)展。 　　 一、進(jìn)行GPS/INS組合的必要性 　　GPS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，使用方便、成本低廉，其最新的實(shí)際定位精度已經(jīng)達(dá)到5米以內(nèi)。但是GPS系統(tǒng)軍事應(yīng)用還存在易受干擾、動態(tài)環(huán)境中可靠性差以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足。 　　INS系統(tǒng)則是利用安裝在載體上的慣性測量裝置（如加速度計(jì)和陀螺儀等）敏感載體的運(yùn)動，輸出載體的姿態(tài)和位置信息。INS系統(tǒng)完全自主，保密性強(qiáng)，并且機(jī)動靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時間迅速積累的問題，導(dǎo)航精度隨時間而發(fā)散，不能單獨(dú)長時間工作，必須不斷加以校準(zhǔn)。 　　將GPS和INS進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長補(bǔ)短，構(gòu)成一個有機(jī)的整體。GPS/INS組合制導(dǎo)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： 　　1. GPS/INS組合改善了系統(tǒng)精度 　　高精度的GPS信息可以用來修正INS，控制其誤差隨時間的積累。利用GPS信息可以估計(jì)出INS的誤差參數(shù)以及GPS接收機(jī)的鐘差等量。另一方面，利用INS短時間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)采樣率高的特點(diǎn)，可以為GPS提供輔助信息。利用這些輔助信息，GPS接收機(jī)可以保持較低的跟蹤帶寬，從而可以改善系統(tǒng)重新俘獲衛(wèi)星信號的能力。 　　2. GPS/INS組合加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力 　　當(dāng)GPS信號受到高強(qiáng)度干擾，或當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)出現(xiàn)故障時，INS系統(tǒng)可以獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)航定位。當(dāng)GPS信號條件顯著改善到允許跟蹤時，INS系統(tǒng)向GPS接收機(jī)提供有關(guān)的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新獲取GPS碼和載波時使用。INS系統(tǒng)信號也可用來輔助GPS接收機(jī)的天線對準(zhǔn)GPS衛(wèi)星，從而減小了干擾對系統(tǒng)的影響。 　　3. 解決周跳問題 　　對于GPS載波相位測量，INS可以很好地解決GPS周跳和信號失鎖后整周模糊度參數(shù)的重新解算，也降低了至少4顆衛(wèi)星可見的要求。 　　4. 解決GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題 　　在某些動態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域，高頻INS數(shù)據(jù)可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插所求事件發(fā)生的位置（如航空相機(jī)曝光瞬間的位置測定）。 　　5. 用途更廣 　　 GPS/INS組合系統(tǒng)是GPS與INS互補(bǔ)的、互相提高的集成，而不是二者的簡單結(jié)合。組合系統(tǒng)性能更強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。 　　正是由于這兩套系統(tǒng)具有極好的互補(bǔ)性，不僅可以低成本提供全球精確導(dǎo)航，也可以滿足軍事應(yīng)用對保密性的要求。 　　 二、GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛應(yīng)用 　　1． GPS/INS組合制導(dǎo)成為廣泛應(yīng)用的全程制導(dǎo)和中段制導(dǎo)技術(shù) 　　目前，以美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的對地攻擊導(dǎo)彈中制導(dǎo)方式仍然是慣導(dǎo)+輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。由于美國軍用GPS具有相當(dāng)高的精度并且使用方便，美國和其它一些西方國家都在中制導(dǎo)段采用GPS作為慣導(dǎo)的輔助導(dǎo)航系統(tǒng)而不再采用地形匹配。此外，許多新型制導(dǎo)武器如洛馬公司研制的“聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈”（JASSM）和波音公司制造的“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）等均依靠GPS/INS進(jìn)行高精度制導(dǎo)。 　　以JDAM為例，它是將現(xiàn)有庫存的普通炸彈加裝GPS/INS制導(dǎo)的尾部組件而改成的全天候制導(dǎo)彈藥，其慣導(dǎo)部分采用了一種小型激光陀螺儀。JDAM在投放前由載機(jī)的航空電子系統(tǒng)不斷修正。一旦投放，炸彈的GPS/INS系統(tǒng)將接管載機(jī)航空電子系統(tǒng)的工作，并引導(dǎo)炸彈飛向目標(biāo)，而不受天氣情況的影響。制導(dǎo)通過一個精確的GPS部件和一個三軸INS部件的密切配合實(shí)現(xiàn)。制導(dǎo)控制部件在GPS輔助INS操作模式和INS單一操作模式都提供了精確制導(dǎo)。 　　以上這些武器比飛機(jī)更接近干擾機(jī)，所面臨的干擾強(qiáng)度比發(fā)射導(dǎo)彈的飛機(jī)要嚴(yán)重得多。GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)能識別干擾信號的存在，并在較短的時間內(nèi)以較小的制導(dǎo)誤差進(jìn)行精確制導(dǎo)。 　　一體化GPS/INS組合制導(dǎo)不僅提高了武器系統(tǒng)的可靠性，而且精度也高，通常其圓概率誤差在10～13米之間，而單獨(dú)使用GPS制導(dǎo)的精度約為15米。 　　2． GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)為飛機(jī)等武器平臺提供導(dǎo)航定位服務(wù) 　　目前，美國和其它北約國家空軍的絕大部分主戰(zhàn)飛機(jī)都換裝了以激光陀螺為核心的第二代標(biāo)準(zhǔn)慣導(dǎo)儀。其改裝計(jì)劃的重點(diǎn)是，在以光學(xué)陀螺為基礎(chǔ)的慣性系統(tǒng)黑匣子中嵌入結(jié)實(shí)的、抗干擾的GPS接收機(jī)（OEMB板）。這種嵌入式配置不需要在慣導(dǎo)和單獨(dú)的GPS接收機(jī)之間設(shè)置另外的安全總線，從而使GPS的偽距/偽距率數(shù)據(jù)不會受到威脅信號的干擾。這種INS和GPS的深耦合系統(tǒng)被稱作“嵌入慣導(dǎo)系統(tǒng)中的GPS”，簡稱為EG1，其定位精度均為0.8海里 /小時（圓概率誤差），準(zhǔn)備時間也由過去的15分鐘減少到5～8分鐘，系統(tǒng)可靠性從原來的幾百小時提高到2000～4000小時。 　　3． GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)為軍事偵察行動提供高精度定位信號 　　偵察的目的在于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，確定目標(biāo)的位置和評估武器的打擊效果。對目標(biāo)的命中率取決于武器制導(dǎo)的精度、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力和對目標(biāo)定位的精度。目前，很多國家正在利用高空成像技術(shù)建立全球地理信息數(shù)據(jù)庫。高空成像系統(tǒng)主要由高空偵察機(jī)、低軌和中軌衛(wèi)星組成，該系統(tǒng)就使用了GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)，利用其提供的無人偵察機(jī)實(shí)時位置和炮彈所放出的偵察降落傘的實(shí)時位置將連同圖像一并發(fā)送基地，進(jìn)而確定目標(biāo)的位置。 　　 三、GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展趨勢 　　1． 提高GPS系統(tǒng)的抗干擾性能，從而提高GPS/INS組合制導(dǎo)的可靠性 　　美國計(jì)劃通過增強(qiáng)衛(wèi)星發(fā)布信號的功率、增強(qiáng)星上處理能力、改進(jìn)星上原子鐘和星歷外推算法來提高衛(wèi)星自主工作能力。增加發(fā)射3個新的信號：一是高功率點(diǎn)波束軍用M碼，信號的增益將比GPS發(fā)射機(jī)當(dāng)前采用的增益高得多，具備比P碼更強(qiáng)的安全保密性；二是將C/ A碼加載在L2載波上，原來加載在L1載波上的C/ A碼繼續(xù)保留；三是L5碼，用作生命安全信號，僅供民用。未來的GPS衛(wèi)星能用兩個頻段發(fā)布兩種軍用導(dǎo)航碼，在實(shí)戰(zhàn)中可以構(gòu)成4種工作模式，從而可以大大提高抗干擾的能力。同時，衛(wèi)星能在短時間內(nèi)自主運(yùn)行120天。另外，根據(jù)美國空軍公布的2025年長期規(guī)劃，美國還計(jì)劃在GPS衛(wèi)星上安裝后向天線，用于向高軌空間發(fā)布導(dǎo)航定位信息和使高軌衛(wèi)星自主運(yùn)行。目前，美國軍方的GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室正在研究GPS 3型衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案。 　　為了進(jìn)一步提高性能，今后美國還將在飛機(jī)、船只、地面車輛和武器上使用更復(fù)雜的GPS接收機(jī)?，F(xiàn)役C/A碼的長度只有1023比特，以50比/秒的速度進(jìn)行逐個搜索，僅需20.5秒，易被敵方破譯。P碼長度約為2. 35×1014比特，需267天才重復(fù)一次，完成一次捕獲時間較長，安全性較好。但是，現(xiàn)役軍用P碼接收機(jī)是通過C/A碼引導(dǎo)才完成P碼捕獲的，因而容易受C/A碼狀態(tài)的影響。為此，美軍方正在研制能獨(dú)立捕獲P碼的軍用接收機(jī)。此外，美國軍方還在研制空間分集型接收機(jī)、調(diào)零型接收機(jī)和波束成形型接收機(jī)等抗干擾軍用碼接收機(jī)，以通過改進(jìn)接收機(jī)的性能來提高接收機(jī)的抗干擾能力。 　　美國當(dāng)前在GPS接收機(jī)方面的兩項(xiàng)最為重要的技術(shù)是GPS接收機(jī)應(yīng)用組件（GRAM）和選擇可用性反欺騙模塊（SAASM）。其中GRAM是一種標(biāo)準(zhǔn)電子插件，可將其加在未來的飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈和各種武器中，目的是確保安全性和互通性。所有的GRAM將采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能靈活地增加、替代或取消系統(tǒng)中的某些元件。SAASM是第二代的GPS技術(shù)產(chǎn)品安全模塊，用于保護(hù)保密的GPS算法、數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)。它將集成到接收機(jī)應(yīng)用模塊中，從而可提高GPS系統(tǒng)的安全性，使GPS接收機(jī)更易于維護(hù)，降低其費(fèi)用。 　　2． 研制新型INS系統(tǒng)，從而提高GPS/INS組合制導(dǎo)的精度 　　目前已經(jīng)發(fā)展出撓性慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)、微固態(tài)慣性儀表等多種方式的慣導(dǎo)系統(tǒng)。利用激光來作為方位測向器的陀螺將逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺。激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度高，隨機(jī)漂移小，并能快速進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)，于20世紀(jì)80年代初開始成功地應(yīng)用于飛機(jī)及地面車輛的導(dǎo)航和艦炮等方面，以后又應(yīng)用于導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭等領(lǐng)域。但是，環(huán)形激光陀螺的諧振腔必須嚴(yán)格密封，并保證其中的氦氖混合氣體組分濃度恒定，反射鏡鍍膜工藝要求高，制造成本高，而且會有“閉鎖現(xiàn)象”等問題產(chǎn)生，因此還有待于改進(jìn)。目前，許多科研單位正致力于固體環(huán)形激光陀螺儀的研究。 　　光纖陀螺的基本工作原理與環(huán)形激光陀螺相似，除了具有激光陀螺所有的優(yōu)點(diǎn)外，還不需要精密加工、嚴(yán)格密封的光學(xué)諧振腔和高質(zhì)量的反射鏡，所以減少了復(fù)雜性，降低了成本，具有更強(qiáng)的市場競爭力。日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纖陀螺。美國研制的光纖陀螺已應(yīng)用于飛機(jī)俯沖、橫滾和航向基準(zhǔn)的慣性測量系統(tǒng)中。但目前的光纖陀螺會出現(xiàn)角度隨機(jī)游動、零偏不穩(wěn)定等缺陷，其性能有待提高。 　　隨著現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的飛速發(fā)展，近年來硅微陀螺（俗稱芯片陀螺）和硅加速度計(jì)的研制工作進(jìn)展很快。據(jù)報(bào)道，這種新的固態(tài)陀螺的零偏穩(wěn)定性已能達(dá)到1 度/小時（溫控條件下）?，F(xiàn)在美國已開始小批量生產(chǎn)由硅微陀螺和硅加速度計(jì)構(gòu)成的微型慣性測量裝置，其低成本、低功耗及體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)很適于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，在航空上最先的應(yīng)用場合將是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無人機(jī)。 　　高精度的慣導(dǎo)裝置需要先進(jìn)的精密加工工藝作為基礎(chǔ)。隨著關(guān)鍵理論和技術(shù)的突破，會有多種類型的慣性陀螺應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，發(fā)揮出日益顯著的作用。 　　3． 數(shù)據(jù)融合技術(shù)將進(jìn)一步提高GPS/INS組合制導(dǎo)的性能 　　GPS/INS兩者組合的關(guān)鍵器件是作為兩者的接口并起數(shù)據(jù)融合作用的卡爾曼濾波器。為了提高導(dǎo)航精度，目前普遍應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)來最優(yōu)地組合各導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，估計(jì)出導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，再用誤差狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值去校正系統(tǒng)。但是，系統(tǒng)的狀態(tài)方程是時變的，而且狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中含有導(dǎo)航信息及慣性元件測量值，這些含有誤差的參數(shù)使得濾波器模型不準(zhǔn)確。另外，很難精確地估計(jì)或測定系統(tǒng)噪聲與觀測噪聲，所以采用常規(guī)卡爾曼濾波器時常常會發(fā)散。為了解決這個問題，研究人員正在研究新的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。例如采用自適應(yīng)濾波技術(shù)，在進(jìn)行濾波的同時，利用觀測數(shù)據(jù)帶來的信息，不斷地在線估計(jì)和修正模型參數(shù)、噪聲統(tǒng)計(jì)特性和狀態(tài)增益矩陣，以提高濾波精度，得到對象狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值。 　　此外，如何將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能、小波變換等各種信息處理方法引入以GPS/INS組合制導(dǎo)為核心的信息融合技術(shù)正在引起人們的高度重視。這些新技術(shù)一旦研制成功，必將進(jìn)一步提高GPS/INS組合制導(dǎo)的綜合性能。 編輯：何世平