慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS結(jié)合技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用
1 摘要
目前飛行器所使用的導(dǎo)航系統(tǒng),能適應(yīng)全天候、全球性應(yīng)用的確實(shí)不多。傳統(tǒng)無線電導(dǎo)航,如塔康（TACAN）等,在應(yīng)用上存有很多的限制和不便之處。而為改善此缺點(diǎn),一套不需要其它外來的輔助裝置,就可提供所有的導(dǎo)航資料,讓飛行員參考的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System）,雖已被成功發(fā)展并廣為應(yīng)用,但其在系統(tǒng)上的微量位置誤差會(huì)隨飛行時(shí)間的平方成正比累積,因此長時(shí)間飛行會(huì)嚴(yán)重影響到導(dǎo)航精確度,如果沒有適當(dāng)?shù)男拚?位置誤差在一個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)累積超過300米。另一套精密的導(dǎo)航系統(tǒng)GPS,其誤差雖不會(huì)隨時(shí)間改變,但GPS并非萬能,有優(yōu)點(diǎn),也有先天的缺陷,它在測(cè)量高機(jī)動(dòng)目標(biāo)時(shí)容易脫鎖并且會(huì)受到外在環(huán)境及電磁干擾,再者GPS短時(shí)間的相對(duì)誤差量大于INS,若只依靠它來做導(dǎo)航或控制,會(huì)造成相反效果。所以在導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,常搭配慣性系統(tǒng)來使用,正巧GPS與INS有互補(bǔ)的作用,可經(jīng)過一套運(yùn)算法則,將兩者優(yōu)點(diǎn)保留,去除缺點(diǎn),本文即針對(duì)兩種導(dǎo)航系統(tǒng)特性進(jìn)行探討,并利用卡爾曼濾波器法則完成簡(jiǎn)易測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)系推導(dǎo),設(shè)計(jì)一套“GPS/INS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)”。
2 前言
早期艦船航行常利用“領(lǐng)航方法”來決定載體的位置及方向,觀察陸地突出物,來引導(dǎo)船身駛向某處目標(biāo)。隨著飛行器的問世,初期飛行也全憑借著飛行員對(duì)當(dāng)時(shí)自我方向、距離、高度及速度的感覺來控制駕駛,執(zhí)行起飛、落地及飛機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)等等動(dòng)作。這種控制載體由一個(gè)地方到另一個(gè)地方其間方向與距離指示的藝術(shù),就稱之為“導(dǎo)航”（Navigation）。然而僅僅依循著人為的導(dǎo)航方式,在天氣良好條件下或周遭存有許多明顯參考目標(biāo)物時(shí),單純憑目視來判斷飛行并不困難;但如果遇上天氣條件不佳、能見度差、參考目標(biāo)不存在活不明顯時(shí),就得依靠飛行員的經(jīng)驗(yàn)、技巧及運(yùn)氣來進(jìn)行方位及位置的判別,這無形中會(huì)造成飛行員的壓力,更會(huì)嚴(yán)重影響到飛行安全的諸多不確定因素。因此,人們就積極開發(fā)各種導(dǎo)航技術(shù),借著科技的快速發(fā)展與進(jìn)步,導(dǎo)航的藝術(shù)也變得更多樣化且精確可靠。“導(dǎo)航科學(xué)”可定義為“計(jì)算并決定一個(gè)載體的位置與預(yù)先設(shè)定的目的地的方向的一種應(yīng)用”。
較先進(jìn)的無線電導(dǎo)航,如羅蘭（Loran）、超高頻全向裝置（VOR）、距離測(cè)量裝置（DME）、塔康（TACAN）及多普勒（Doppler）等均相繼被開發(fā)出來,成功有效的幫助了航行者,提供導(dǎo)航重要的參考依據(jù)。然而,無線電系統(tǒng)畢竟尚有很多限制和不便之處,如使用距離、地物遮蔽等均可能會(huì)造成功能失效。另外,無線電導(dǎo)航其基本架構(gòu)是需要“基地站”發(fā)射定位無線電信號(hào),經(jīng)飛機(jī)上的“接收機(jī)”天線接收、處理及計(jì)算才能顯示兩點(diǎn)的關(guān)系,獲得導(dǎo)航資料;只要其中一方失效或無線電傳輸不良,即無法進(jìn)行導(dǎo)航工作,這對(duì)在茫茫的空中飛行是一件非常危險(xiǎn)的事情。因此到上個(gè)世紀(jì)50年代,美國國防部認(rèn)為有必要發(fā)展一套導(dǎo)航系統(tǒng),不需要其它外來的輔助裝置,就可提供所有的導(dǎo)航數(shù)據(jù)資料,讓飛行員參考。就在當(dāng)時(shí),由麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)出第一套飛機(jī)使用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System）,此系統(tǒng)完全自我包容、為獨(dú)立源、不受外界的環(huán)境影響即可測(cè)量并提供所有的導(dǎo)航資料,包括載體的精確位置、對(duì)地速度、姿態(tài)與航向等,提供給自動(dòng)導(dǎo)航儀及飛行儀表（如地平儀及方位儀等）。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的功能、尺寸大小、重量等特性遠(yuǎn)比其它導(dǎo)航系統(tǒng)要好,所以近年來INS始終能在導(dǎo)航領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。
