现代军用导航技术

现代军用导航技术
作者: 东北一只虎发布日期: 2005-11-11 查看数: 2694 出自:
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精确制导武器给人的印象是精确打
击所需的末制导技术。

但是，实际的中远程制导武器（如防区外打击武器）在到达最后攻击处的巡航或滑翔阶段中，需要由导航系统按照一定的预定轨迹修正运动姿态，以保证导弹或制导炸弹在飞行末段进入末制导
导引头的有效制导区域，否则就会因目标丢失造成脱靶。

此外，由于战场空间的拓展，导航技术在多种军事装备中广泛应用，甚至拓展到单兵系统。

现代战争迫切要求武器系统装备精密导航设备，提供准确的导航信息，来提高武器的战斗性能。

一、卫星导航技术
卫星导航技术是指利用卫星导航定位
系统提供位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。

它综合了传统天文导航定位和地面无线电导航
定位的优点，相当于设置在太空的一个无线电导航台，可在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。

目前成功应用的卫星导航系统有
1.美国的GPS、
2.俄罗斯的GLONASS和
3.我国自主研制生产的"北斗一号"卫星导航系统。

4.欧洲正在实施"伽利略"计划，预计将于2008年投入使用。

1. GPS导航系统
GPS、GLONASS和"伽利略"均为全球导航系统。

它们工作原理类似，均是利用同时接收到4颗以上导航卫星的导航信号，计算出导航信息。

GPS是由美国国防部运作的军民两用系统，直接目的是为了满足军事需要。

该系统已经广泛地应用在美军的各种武器
平台上，扩展为精确制导武器中复合制导的一种极其重要的手段。

GPS系统提供需授权的P码（可加密为Y码）精密定位服务（PPS）和C/A码标准定位服务（SPS）。

目前，P码
提供的运动目标在空间的位置精度可达5m，测速精度优于0.1m/s，计时精度可达20ns。

GPS已成为美军实施远程精确打击的"法宝"，在多次军事冲突中发挥了重要作用。

为了增强GPS的稳定性和抗干扰性，美军近年来对GPS进行了一系列的改进：改变军用接收机
对C/A码的依赖直接获取P（Y）码；发射新型GPS卫星，将军用和民用码分离，增加新的民用频率，播发新的军用M码并加大其发射功率；利用战场上空的无人机创造伪GPS 星座，增强抗干扰性等。

2. 北斗导航系统
我国建成的"北斗一号"区域性卫星导
航定位系统，打破了国外的技术垄断，为国防建设提供了必要的保障。

该系统具有3颗卫星星座（两颗工作卫星、一颗备份星），采用主动双向测距的询问-应答式进行工作。

用户向卫星发送定位请求信号，由地面中心控制系统解算出三维定位数据。

四川成都国星通信公司生产的基于北斗双星定位导航
系统的单兵战术接收机、车载与船载用户接收机、海上救生用户机以及指挥用户机等，
体积上均已经接近GPS/GLONASS同类系统的水平。

其中单兵战术接收机为手持式，仅重500g，定位精度在有标校地区可达20m。

液晶彩色屏幕显示，具有地图缩放、漫游、属性查询、路径分析等功能。

具备通信功能，可提供服务区任意两点间的数字报文通信。

整个装置结构紧凑，可在-20～+50℃的条件下工作。

目前的北斗导航系统无法满足在复杂
作战情况下的需要，因此我国的第二代卫星导航系统正处于积极规划之中。

研究机构可以借鉴国外卫星导航系统的先进技术，积极开展导航星座方案及其各项关键技术的分
析论证和攻关研究，以加速我国第二代卫星导航系统的建设步伐。

我国还入股参与了欧盟的"伽利略"全球卫星导航系统建设。

通过技术合作，我国的研究人员将进一步掌握卫星导航系统建设的关键技术，建立起完善的卫星导航系统。

二、惯性敏感器技术
惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射
能量的自主式导航系统。

其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。

惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。

惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。

陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。

激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。

由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。

我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力
调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征
系列运载火箭。

其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS 修正的惯导装置等也已经大量应用于战术
制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。

如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05°/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的性能。

三、组合导航技术
组合导航就是采用两种或两种以上的
导航设备组合起来的导航系统。

作为常用导航手段的惯性导航、多普勒导航、卫星定位导航等单一设备，已不能满足现代电子战条件下的作战使用要求。

因此，目前世界各国广泛采用多设备组合、冗余设计、多功能的组合导航系统。

组合后的导航系统中，各分系统互为补充，信息综合利用，从而扩大了使用范围，提高了导航精度。

组合导航系统具有较强的容错能力和余度导航能力，增加
了导航系统的可靠性。

此外，组合导航系统还可以降低对导航系统的精度要求，缩减成本。

微型计算机的发展与广泛应用，为组合导航奠定了物质基础，而新的数字滤波技术如卡尔曼滤波理论与技术，则提供了有力的处理工具。

组合导航的方式很多，
全球定位系统/惯性导航系统（GPS/INS），
全球定位系统/多普勒导航系统（GPS/DNS），
以惯导为主、GPS和地形辅助参考导航（TRN）为辅的组合导航系统（INS/GPS/TRN），
组合卫星定位系统（GPS/GLONASS），
卫星导航/天文导航（GPS/CNS）等等。

我国应结合现有技术水平，逐渐淡化对GPS 导航的依赖，研制出适合国情的组合导航系统。

其中地形辅助导航和天文导航分系统有着很广的应用前景。

四、地形辅助导航技术
地形辅助导航是一种在低空飞行器中
广泛应用的导航技术。

欧洲的巡航导弹（如英法联合研制的"风暴影子"）为了摆脱受制于美国GPS的局面，大多优先采用惯性导航加地形辅助导航技术，而把GPS导航作为备选技术。

地形辅助导航系统属于自备式导航系统，具有较高的导航定位精度（优于100m）、较好的隐蔽性和较强的抗干扰能力，可以昼夜全天候工作。

它能提高攻击武器的攻击能力及生存能力，是低空飞机、巡航导弹重要的导航工具。

地形辅助导航利用地形参考导航（TRN）作为辅助去修正基本导航系统（如惯性或多普勒导航）误差，提高导航定位精度。

地形参考导航根据飞行体下方地形来决定自身的位置。

计算机将雷达高度表测出的静空高度与气压高度表测出的海拔高度相比较，得出飞行路线下方一系列点的海拔高度，然后把这些数据与预先存储在存储器中的数字地形高程数据（DTED）相比较，来确定飞行体的位置。

在水面或平坦地形上空缺少地形高度信息时，需要采用图像导航方法（利用景物匹配相关或地形特性匹配技术）帮助实现可靠的定位精度。

地形辅助导航综述
地形辅助导航，是指飞行器在飞行过程中，利用预先储存的飞行路线中某些地区的特征数据，与实际飞行过程中测量到的相关数据进行不断比较来实施导航修正的一种方法。

其核心是将地形分成多个小网格，将其主要特征，如平均标高等输入计算机，构成一个数字化地图。

由于地形辅助导航系统实质是由惯性导航系统、无线电高度表和数字地图构成的组合导航系统，所以影响地形辅助导航的精度因素有以下几种：
一是飞行器的高度测量精度；
二是惯性导航系统的误差；
三是数字地图的精度；
四是地形匹配区的特性；
五是地形匹配的算法精度。

地形辅助导航系统在海湾战争、科索沃战争中发挥了良好的实战应用效果，达到了精确打击目标的目的，其导航精度可达到十几米的定位精度。

这正是它的生命力之所在。

地形辅助导航的实际计算方法有扩展Kalman滤波方法、关
联算子方法和点群滤波方法。

3.2地形辅助导航的关键技术
地形辅助导航系统被誉为第四代导航系统．其关键技术除了
依赖于计算机技术外．还依赖于数字地图的匹配技术、存储技术、地形随机化技术以及地形匹配的有效算法等，本小节只介绍数字
地图的匹配技术、存储技术和地形随机化技术。

地形匹配的有效
算法即几种实用的地形辅助导航算法将在3.3节进行介绍。

五、天文导航技术
天文导航是根据天体在天球上的精确
坐标和地球的运动规律来测量天体相对于
载体的准确坐标，通过相应的数学模型解算出载体位置、航向或姿态的导航方法。

我国的天文学及天文导航理论研究有着悠久的
历史，军用导航技术中重点发展天文导航可以扬长避短。

如果敌方首先通过电子攻击使我方的电子导航、无线电导航设备失去作用，那么天文导航就格外重要了。

天文导航技术建立在恒星参考系基础之上，不需要地面设备，利用天体辐射能（星光、射电及红外辐射），隐蔽性好，不受人工与自然电磁波干
扰，测量误差也不随时间而积累，对于远距离、长时间飞行（航行）的平台是一种较好的导航手段。

天文导航系统也为自备式导航，其使用范围广、设备简单、造价低、工作可靠，不受别人制约，便于推广应用并建成独立自主的导航体制。

电荷耦合器件（CCD）
和全息透镜与微处理器的迅速发展，以及多种导航手段的有机组合，必将有力地促进天文导航的精度、自动化、昼夜与全天候导航四个方面的不断提高。

军用导航技术在现代高技术战争
的背景下，其地位日益突出。

导航系统作为武器装备的必备组件，可进一步发挥武器的作战性能。

发展高精度、低成本、抗干扰能力强的导航系统是未来军用导航系统发展
的趋势。

鉴于目前我国导航技术还存在一定差距，我国应在充分利用GPS等成熟导航技术的前提下，加大对北斗导航系统的完善，研制出高效的地形辅助导航、天文导航系统，冲破技术垄断，把我们的国防建立在独立自主、安全可靠的基础之上。