GPS/INS 위성항법장치 + 관성항법장치
1. GPS/INS 결합의 필요성
GPS는 현재 가장 널리 사용되는 위성항법장치이다. 포지셔닝 시스템은 사용하기 쉽고 비용이 저렴하며 최신 실제 포지셔닝 정확도는 5미터 이내입니다. 그러나 GPS 시스템의 군용 애플리케이션은 간섭에 대한 민감성, 동적 환경에서의 신뢰성 저하, 낮은 데이터 출력 주파수 등의 단점을 여전히 갖고 있습니다.
INS 시스템은 캐리어에 설치된 관성 측정 장치(가속도계, 자이로스코프 등)를 이용해 캐리어의 움직임을 감지해 캐리어의 자세와 위치 정보를 출력한다. INS 시스템은 완전히 자율적이고 기밀성이 높으며, 다기능 매개변수 출력을 갖추고 있지만 시간이 지남에 따라 오류가 빠르게 누적되는 문제가 있으며 오랫동안 단독으로 작동할 수는 없습니다. 시간이 걸리며 지속적으로 교정되어야 합니다.
GPS와 INS를 결합하면 두 내비게이션 시스템이 서로를 보완하고 유기적인 전체를 형성할 수 있습니다. GPS/INS 결합 안내의 장점은 주로 다음과 같습니다.
1. GPS/INS 결합으로 시스템 정확도가 향상됩니다.
고정밀 GPS 정보를 사용하여 INS를 수정하고 제어할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 오류가 발생합니다. GPS 정보는 INS의 오류 매개변수와 GPS 수신기의 클럭 오프셋을 추정하는 데 사용될 수 있습니다. 반면 INS는 단기 위치 정확도와 높은 데이터 샘플링 속도를 활용하여 GPS에 보조 정보를 제공할 수 있습니다. 이 보조 정보를 사용하여 GPS 수신기는 더 낮은 추적 대역폭을 유지할 수 있으므로 시스템의 위성 신호 재수신 능력이 향상됩니다.
2. GPS/INS 조합은 시스템의 간섭 방지 기능을 향상시킵니다.
GPS 신호가 고강도 간섭을 받거나 위성 시스템 수신기에 장애가 발생하는 경우 INS 시스템은 항법 및 위치 확인을 독립적으로 수행할 수 있습니다. GPS 신호 조건이 크게 개선되어 추적이 가능해지면 INS 시스템은 GPS 코드와 반송파를 신속하게 다시 획득하는 데 사용할 관련 초기 위치, 속도 및 기타 정보를 GPS 수신기에 제공합니다. INS 시스템 신호는 GPS 수신기의 안테나가 GPS 위성과 정렬되도록 지원하는 데에도 사용될 수 있으므로 시스템에 대한 간섭의 영향을 줄일 수 있습니다.
3. 사이클 슬립 문제 해결
GPS 반송파 위상 측정의 경우 INS는 GPS 사이클 슬립 문제와 신호 손실 후 전체 사이클 모호성 매개변수의 재계산 문제를 잘 해결할 수 있습니다. 4개 이상의 위성이 표시되어야 한다는 요구 사항도 낮아졌습니다.
4. GPS 동적 응용 프로그램의 낮은 샘플링 빈도 문제를 해결합니다.
일부 동적 응용 분야에서는 고주파 INS 데이터가 GPS 위치 확인 결과 사이에 필요한 이벤트를 높은 정밀도로 보간할 수 있습니다. 발생 위치(항공 카메라 노출 순간의 위치 결정 등)
5. 더 넓은 용도
GPS/INS 결합 시스템은 GPS와 INS를 단순히 결합한 것이 아니라 상호 보완적이고 상호 개선되는 통합입니다. 결합된 시스템은 더 강력한 성능과 더 넓은 적용 분야를 갖습니다.
이 두 시스템은 매우 상호 보완적이기 때문에 저렴한 비용으로 전역 정밀 항법을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 군사 애플리케이션의 기밀 유지 요구 사항도 충족할 수 있습니다.
2. 현대전에서 GPS/INS 통합 유도 기술의 폭넓은 적용
1. GPS/INS 결합유도는 광범위하게 활용되는 전방유도 및 중거리유도 기술이 되었다
현재 미국 '토마호크' 순항미사일로 대표되는 지상공격미사일의 중거리 유도방식은 여전히 관성 항법 + 보조 항법 시스템. 미군의 군용 GPS는 정확도가 매우 높고 사용하기 쉽기 때문에 미국을 비롯한 일부 서방 국가에서는 지형 매칭 대신 중간 유도 단계의 관성항법을 위한 보조 항법 시스템으로 GPS를 사용하고 있다. 또한 록히드 마틴이 개발한 "합동 스탠드오프 공대지 미사일"(JASSM)과 보잉이 제조한 "합동 직접 공격 탄약"(JDAM)과 같은 많은 새로운 유도 무기는 GPS/INS를 사용하여 높은 성능을 발휘합니다. -정확한 안내.
JDAM을 예로 들면 기존의 일반폭탄에 GPS/INS 유도미익부품을 추가한 전천후 유도탄이다. JDAM은 발사되기 전에 항공모함의 항공 전자 시스템에 의해 지속적으로 수정됩니다.
일단 투하되면 폭탄의 GPS/INS 시스템이 항공기의 항공 전자 시스템의 작업을 대신하고 C4의 C4 프로브와 PS 구성 요소를 향해 폭탄을 유도합니다. 3축 INS 구성 요소의 긴밀한 조정이 이루어집니다. 안내 제어 구성 요소는 GPS 지원 INS 작동 모드와 INS 단일 작동 모드 모두에서 정밀한 안내를 제공합니다.
위 무기들은 항공기보다 재머에 더 가깝고, 이들이 직면하는 간섭 강도는 항공기 발사 미사일보다 훨씬 심각하다. GPS/INS 통합 유도 시스템은 간섭 신호의 존재를 식별하고 더 짧은 시간에 더 작은 유도 오류로 정확한 안내를 제공할 수 있습니다.
GPS/INS 통합 유도는 무기체계의 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라 정확도도 높다. 일반적으로 원형 확률 오차는 10~13m인 반면, GPS 유도만으로는 정확도가 약 10m 정도다. 15미터.
2. GPS/INS 결합 유도 시스템은 항공기 및 기타 무기 플랫폼에 대한 항법 및 위치 확인 서비스를 제공합니다.
현재 미국 및 기타 NATO 국가 공군의 주요 전투기 대부분에는 두 번째 - 표준 관성 항법 장비의 핵심인 세대 레이저 자이로. 수정 프로그램의 초점은 광학 자이로스코프를 기반으로 하는 관성 시스템의 블랙박스에 견고하고 간섭에 강한 GPS 수신기(OEMB 보드)를 내장하는 것입니다. 이 내장형 구성을 사용하면 관성 항법 시스템과 별도의 GPS 수신기 사이에 추가 안전 버스가 필요하지 않으므로 GPS 의사 거리/의사 거리 속도 데이터가 위협 신호에 의해 중단되지 않고 유지됩니다. INS와 GPS의 심층 결합 시스템을 "관성 항법 시스템에 내장된 GPS"라고 하며 위치 확인 정확도는 시간당 0.8해리(원형 확률 오차)이며 준비 시간도 EG1보다 단축되었습니다. 5~8분이 지나면 시스템 신뢰성이 원래 수백 시간에서 2000~4000시간으로 증가합니다.
3. GPS/INS 통합 유도 시스템은 군사 정찰 작전을 위한 고정밀 위치 확인 신호를 제공합니다.
정찰의 목적은 표적을 발견하고 표적의 위치를 파악하며 무기의 타격 효과를 평가하는 것입니다. 표적에 대한 명중률은 무기 유도의 정확성, 표적을 찾는 능력 및 표적 위치 지정의 정확성에 따라 달라집니다. 현재 많은 국가에서 고고도 이미징 기술을 사용하여 글로벌 지리 정보 데이터베이스를 구축하고 있습니다. 고고도 이미징 시스템은 주로 고고도 정찰기, 저궤도 및 중궤도 위성으로 구성됩니다. 이 시스템은 GPS/INS 통합 유도 시스템을 사용하여 무인 정찰기 및 포병이 투하하는 정찰 낙하산의 실시간 위치를 제공합니다. 포탄은 대상의 위치를 파악하기 위해 이미지와 함께 전송됩니다.
3. GPS/INS 복합 유도 기술 개발 동향
1. GPS 시스템의 간섭 방지 성능을 개선하여 GPS/INS 통합 유도의 신뢰성을 향상
미국은 위성 신호의 전력을 높이고 탑재 처리 능력을 강화하며 - 위성의 자율 작동 능력을 향상시키기 위한 보드 원자 시계 및 천문력 추정 방법. 세 가지 새로운 신호가 추가되었습니다. 첫 번째는 고출력 포인트 빔 군사용 M 코드로, 신호 이득은 현재 GPS 송신기에서 사용되는 것보다 훨씬 높으며 두 번째는 P 코드보다 보안과 기밀성이 더 강력합니다. C/ A 코드는 L2 캐리어에 탑재되며 원래 L1 캐리어에 탑재된 C/A 코드는 계속 유지됩니다. 세 번째는 L5 코드로 생명 안전 신호로 사용되며 민간용입니다. . 미래의 GPS 위성은 두 가지 주파수 대역을 사용하여 두 가지 유형의 군사 항법 코드를 방출할 수 있으며, 실제 전투에서 네 가지 작동 모드를 형성할 수 있어 간섭 저항 능력이 크게 향상될 수 있습니다. 동시에 위성은 짧은 기간에 120일 동안 자율적으로 작동할 수 있습니다. 또한, 미 공군이 발표한 2025년 장기 계획에 따르면 미국도 GPS 위성에 후방 안테나를 설치해 항법 및 측위 정보를 고궤도 공간에 공개하고 고궤도 위성이 우주 비행을 할 수 있도록 할 계획이다. 자율적으로 운영합니다. 현재 미군 GPS 합동 프로그램 사무국(GPS Joint Program Office)은 GPS 3 위성 설계를 연구 중이다.
미국은 성능을 더욱 향상시키기 위해 앞으로 항공기, 선박, 지상 차량 및 무기에 더욱 정교한 GPS 수신기를 사용할 예정입니다. 활성 C/A 코드의 길이는 1023비트에 불과하며, 50비트/초의 속도로 하나씩 검색하는 데 20.5초밖에 걸리지 않아 적이 쉽게 해독할 수 있다. P 코드의 길이는 약 2.35×1014비트이며, 캡처를 완료하는 데 시간이 오래 걸리고 보안이 좋습니다. 그러나 현역 군용 P 코드 수신기는 C/A 코드의 안내를 받아 P 코드 획득을 완료하므로 C/A 코드 상태에 쉽게 영향을 받습니다.
이를 위해 미군은 P코드를 독립적으로 포착할 수 있는 군용 수신기를 개발 중이다. 이 밖에도 미군은 수신기 성능을 향상시켜 수신기의 전파방해 방지 능력을 향상시키기 위해 공간 다이버시티 수신기, 영점 조정 수신기, 빔포밍 수신기 등 전파 방해 방지 군용 코드 수신기도 개발하고 있다.
현재 미국에서 GPS 수신기에 사용되는 가장 중요한 두 가지 기술은 GRAM(GPS Receiver Application Module)과 SAASM(Selective Availability Anti-Spoofing Module)입니다. 이 중 GRAM은 미래 항공기, 선박, 미사일, 각종 무기에 추가해 안전성과 상호운용성을 확보할 수 있는 표준 전자 플러그인이다. 모든 GRAM은 시스템의 특정 구성 요소를 유연하게 추가, 교체 또는 제거할 수 있는 개방형 시스템 구조를 채택합니다. SAASM은 기밀 GPS 알고리즘, 데이터 및 교정을 보호하는 데 사용되는 2세대 GPS 기술 제품 보안 모듈입니다. 이는 수신기 애플리케이션 모듈에 통합되어 GPS 시스템의 보안이 향상되고 GPS 수신기의 유지 관리가 더 쉬워지며 비용이 절감됩니다.
2. GPS/INS 결합 유도 정확도 향상을 위한 새로운 INS 시스템 개발
현재 유연관성항법, 광섬유 관성항법, 레이저 관성항법, 마이크로고체항법 등 다양한 관성항법 시스템이 개발되었다. 상태 관성 장비. 레이저를 방향 측정기로 사용하는 자이로스코프는 점차 전통적인 기계식 자이로스코프를 대체하게 될 것입니다. 레이저 자이로 관성 항법 시스템은 위치 정확도가 높고 임의 드리프트가 적으며 신속하게 전투 상태에 들어갈 수 있습니다. 1980년대 초 항공기, 지상 차량 및 해군 총의 항법에 성공적으로 사용되었으며 나중에 미사일 및 발사에 사용되었습니다. 차량 및 기타 분야. 그러나 링 레이저 자이로스코프의 공진 공동은 엄격하게 밀봉되어야 하며 헬륨-네온 혼합 가스 성분의 농도는 일정하게 유지되어야 합니다. 미러 코팅 공정은 높은 요구 사항을 요구하고 제조 비용이 높으며 다음과 같은 문제가 있습니다. "락업 현상"이므로 개선이 필요합니다. 현재 많은 과학 연구 기관에서 고체 링 레이저 자이로스코프에 대한 연구를 진행하고 있습니다.
광섬유 자이로스코프의 기본 작동 원리는 링 레이저 자이로스코프와 유사하며, 레이저 자이로스코프의 모든 장점을 갖추고 있을 뿐만 아니라 정밀 가공이 필요하지 않으며 엄격하게 밀봉된 광학 공명 공동 및 높은 투과율을 갖습니다. 품질 반사판을 사용하여 복잡성을 줄이고 비용을 절감하며 시장 경쟁력을 강화합니다. 일본은 TR1 및 M5 로켓에 광섬유 자이로스코프를 사용하는 데 앞장섰습니다. 미국에서 개발된 광섬유 자이로스코프는 항공기 다이빙, 롤 및 방향 기준의 관성 측정 시스템에 사용되었습니다. 그러나 현재의 광섬유 자이로스코프는 각도의 불규칙한 편향, 불안정한 바이어스 등의 결함이 있어 성능 개선이 필요하다.
현대 미세전자기계시스템(MEMS)의 급속한 발전과 함께 최근 몇 년간 실리콘 마이크로자이로(흔히 칩 자이로스코프라고도 함)와 실리콘 가속도계의 개발이 빠르게 진행되고 있다. 이 새로운 고체 자이로스코프의 바이어스 안정성은 온도 제어 조건에서 시간당 1도에 도달할 수 있는 것으로 보고되었습니다. 이제 미국은 실리콘 마이크로자이로와 실리콘 가속도계로 구성된 마이크로 관성 측정 장치의 소규모 배치 생산을 시작했습니다. 이 장치의 저렴한 비용, 낮은 전력 소비, 작은 크기 및 가벼운 무게는 항공 분야의 첫 번째 응용 분야였습니다. 행사는 전술미사일과 드론이 될 예정이다.
고정밀 관성항법장치는 첨단 정밀처리 기술을 기본으로 요구된다. 핵심 이론과 기술의 획기적인 발전으로 다양한 유형의 관성 자이로스코프가 군사 분야에서 사용되고 점점 더 중요한 역할을 담당하게 될 것입니다.
3. 데이터 융합 기술은 GPS/INS 결합 유도의 성능을 더욱 향상시킬 것입니다.
GPS/INS 결합의 핵심 구성 요소는 둘 사이의 인터페이스 역할을 하며 데이터 역할을 하는 칼만 필터입니다. 퓨전. 현재는 항법 정확도를 높이기 위해 각 항법 시스템의 정보를 최적으로 결합하고 항법 시스템의 오류 상태를 추정한 후 최적의 오류 상태 추정을 사용하여 시스템을 수정하는 칼만 필터링 기술이 일반적으로 사용되고 있습니다. 그러나 시스템의 상태 방정식은 시간에 따라 변하며 상태 전이 행렬에는 탐색 정보와 관성 요소 측정 값이 포함되어 있어 이러한 오류가 포함된 매개변수는 필터 모델을 부정확하게 만듭니다. 또한, 시스템 잡음과 관측 잡음을 정확하게 추정하거나 측정하는 것이 어렵기 때문에 기존 칼만 필터를 사용할 경우 발산하는 경우가 많다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 새로운 데이터 융합 기술을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 적응 필터링 기술은 필터링 중에 관측 데이터에서 가져온 정보를 사용하여 필터링 중에 모델 매개변수, 잡음 통계 특성 및 상태 이득 행렬을 지속적으로 추정하고 수정하는 데 사용되어 필터링 정확도를 높이고 객체 상태 값의 최적 추정치를 얻습니다.
또한, GPS/INS 결합 유도를 핵심으로 신경망 인공지능, 웨이블릿 등 다양한 정보처리 방식을 정보융합 기술로 어떻게 도입할지 큰 관심을 모으고 있다. 이러한 신기술이 성공적으로 개발되면 GPS/INS 결합 유도의 포괄적인 성능이 더욱 향상될 것입니다.