첫째, GPS/INS 조합의 필요성
GPS 는 현재 가장 널리 사용되는 위성 항법 위치 확인 시스템으로 사용이 편리하고 비용이 저렴하며 최신 실제 위치 정확도는 5 미터 이내입니다. 그러나 GPS 시스템은 여전히 군사 응용 프로그램에서 간섭, 동적 환경에서의 신뢰성 저하, 데이터 출력 주파수 저하 등의 단점이 있습니다.
IS 시스템은 캐리어에 설치된 관성 측정 장치 (예: 가속도계, 팽이 등) 를 사용하여 캐리어의 움직임을 감지하고 캐리어의 자세 및 위치 정보를 출력합니다. INS 시스템은 완전히 자율적이고, 비밀스럽고, 유연하며, 다기능 매개변수 출력을 가지고 있지만, 시간이 지남에 따라 오차가 빠르게 누적되는 문제가 있습니다. 탐색 정확도는 시간이 지남에 따라 분산되며, 오랫동안 단독으로 일할 수 없고, 계속 교정해야 합니다.
GPS 와 INS 를 결합하면 두 네비게이션 시스템이 서로 보완하여 유기적인 전체를 형성할 수 있다. GPS/INS 조합 안내의 장점은 다음과 같습니다.
1.GPS/INS 조합을 통해 시스템 정확도가 향상되었습니다.
고정밀 GPS 정보는 INS 를 교정하고 시간에 따른 오차 축적을 제어하는 데 사용할 수 있습니다. GPS 정보를 사용하여 관성 항법 시스템의 오류 매개변수와 GPS 수신기의 시계 차이를 추정할 수 있습니다. 반면 GPS 포지셔닝 정확도가 높고 데이터 샘플링 속도가 높은 기능을 활용하여 짧은 시간 내에 GPS 에 보조 정보를 제공할 수 있습니다. 이러한 보조 정보를 통해 GPS 수신기는 낮은 추적 대역폭을 유지하여 시스템이 위성 신호를 캡처하는 능력을 향상시킬 수 있습니다.
2.GPS/INS 조합은 시스템의 간섭 방지 기능을 향상시킵니다.
GPS 신호가 고강도 간섭을 받거나 위성 시스템의 수신기에 장애가 발생할 경우 INS 시스템을 독립적으로 탐색할 수 있습니다. GPS 신호 조건이 추적을 허용하기 위해 크게 개선되면 INS 시스템은 GPS 수신기에 초기 위치, 속도 등에 대한 정보를 제공하여 GPS 코드와 반송파를 신속하게 다시 얻을 때 사용할 수 있습니다. 또한 INS 시스템 신호는 GPS 수신기의 안테나가 GPS 위성을 조준하는 데 사용되어 시스템에 미치는 간섭을 줄일 수 있습니다.
3. 사이클 점프 문제 해결
GPS 반송파 위상 측정의 경우 INS 는 GPS 사이클 점프 문제와 신호가 잠금 해제된 후 흐림 매개변수 재계산 문제를 잘 해결할 수 있으며 최소 4 개의 위성 가시성에 대한 요구 사항도 줄일 수 있습니다.
GPS 동적 응용 프로그램 샘플링 주파수가 낮은 문제를 해결하십시오.
일부 동적 응용 프로그램에서는 고주파 INS 데이터를 사용하여 GPS 위치 결과 사이에 이벤트 위치를 정확하게 보간할 수 있습니다 (예: 항공 카메라 노출 시점의 위치 결정).
5. 더 넓은 사용
GPS/INS 조합 시스템은 GPS 와 INS 의 상호 보완적인 조합이지, 두 가지의 단순한 조합이 아니다. 결합 된 시스템은 더 강력한 성능과 더 넓은 응용 분야를 가지고 있습니다.
이 두 시스템 간의 상호 보완성이 탁월하기 때문에 저렴한 비용으로 전 세계적으로 정확한 네비게이션을 제공할 수 있을 뿐 아니라 군사 애플리케이션의 기밀 요구 사항도 충족할 수 있습니다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 전쟁명언)
둘째, GPS/INS 조합 제도 기술이 현대전쟁에서 광범위하게 응용되고 있다.
1.GPS/INS 조합 유도는 이미 널리 사용되는 전 과정 유도 및 중간 세그먼트 유도 기술이 되었다.
현재 미국 토마 호크 순항 미사일로 대표되는 대지공격 미사일의 중간 유도방식은 여전히 관성 항법+보조 항법시스템이다. 미국 군용 GPS 는 정확도가 높고 사용이 편리하기 때문에 미국 및 기타 서방 국가들은 중간 구간에서 GPS 를 지형 일치 대신 관성 항법의 보조 탐색 시스템으로 사용합니다. 또한 Loma 가 개발한 JASSM 과 보잉이 제조한 JDAM 과 같은 많은 신형 제도 무기는 모두 GPS/INS 에 의존하여 고정밀 유도를 하고 있습니다.
JDAM 을 예로 들어 보겠습니다. 기존 일반 폭탄에 GPS/INS 유도 꼬리날개 어셈블리를 추가하여 관성 탐색 부분에 소형 레이저 자이로스코프를 사용하여 전천후 유도 탄약을 형성합니다. JDAM 은 사용하기 전에 비행기의 항공 전자 시스템에 의해 끊임없이 수정되었다. 일단 석방되면 폭탄의 GPS/INS 시스템이 비행기의 항공 전자 시스템을 인수하고 폭탄을 C4 로 유도한다. 너 왜 그래? 이봐? PS 구성 요소와 3 축 INS 구성 요소 간의 긴밀한 조화를 이룹니다. 탐색 제어 장치는 GPS 보조 INS 운영 모드 및 INS 단일 운영 모드에서 정확한 탐색을 제공합니다.
이 무기들은 비행기보다 교란기에 더 가깝고, 비행기가 미사일을 발사하는 것보다 간섭 강도가 훨씬 더 심각하다. GPS/INS 조합 유도 시스템은 간섭 신호의 존재를 인식하고 짧은 시간 내에 작은 유도 오차로 정확하게 유도할 수 있습니다.
GPS/INS 조합제도는 무기 시스템의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라 정확도가 높습니다. 일반적으로 원 확률 오차는10 ~13m 사이이지만 GPS 유도의 정확도는 약15m 입니다.
2.GPS/INS 조합제도시스템은 비행기 등 무기 플랫폼에 내비게이션 및 위치 지정 서비스를 제공합니다.
현재 미국 등 북대서양 조약기구 공군의 주전항공기는 대부분 레이저 팽이를 중심으로 한 2 세대 표준 관성 항법기로 바뀌었다. 수정 방안의 중점은 광학 팽이를 기반으로 하는 관성 시스템 블랙박스에 강한 간섭 방지 GPS 수신기 (OEMB 보드) 를 내장하는 것이다. 이러한 내장 구성에서는 관성 탐색과 개별 GPS 수신기 사이에 추가 보안 버스를 설치할 필요가 없으므로 GPS 의 의사 거리/의사 거리 데이터가 위협 신호에 의해 방해받지 않습니다. 이 INS 와 GPS 의 깊이 결합 시스템은 "GPS 내장 관성 탐색 시스템", "EG 1" 이라고 합니다. 위치 정확도는 시간당 0.8 해리 (원형 확률 오차), 준비 시간도 15 분에서 5-8 분으로, 시스템 신뢰성은 수백 시간에서 2000-4000 시간으로 증가했습니다.
3.GPS/INS 조합 제도 시스템은 군사 정찰을 위한 고정밀 위치 신호를 제공합니다.
정찰의 목적은 목표를 발견하고, 목표의 위치를 정하고, 무기의 타격 효과를 평가하는 것이다. 목표에 대한 적중률은 무기 유도의 정확도, 목표를 찾을 수 있는 능력 및 목표 포지셔닝의 정확도에 따라 달라집니다. 현재 많은 국가들이 고공 이미징 기술을 이용하여 글로벌 지리 정보 데이터베이스를 구축하고 있다. 고공 영상 시스템은 주로 고공 정찰기, 저궤도 위성, 중궤도 위성으로 구성되어 있다. 이 시스템은 GPS/INS 콤비네이션 제도 시스템을 사용하여 무인 정찰기의 실시간 위치와 포탄이 방출하는 정찰 낙하산의 실시간 위치가 이미지와 함께 기지로 전송되어 대상의 위치를 결정합니다.
셋째, GPS/INS 조합 유도 기술 개발 동향
1. GPS 시스템의 간섭 방지 성능을 향상시켜 GPS/INS 조합 유도의 신뢰성을 높입니다.
미국은 위성 신호 전력 향상, 별상 처리 능력 향상, 별상 원자시계와 별력 외삽 알고리즘 개선을 통해 위성의 자율 작업 능력을 향상시킬 계획이다. 발사를 위해 세 가지 새로운 신호가 추가되었습니다. 하나는 고전력 점 빔 군용 M 코드입니다. 신호 이득은 현재 GPS 송신기의 이득보다 훨씬 높고 P 코드보다 더 안전합니다. 둘째, C/ A 코드는 L2 캐리어에 로드되고 원래 L 1 캐리어에 로드된 C/ A 코드는 계속 유지됩니다. 세 번째는 L5 야드로 민간용 생명안전신호로만 쓰인다. 미래의 GPS 위성은 두 개의 주파수 대역에서 두 개의 군용 내비게이션 코드를 방출할 수 있으며 실전에서 네 가지 작업 모드를 형성할 수 있어 간섭 방지 능력을 크게 높일 수 있다. 한편, 위성은 단시간에 120 일 동안 자율적으로 운행할 수 있다. 또 미 공군이 발표한 2025 년 장기 계획에 따르면 미국은 GPS 위성에 후방 안테나를 설치해 고궤도 공간에 내비게이션 및 위치 정보를 게시하여 고궤도 위성이 자율적으로 작동할 수 있도록 할 계획이다. 현재 미군의 GPS 공동계획국은 GPS 3 위성의 설계 방안을 연구하고 있다.
성능을 더욱 향상시키기 위해 미국은 앞으로 비행기, 함선, 지상 차량, 무기에 더 복잡한 GPS 수신기를 사용할 예정이다. 현역 C/A 코드 길이는 1023 비트로 50/ 초 속도로 한 번에 20.5 초 만에 적에게 해독되기 쉽다. P 사이즈 길이는 약 2 입니다. 35× 10 14 비트로 한 번 반복하는 데 267 일이 걸리므로 한 번 잡는 데 시간이 오래 걸리고 안전합니다. 현역 군용 P 코드 수신기는 C/A 코드의 안내를 통해서만 P 코드를 캡처하므로 C/A 코드 상태에 쉽게 영향을 받을 수 있습니다. 이를 위해 미군은 독립적으로 P 코드를 잡을 수 있는 군용 수신기를 개발하고 있다. 또한 미군은 공간 다이버시티 수신기, 제로 수신기, 빔 포밍 수신기 등 전파 방해 방지 군용 코드 수신기를 개발하여 수신기의 성능을 향상시킴으로써 전파 방해 방지 능력을 향상시키고 있습니다.
현재 미국 GPS 수신기의 가장 중요한 두 가지 기술은 GPS 수신기 애플리케이션 모듈 (GRAM) 과 선택적 가용성 부정 방지 모듈 (SAASM) 입니다. GRAM 은 향후 항공기, 선박, 미사일 및 다양한 무기에 추가하여 안전과 상호 운용성을 보장하는 표준 전자 플러그인입니다. 모든 GRAM 은 개방형 시스템 구조를 사용하므로 시스템의 일부 구성 요소를 추가, 교체 또는 취소할 수 있는 유연성을 제공합니다. SAASM 은 GPS 기술의 2 세대 제품 보안 모듈로서 기밀 GPS 알고리즘, 데이터 및 교정을 보호합니다. 수신기 애플리케이션 모듈에 통합하면 GPS 시스템의 보안이 향상되어 GPS 수신기를 보다 쉽게 유지 관리하고 비용을 절감할 수 있습니다.
2. GPS/INS 조합 유도의 정확도를 높이기 위해 새로운 관성 항법 시스템을 개발합니다.
현재 유연한 관성 항법 시스템, 광섬유 관성 항법 시스템, 레이저 관성 항법 시스템 및 미세 고체 관성 계기가 개발되었습니다. 레이저를 방위 측정기로 이용하는 팽이는 점차 전통적인 기계 팽이를 대체할 것이다. 레이저 팽이 관성 항법 시스템은 위치 정확도가 높고 무작위 이동이 작아 전투 상태로 빠르게 들어갈 수 있다. 80 년대 초에는 비행기와 지상 차량, 함포의 항법에 성공적으로 적용되었고, 나중에는 미사일과 발사차에 적용되었다. 그러나 링 레이저 팽이의 공진기는 엄격하게 밀봉되어야 하며, 여기서 He-Ne 혼합 가스의 농도는 일정해야 합니다. 미러 코팅 공정은 요구 사항이 높고 제조 비용이 높으며 "잠금 현상" 과 같은 문제가 발생할 수 있으므로 개선이 필요합니다. 현재 많은 과학 연구 기관들이 고체 링 레이저 팽이의 연구에 힘쓰고 있다.
광섬유 팽이의 기본 작동 원리는 원형 레이저 팽이와 비슷하다. 광섬유 팽이는 레이저 팽이의 모든 장점을 제외하고는 정밀 가공, 엄격하게 밀폐된 광학 공진기 및 양질의 반사경이 필요하지 않으므로 복잡성과 비용을 줄이고 시장 경쟁력을 강화합니다. 일본은 TR 1 M5 로켓에서 광섬유 팽이를 최초로 사용했다. 미국에서 개발한 광섬유 팽이는 이미 비행기의 급강하, 롤, 항행 기준의 관성 측정 시스템에 적용되었다. 그러나, 현재의 광섬유 팽이에는 랜덤 각도 걷기와 제로 편향 불안정과 같은 몇 가지 결함이 있을 수 있으며, 그 성능은 향상되어야 한다.
현대 마이크로기계 시스템 (MEMS) 의 급속한 발전에 따라 실리콘 마이크로팽이 (일반적으로 칩 팽이) 와 실리콘 가속계의 발전은 최근 몇 년 동안 빠른 발전을 이루었다. 이 신형 고체 팽이의 제로 편각 안정도는 시간당 65438 0 도 (온도 조절) 에 달할 수 있는 것으로 알려졌다. 현재 미국은 실리콘 마이크로팽이와 실리콘 가속도계로 구성된 마이크로관성 측정장치를 소량 생산하기 시작했다. 저렴한 비용, 저전력, 작은 크기, 가벼운 무게로 전술적 어플리케이션에 적합합니다. 항공 분야에서의 첫 번째 응용은 전술 미사일과 무인 항공기가 될 것이다.
고정밀 관성 항법 장치는 첨단 정밀 가공 기술을 기초로 해야 한다. 주요 이론과 기술이 돌파됨에 따라 다양한 유형의 관성 팽이가 군사 분야에 적용되어 점점 더 중요한 역할을 할 것이다.
3. 데이터 융합 기술은 GPS/INS 조합제도의 성능을 더욱 향상시킬 것이다.
GPS/INS 조합의 핵심 부품은 GPS 와 INS 간의 인터페이스로 데이터 융합 역할을 하는 칼만 필터입니다. 탐색 정확도를 높이기 위해 칼만 필터 기술은 각 탐색 시스템의 정보 조합을 최적화하고 탐색 시스템의 오류 상태를 추정한 다음 오류 상태의 최적 추정치를 사용하여 시스템을 수정하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 시스템의 상태 방정식은 시간에 따라 변하며, 상태 전환 매트릭스에는 탐색 정보 및 관성 컴포넌트의 측정이 포함되어 있어 필터 모델이 정확하지 않습니다. 또한 시스템 소음과 관측 소음을 정확하게 예측하거나 측정하기가 어렵기 때문에 일반적인 칼만 필터가 자주 발산됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 새로운 데이터 융합 기술을 연구하고 있다. 예를 들어, 어댑티브 필터 기술을 사용하면 관측 데이터로 가져온 정보를 사용하여 모델 매개변수, 노이즈 통계 특성 및 상태 게인 매트릭스를 지속적으로 예측하고 수정하여 필터 정확도를 높이고 객체 상태의 최적 추정치를 얻을 수 있습니다.
또한 GPS/INS 조합 유도를 핵심으로 하는 정보 융합 기술에 신경망 인공지능, 소파 변환 등의 정보 처리 방법을 도입하는 방법도 주목된다. 이러한 신기술이 성공적으로 개발되면 GPS/INS 조합제도의 종합성이 더욱 높아질 수 있습니다.