惯性导航系统与GPS结合技术在飞行器上的应用
1 摘要
目前飞行器所使用的导航系统,能适应全天候、全球性应用的确实不多。传统无线电导航,如塔康（TACAN）等,在应用上存有很多的限制和不便之处。而为改善此缺点,一套不需要其它外来的辅助装置,就可提供所有的导航资料,让飞行员参考的惯性导航系统（Inertial Navigation System）,虽已被成功发展并广为应用,但其在系统上的微量位置误差会随飞行时间的平方成正比累积,因此长时间飞行会严重影响到导航精确度,如果没有适当的修正,位置误差在一个小时内会累积超过300米。另一套精密的导航系统GPS,其误差虽不会随时间改变,但GPS并非万能,有优点,也有先天的缺陷,它在测量高机动目标时容易脱锁并且会受到外在环境及电磁干扰,再者GPS短时间的相对误差量大于INS,若只依靠它来做导航或控制,会造成相反效果。所以在导航系统设计上,常搭配惯性系统来使用,正巧GPS与INS有互补的作用,可经过一套运算法则,将两者优点保留,去除缺点,本文即针对两种导航系统特性进行探讨,并利用卡尔曼滤波器法则完成简易测量数据关系推导,设计一套“GPS/INS组合式导航系统”。
2 前言
早期舰船航行常利用“领航方法”来决定载体的位置及方向,观察陆地突出物,来引导船身驶向某处目标。随着飞行器的问世,初期飞行也全凭借着飞行员对当时自我方向、距离、高度及速度的感觉来控制驾驶,执行起飞、落地及飞机转场等等动作。这种控制载体由一个地方到另一个地方其间方向与距离指示的艺术,就称之为“导航”（Navigation）。然而仅仅依循着人为的导航方式,在天气良好条件下或周遭存有许多明显参考目标物时,单纯凭目视来判断飞行并不困难;但如果遇上天气条件不佳、能见度差、参考目标不存在活不明显时,就得依靠飞行员的经验、技巧及运气来进行方位及位置的判别,这无形中会造成飞行员的压力,更会严重影响到飞行安全的诸多不确定因素。因此,人们就积极开发各种导航技术,借着科技的快速发展与进步,导航的艺术也变得更多样化且精确可靠。“导航科学”可定义为“计算并决定一个载体的位置与预先设定的目的地的方向的一种应用”。
较先进的无线电导航,如罗兰（Loran）、超高频全向装置（VOR）、距离测量装置（DME）、塔康（TACAN）及多普勒（Doppler）等均相继被开发出来,成功有效的帮助了航行者,提供导航重要的参考依据。然而,无线电系统毕竟尚有很多限制和不便之处,如使用距离、地物遮蔽等均可能会造成功能失效。另外,无线电导航其基本架构是需要“基地站”发射定位无线电信号,经飞机上的“接收机”天线接收、处理及计算才能显示两点的关系,获得导航资料;只要其中一方失效或无线电传输不良,即无法进行导航工作,这对在茫茫的空中飞行是一件非常危险的事情。因此到上个世纪50年代,美国国防部认为有必要发展一套导航系统,不需要其它外来的辅助装置,就可提供所有的导航数据资料,让飞行员参考。就在当时,由麻省理工学院（MIT）开发出第一套飞机使用的惯性导航系统（Inertial Navigation System）,此系统完全自我包容、为独立源、不受外界的环境影响即可测量并提供所有的导航资料,包括载体的精确位置、对地速度、姿态与航向等,提供给自动导航仪及飞行仪表（如地平仪及方位仪等）。由于惯性导航系统的功能、尺寸大小、重量等特性远比其它导航系统要好,所以近年来INS始终能在导航领域独占鳌头。
