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(wú)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(lái)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(zhǎng)時(shí)間飛行會(huì)嚴(yán)重影響到導(dǎo)航精確度，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)男拚恢谜`差在一個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)累積超過(guò)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(wàn)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(lái)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(lái)使用，正巧GPS與INS有互補(bǔ)的作用，可經(jīng)過(guò)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(lái)決定載體的位置及方向，觀察陸地突出物，來(lái)引導(dǎo)船身駛向某處目標(biāo)。隨著飛行器的問(wèn)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(jué)來(lái)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(lái)判斷飛行并不困難；但如果遇上天氣條件不佳、能見(jiàn)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(lái)進(jìn)行方位及位置的判別，這無(wú)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(wú)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(lái)，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(wú)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(wú)線電導(dǎo)航其基本架構(gòu)是需要“基地站”發(fā)射定位無(wú)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(wú)線電傳輸不良，即無(wú)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(guó)國(guó)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(lái)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(lái)INS始終能在導(dǎo)航領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。 然而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的位置信息，仍有少量的誤差，雖然其誤差變化很慢，但位置誤差的累積隨飛行時(shí)間的平方成正比；因此對(duì)長(zhǎng)時(shí)間飛行的導(dǎo)航精確度會(huì)有所影響；如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)男拚恢谜`差在一小時(shí)之內(nèi)會(huì)累積超過(guò)300米，所以INS雖然是一種獨(dú)立自主的工作系統(tǒng)，但仍有缺點(diǎn)，而造成誤差的原因不外與加速度計(jì)及陀螺儀的品質(zhì)、重力場(chǎng)變化、起始位置、方位輸入值及安裝誤差等因素有關(guān)。當(dāng)然系統(tǒng)本身的品質(zhì)，因價(jià)格的不同，仍有很大的差異。由于INS主要誤差源為陀螺儀的角速率漂移率及加速度計(jì)的偏差，且會(huì)因時(shí)間的累積而擴(kuò)大，因此若能采用某種設(shè)備，在一定時(shí)間內(nèi)適當(dāng)修正INS所造成的誤差，一定可以大幅度改善系統(tǒng)導(dǎo)航精確度。 到60年代，美國(guó)海軍開發(fā)出一套TRANSIT導(dǎo)航衛(wèi)星供艦船及潛艇定位使用，至今，地面許多載體仍然在使用這種較不精確的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。70年代美國(guó)空軍開始研究開發(fā)一種三維空間的NAVSTAR（Navigation Satellite Timing and Ranging）精確衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；1973年美國(guó)國(guó)防導(dǎo)航衛(wèi)星部門（DNSS）聯(lián)合海軍的新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（TIMATION）與空軍的“Program 621B”計(jì)劃成果，擴(kuò)大成為一種更迅速、更精確的GPS（Global Positioning System）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。一般而言，這種全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用觀測(cè)GPS衛(wèi)星廣播訊號(hào)來(lái)計(jì)算接收者的位置，它的定位方式有兩種：一種為虛擬距離（Pseudo-Range）觀測(cè)；另一種為載波相位（Carrier Phase）觀測(cè)。利用載波相位觀測(cè)來(lái)定位，雖較虛擬距離觀測(cè)精確，但由于觀測(cè)載波相位會(huì)面臨周波脫落及相位未定值等問(wèn)題，因此應(yīng)用在導(dǎo)航方面時(shí)，定位上會(huì)有較大的技術(shù)障礙，可靠度不高。因此，目前載波相位觀測(cè)主要應(yīng)用在較長(zhǎng)時(shí)間的定點(diǎn)觀測(cè)上，例如大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)等；而在即時(shí)定位的導(dǎo)航上，則普遍應(yīng)用虛擬距離觀測(cè)。 GPS的定位過(guò)程中，其廣播訊號(hào)受到許多因素的影響，如大氣層折射、衛(wèi)星軌道位置偏差及時(shí)鐘誤差等等，而會(huì)使得其定位精確度受到影響。目前使用在GPS廣播的P碼（PPS：Precise Positioning Service），由于精確度較高，因此受到嚴(yán)格限制，只有美國(guó)軍方及特殊授權(quán)者才能使用。C/A碼的使用則沒(méi)有限制（SPS：Standard Positioning Service），但其精確度較低，若SA（Selective Availability）也被開啟后，則誤差會(huì)更加劇，因此對(duì)需要較高精確度的即時(shí)定位而言，便需要一套使用C/A碼，但卻可以大幅提高精確度的系統(tǒng)。DGPS（Differential GPS）便是針對(duì)改善GPS利用電碼定位的精確度而發(fā)展出來(lái)的系統(tǒng)，其工作方式為采用相對(duì)定位的原理，首先設(shè)定一個(gè)固定GPS參考站（Reference Station），地理位置已精密校準(zhǔn)，再與GPS的接收機(jī)所定出的位置加以比較，即可找出該參考站的GPS定位誤差，再將此誤差實(shí)況廣播給使用者，如此，DGPS精確度便可提高十?dāng)?shù)倍，而達(dá)到米級(jí)，然而GPS短時(shí)間內(nèi)每一時(shí)刻的位置精確度還是比INS差很多。 由上可知，雖然GPS的誤差變化量不隨時(shí)間而變的特性優(yōu)點(diǎn)，但GPS不適宜高機(jī)動(dòng)、易造成脫鎖且會(huì)受到外在環(huán)境及電磁干擾，而INS則可測(cè)量高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的位置、速度、加速度及姿態(tài)且不受到外界干擾，在短時(shí)間INS的相對(duì)誤差量也遠(yuǎn)小于GPS的誤差量，因此INS可用于驗(yàn)證并修改GPS的測(cè)量結(jié)果，所以綜合GPS/INS的導(dǎo)航系統(tǒng)是一種較佳的選擇，它可獲取高精度與高可靠的導(dǎo)航信息，此外，組合式GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)在濾波器選用方面，基本是采用卡爾曼濾波器法則，因?yàn)樗?jiǎn)單可靠，已被普遍應(yīng)用在GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)中。 [b]3　INS/GPS基本原理 [/b] 3.1　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）基本原理 3.1.1　INS原理 INS一般結(jié)構(gòu)分為環(huán)架式及捷聯(lián)式兩種。在環(huán)架式系統(tǒng)中，加速度及陀螺儀均置放于參考平臺(tái)上，使傳感器與載體之間轉(zhuǎn)動(dòng)能夠獨(dú)立，才能在穩(wěn)定坐標(biāo)系統(tǒng)中維持其測(cè)量及導(dǎo)航的運(yùn)算。可能的導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)包含球心慣性系統(tǒng)（ECI-Earth Centered Inertial）、球心固定坐標(biāo)（ECEF）、ED（North-East-Down）坐標(biāo)系統(tǒng)及含Wander角的坐標(biāo)系統(tǒng)等。環(huán)架式系統(tǒng)比較精確，而且容易校正（不需執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用地球重力場(chǎng)可自動(dòng)對(duì)北校正），但是其結(jié)構(gòu)比較大、重、成本高且可靠性差。 至于捷聯(lián)式系統(tǒng)，傳感器是固定在載機(jī)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的加速度及速率測(cè)量上采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以便能在慣性系統(tǒng)中完成導(dǎo)航運(yùn)算。此種方式可運(yùn)用于高機(jī)動(dòng)的情況下，尤其是在新型的高品質(zhì)陀螺儀與加速度計(jì)出現(xiàn)后，捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)將因成本及可靠性的改善，而變成主要的裝置。有關(guān)捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)定義如下：捷聯(lián)式與傳統(tǒng)環(huán)架式最大不同點(diǎn)，主要在于慣性導(dǎo)航設(shè)備如陀螺儀及加速度計(jì)等是直接安裝于載體上，而不是安裝于參考平臺(tái)上。更進(jìn)一步來(lái)看，載機(jī)上導(dǎo)航計(jì)算機(jī)能在對(duì)陀螺儀的信號(hào)持續(xù)追蹤相對(duì)于預(yù)定參考慣性軸的載機(jī)姿態(tài)。結(jié)果，由于計(jì)算機(jī)能提供必要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使加速度計(jì)輸出于計(jì)算機(jī)計(jì)算參考軸一致，換言之，轉(zhuǎn)換在計(jì)算機(jī)內(nèi)以分析性的方式完成，所以在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，慣性參考平臺(tái)將可以以下列二種功能來(lái)取代，即： 1）在陀螺儀輸出基準(zhǔn)上建立姿態(tài)慣性軸； 2）把加速度計(jì)輸出經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成慣性坐標(biāo)變量。 3）由于捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以直接提供載機(jī)相關(guān)信號(hào)，所以在傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的一些裝置等均可省略。 在INS系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)于系統(tǒng)精確度及特性的評(píng)估，一般而言均存在有大量的誤差源，例如：陀螺儀及加速度計(jì)相關(guān)的誤差，基本上包含靜態(tài)g靈敏度偏差及漂移量，尺寸因素誤差，錯(cuò)排誤差機(jī)隨機(jī)誤差等。額外的誤差則來(lái)自于導(dǎo)航解算的校正、起始及排列轉(zhuǎn)換，不準(zhǔn)度計(jì)算等。在沒(méi)有補(bǔ)償情況下，所有INS誤差會(huì)隨時(shí)間而改變，而一些誤差（如位置等）則會(huì)隨時(shí)間增加而發(fā)散，其它則會(huì)受到限制而產(chǎn)生震蕩。因此INS的精確度與傳感器品質(zhì)、導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及載機(jī)動(dòng)態(tài)等等有很大的關(guān)系。 INS基本上允許獨(dú)立自主操作。在誤差特性上，由于大多數(shù)需要高精確度，所以可以使用外加輔助裝置來(lái)降低INS誤差。一臺(tái)具有輔助裝置的INS會(huì)使用來(lái)自于一些輔助裝置（如追蹤雷達(dá)、GPS、TECOM等）的數(shù)據(jù)，再配合導(dǎo)航卡爾曼濾波器，以改進(jìn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精確度。 3.2　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）基本原理 衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，不管它是橢圓形軌道、圓形軌道或是同步軌道，它始終以一定周期，周而復(fù)始的飛馳。若沒(méi)有干擾因素（例如：月亮與太陽(yáng)引力、地球重力不均勻、空氣分子阻力等），那么衛(wèi)星的軌道固定不變，也就是它與地球維持一定的關(guān)系，因此，我們可以很準(zhǔn)確的計(jì)算出，在什么時(shí)候，它在何處，什么時(shí)段通過(guò)哪些區(qū)域。既然它的運(yùn)行很精確，地球上的人們就可以拿它做導(dǎo)航依據(jù)，通過(guò)無(wú)線電，發(fā)射它相對(duì)于地球坐標(biāo)的位置資料，飛行器接收機(jī)與地球、衛(wèi)星構(gòu)成三點(diǎn)關(guān)系，形成封閉三角形。其中，衛(wèi)星與地心的距離為已知，如果我們能測(cè)量出飛行器與衛(wèi)星的直線距離，則飛行器對(duì)地球的坐標(biāo)關(guān)系，就可反推算出來(lái)，獲得定位導(dǎo)航資料，此為“衛(wèi)星導(dǎo)航”的基本概念，事實(shí)上，“衛(wèi)星導(dǎo)航”方法，源自于古老人們以觀測(cè)天體星相決定位置，自然演變而來(lái)。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：以GPS系統(tǒng)為例，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三大部分。 1）太空部分（Space Segment） 主要是衛(wèi)星本體及衛(wèi)星群，太空中總共有24顆（21顆正式運(yùn)行，3顆備份），分布在6個(gè)離地20200公里的軌道上，每一條軌道相互成55度傾角，一條軌道上配置四顆衛(wèi)星，周期約12小時(shí)，經(jīng)此安排，在地球上任何時(shí)間、地點(diǎn)均可看到四顆衛(wèi)星，作為三維空間定位使用。 2）地面控制部分（Control Segment） 顧名思義，這些地面追蹤站，是在控制衛(wèi)星的正常運(yùn)行，必要時(shí)，它可改變衛(wèi)星的資料，讓有意利用它來(lái)從事非法活動(dòng)的地方，產(chǎn)生不利的后果。控制部分，有五個(gè)監(jiān)測(cè)站（Monitor Station）及三個(gè)雷達(dá)通訊站，分布在全球自由地區(qū)。這些監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星資料，立即送到美國(guó)科羅拉多州的SPRINGS主控制中心（Master control station），經(jīng)高速計(jì)算機(jī)算出每顆衛(wèi)星軌道參數(shù)、修正指令等，將此結(jié)果經(jīng)由雷達(dá)上連接到軌道上的衛(wèi)星上。使衛(wèi)星保持精確的狀態(tài)，作為載體導(dǎo)航的依據(jù)。 3）用戶部分 用戶的裝備很簡(jiǎn)單，包括一個(gè)頻帶天線、資料處理單元、顯示組件及按鍵單元，只要天線不被干擾或遮蔽，同時(shí)能收到三顆以上衛(wèi)星信號(hào)，就可顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)位置。 衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，是兩個(gè)物體“引力”與“離心力”相互作用的關(guān)系，屬于牛頓力學(xué)，是在慣性坐標(biāo)上所討論的問(wèn)題，但是，衛(wèi)星繞行，地球也自傳，同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，大家都在運(yùn)動(dòng)，要知道衛(wèi)星在地球慣性坐標(biāo)上什么位置，就變得很復(fù)雜。 GPS基本工作原理是三角測(cè)距法，再經(jīng)由精確衛(wèi)星資料得知衛(wèi)星位置時(shí)，用戶將可接收來(lái)自衛(wèi)星傳送的資料信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)傳送的時(shí)間，由于信號(hào)傳送是以光速進(jìn)行，所以用戶可以計(jì)算出與衛(wèi)星相距的距離。此真實(shí)測(cè)量值（一般由稱之為虛擬距離）通常包含一些來(lái)自用戶時(shí)鐘相對(duì)于GPS參考時(shí)鐘的偏差量造成的誤差。由于在衛(wèi)星上使用原子鐘，所以誤差相對(duì)的比用戶時(shí)鐘要小。因此，在決定三維空間位置時(shí)，必須同時(shí)考慮計(jì)算時(shí)鐘偏差量。在需要至少四顆衛(wèi)星的情況下，對(duì)導(dǎo)航問(wèn)題才可以找到適當(dāng)?shù)慕獯稹＠貌煌姆椒梢郧蟪鏊俣龋罱K測(cè)量結(jié)果稱之為距離差。 慣性導(dǎo)航可以決定載體位置及速度等相對(duì)于地球慣性坐標(biāo)的值，而由載體比重，及來(lái)自載體上儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)速率推算牛頓運(yùn)動(dòng)方程式，即可求得導(dǎo)航解。 GPS衛(wèi)星系統(tǒng)模式包含與時(shí)間函數(shù)及衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)特性的衛(wèi)星經(jīng)歷信息。由已知GPS衛(wèi)星位置及其間相關(guān)的位置距離，接收機(jī)就可以決定出自己的位置、速度及時(shí)鐘偏差量。測(cè)量數(shù)據(jù)形式包含虛擬距離、距離差、相位資料、多重天線相位差數(shù)據(jù)及差分GPS數(shù)據(jù)。為計(jì)算衛(wèi)星位置及速度，接收機(jī)需要部分大氣資料，再利用軌道干擾模式計(jì)算出GPS衛(wèi)星的真正位置及速度。每一顆衛(wèi)星的軌道是針對(duì)每一橫向、縱向及正交誤差值隨機(jī)修正的。對(duì)于每一誤差值，誤差大小及干擾周期均是隨機(jī)選定的。主要地面站位估測(cè)及預(yù)測(cè)的修正值均包含在廣播資料中。在此估測(cè)中，任何誤差包含在此模式時(shí)，均可作為計(jì)算量測(cè)值的偏量。 量測(cè)距離最常用的方法就是電波傳送時(shí)間乘以光速，然而，用時(shí)間來(lái)標(biāo)定起始點(diǎn)，容易受外界干擾精度差。另一種方式，就是計(jì)算衛(wèi)星到天線的波長(zhǎng)數(shù)，從相位關(guān)系來(lái)解算它的精確度，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)不變，所以它的準(zhǔn)確度可以達(dá)到厘米級(jí)水平，這種方式稱為“載波相位測(cè)量”（Carrier Phase Measurement）。但在接收機(jī)追蹤GPS衛(wèi)星時(shí)，有時(shí)會(huì)因?yàn)橄铝性蚨撴i，主要是在于主載體或外界物體阻擋信號(hào)、地形或環(huán)境減弱信號(hào)、來(lái)自外部傳輸部件的干擾或飛行姿態(tài)等。GPS追蹤的品質(zhì)與制造、模塊化及特定接收機(jī)天線特性有相當(dāng)?shù)年P(guān)系，因此作為基本假設(shè)，四個(gè)或四個(gè)以上衛(wèi)星追蹤通道，Y碼（Y-code）虛擬距離及距離差數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)快速需求及再需求等條件就一定要具備。 GPS接收機(jī)模式可計(jì)算出主接收機(jī)及被追蹤衛(wèi)星之間的追蹤功能，如距離、距離變化率及加速度等。上述各值均由每0.1秒一次的頻率來(lái)計(jì)算差異估測(cè)值即可。不論何時(shí)，只要加速度超過(guò)容忍值時(shí)，追蹤衛(wèi)星就會(huì)脫鎖，當(dāng)衛(wèi)星載體追蹤失效時(shí)，原始需求時(shí)間就可用來(lái)決定何時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)再度有效。至于在高機(jī)動(dòng)的應(yīng)用中，接收機(jī)需要來(lái)自INS的輔助數(shù)值協(xié)助維持衛(wèi)星信號(hào)的追蹤鎖定。導(dǎo)航與下列有相當(dāng)?shù)年P(guān)系，即接收機(jī)狀態(tài)模式的精確度及在每一次測(cè)量修正下GPS數(shù)據(jù)是否與地形有強(qiáng)烈關(guān)系。如果數(shù)據(jù)取自四顆衛(wèi)星時(shí)，而動(dòng)態(tài)是合理范圍的，一般均可以找到精確的位置及速度。 若取用不同GPS天線時(shí)，利用一些相當(dāng)簡(jiǎn)單的增益形式，即可追蹤到任何水平面上的衛(wèi)星。其它則使用較詳細(xì)的數(shù)字化模型，此模型可以計(jì)算出待測(cè)物體HV（Host Vehicle）與被追蹤的每一顆衛(wèi)星SV（Satellite Vehicle）之間的動(dòng)態(tài)值，如虛擬距離、距離差及加速度等，由天線的入射角可以計(jì)算來(lái)決定天線增益，用來(lái)決定衛(wèi)星是否被追蹤。至于利用哪一顆衛(wèi)星作為追蹤之用時(shí)，基本上是基于一組地形結(jié)構(gòu)最強(qiáng)，可以產(chǎn)生最正確解的那顆。衛(wèi)星選定方法是先掃描，在決定追蹤劇本所需的最佳地形。當(dāng)然，衛(wèi)星信號(hào)必須進(jìn)入接收機(jī)天線形式，不能阻擋，而且能有效的在地球水平面上具有適當(dāng)?shù)男l(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度。為避免受到干擾，在某些方向的衛(wèi)星就必須避免使用到。 某些應(yīng)用中，在飛行期間追蹤同一顆衛(wèi)星是最需要的。其它時(shí)候，以機(jī)動(dòng)方式選用四顆的組合，將有助于降低飛行期間脫鎖的可能性。接收機(jī)模式包含一項(xiàng)選擇，就是模擬在GPS信號(hào)接收時(shí)的干擾效應(yīng)。任一種由位置、形式及有效輻射功率定義的干擾均可以建立，且輸入到模式中，決定在GPS天線增益形式上的干擾信號(hào)的入射角。假定干擾源的模式是在GPS頻率上的主連續(xù)波，在L1（-163dBW）及L2（-166dBW）下，假定固定的GPS信號(hào)強(qiáng)度，若能假定干擾源信號(hào)，則可以分析出干擾源的整體效應(yīng)，此模式可以計(jì)算出每一傳輸接收器對(duì)干擾信號(hào)功率比值（J/S）。J/S比值是干擾輻射功率、接收機(jī)與傳輸機(jī)的距離、GPS接收頻率及接收天線增益的函數(shù)。 GPS接收機(jī)的干擾效應(yīng)應(yīng)隔離，以提高追蹤性能及提高導(dǎo)航精確度。現(xiàn)行模式中，信號(hào)接收可以在簡(jiǎn)化的模式中加以處理：當(dāng)J/S值超過(guò)特定容忍值時(shí)，如需求值45dB，追蹤值65dB，GPS接收機(jī)必須擁有定義需求與追蹤衛(wèi)星的能力是不可避免的。 GPS為一新的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它們屬于無(wú)線電導(dǎo)航范疇，藉由無(wú)線電測(cè)距及接收相關(guān)的資料，求出飛機(jī)的位置與速度，作為導(dǎo)航之用；隨著GPS技術(shù)的成熟，可靠性的提升，GPS特性遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)存的“塔康”等各種無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，也只有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）還可以與之媲美。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)?jīng)授權(quán)的用戶提供精確的三維空間位置、速度及時(shí)間，GPS系統(tǒng)的使用范圍廣泛，又不受天氣影響，且接收機(jī)價(jià)格低廉、尺寸小、重量輕、功率需求小又具有高可靠性，所以GPS是值得推廣應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)的。 3.3　GPS/INS組合原理 GPS/INS在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)，均能提供有效的精確度，這點(diǎn)是我們毋庸置疑的。但因其設(shè)計(jì)邏輯的不同，產(chǎn)生在使用上各有不同的限制，GPS的缺點(diǎn)是INS所沒(méi)有的，INS不足的地方，GPS則可以彌補(bǔ)，從整體看，只有GPS和INS結(jié)合在一起，才能獲得十全十美的導(dǎo)航系統(tǒng)。在單獨(dú)應(yīng)用的情況下，INS可以在短時(shí)間載體高機(jī)動(dòng)情況下提供連續(xù)的精確輔助數(shù)據(jù)，而GPS則是在長(zhǎng)時(shí)間情況下提供離散且精確的輔助數(shù)據(jù)，換句話說(shuō)就是在短時(shí)間與即時(shí)的情況下，INS擁有比GPS更小的誤差，但長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，就必須通過(guò)GPS離散的測(cè)量數(shù)值來(lái)提供修正，并藉著對(duì)系統(tǒng)漂移量的掌握，可達(dá)到狀態(tài)參數(shù)快速估算與收斂的目的。 3.3.1　組合結(jié)構(gòu)介紹 在組合系統(tǒng)中擁有一套卡爾曼濾波器，可以處理衛(wèi)星推導(dǎo)所需的虛擬距離及距離差測(cè)量值，并用來(lái)估測(cè)計(jì)算出GPS測(cè)量值與INS值之間的誤差余量值，將最后結(jié)果以回授方式來(lái)修正INS，以提供精確的導(dǎo)航數(shù)值。 3.3.2　卡爾曼濾波器 卡爾曼濾波器是以狀態(tài)空間技術(shù)發(fā)展的一種返推式濾波方法，該法的特點(diǎn)是不要求保留儲(chǔ)存過(guò)去的測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)新的數(shù)據(jù)測(cè)得之后，根據(jù)新的數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)估測(cè)值，藉由系統(tǒng)本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程式（即動(dòng)態(tài)方程），按照一套返推公式，即可算出新的狀態(tài)參數(shù)估測(cè)值。 4　結(jié)束語(yǔ) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本任務(wù)是提供一套掌握固定坐標(biāo)（地球）與飛行器相對(duì)幾何關(guān)系的導(dǎo)航資料，作為精密可靠的導(dǎo)引參考，并經(jīng)由自動(dòng)駕駛儀或飛行員來(lái)執(zhí)行航跡修正，尤其是軍用飛機(jī)，深入敵區(qū)作戰(zhàn)，無(wú)線電靜音，我方導(dǎo)航基地站無(wú)法提供信息，INS是唯一不受影響而可信賴使用的裝備，加上利用GPS測(cè)量資料一定時(shí)間的提供修正，透過(guò)卡爾曼濾波器法則對(duì)環(huán)境雜波干擾的運(yùn)算處理，將可維持導(dǎo)航資料一定的高精確度。從整體，組合GPS與INS，目的就是要利用兩者的互補(bǔ)作用，保留優(yōu)點(diǎn)，去除缺點(diǎn)，獲得一套十全十美的導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)然，這些基礎(chǔ)僅僅是科學(xué)論證邏輯上的結(jié)論。最終呈現(xiàn)的結(jié)果都必須再通過(guò)硬件裝備來(lái)實(shí)踐，這個(gè)問(wèn)題就牽涉到了制造、維修、保養(yǎng)等等各種人為因素，一切數(shù)理規(guī)則的實(shí)現(xiàn)，都必須回歸于人們自己的堅(jiān)持與搭配，所以輔以嚴(yán)格、正確的工廠、地面測(cè)試、維修與調(diào)整校正，在確保導(dǎo)航系統(tǒng)裝機(jī)后，才能提供出正確的導(dǎo)航資料，供飛行員即時(shí)參考，并傳輸給其它空用電子設(shè)備作為導(dǎo)航修正計(jì)算使用。一個(gè)系統(tǒng)精確度的掌握是各次系統(tǒng)與元件的累積成果，每一環(huán)節(jié)的把關(guān)、落實(shí)，方能將系統(tǒng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，在戰(zhàn)術(shù)上發(fā)揮效能，實(shí)施精確的作戰(zhàn)打擊。 [b]5　參考資料 [/b] 一、黃國(guó)興（1996）：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理與應(yīng)用，全華科技圖書。 二、宋真坦、宋真堯、姜仲鴻、袁敏事（1998）：飛機(jī)通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)，高立圖書。 三、劉少清、蔡有龍（2001）：GPS/INS導(dǎo)航整合系統(tǒng)理論之研究，新新季刊，第二十九卷第一期。 四、Gelb Arther Ed，“Applied Optimal Estimation”，MIT Press，Cambridge，Mass，1974。 五、Brison，A.E.Jr. and Ho,Y.C.，Applied Optimal Control-Optimization，Estimation，and Control，Hemisphere Publishing Corporation，1975。 六、Stengel，R.F.，Stochastic Optimal Control-Theory and Application，Wiley-Interscience，1986。 編輯：何世平