F-16C“蝰蛇”
开发报告
F-16C INS+GPS系统概述
DCS: F-16C“蝰蛇”的导航系统是一个复杂的技术解决方案的混合体，旨在为航空电子设备提供具有精度、可用性、完整性和自主性的坐标、速度和角度。这是通过惯性导航系统（INS）和全球定位系统（GPS）的合作工作来实现的，它们的导航输入经过模块化任务计算机（MMC）中的卡尔曼滤波处理。让我们详细讨论每个组件。
INS
惯性导航系统是一种自主设备，通过测量加速度并在考虑航空器在空间中的方向的情况下进行两次积分，来进行航空器坐标的航位推算。后者是从F-16激光陀螺仪中获取的。这种类型的INS被称为“捷联式”，因为没有旋转部件。基本上，INS由三个加速度计（每个加速度计用于一个正交轴）和三个陀螺仪组成。
惯性导航系统改进的主要特点包括：
- 自主性：不需要任何外部信号进行航位推算。
- 在短时间内（5-10分钟）保持稳定。
- 基于航位推算物理学的长时间内可观察的误差累积。通过对加速度的积分（用于更新速度）和对位置的积分（用于更新坐标），由加速度计噪声和不完美对准引入的小误差也被积分两次。
此外，这些误差越大，它们累积的速度就越快，这是由于惯性导航系统的所谓积分校正。该校正更新了当地地球重力力量矢量与坐标，并将其加入到G矢量的相对角度中。
惯性导航系统的另一个独特特征是具有84.4分钟周期的舒勒振荡。由于上面提到的积分校正算法，惯性导航系统就像一个摆钟一样。在理想情况下，当航空器沿着地球移动时，它保持平衡。当坐标误差出现时，它会使摆钟从静止点位移，并开始振荡。误差越大，引入的振荡幅度就越大。这就是为什么人们会注意到，一旦航空器起飞，惯性导航系统的误差以84.4分钟的速度减小。
GPS
全球定位系统通过测量从GPS卫星到接收器的信号传播延迟来测量飞行器的位置。卫星轨道是精确已知的，卫星的确切位置根据传输在相同GPS无线电信号中的星历计算。这就是为什么GPS在冷启动后需要几分钟才能开始获取星历的原因。信号传输时刻也是已知的，并由卫星上的非常精确的原子钟定义。因此，在理想情况下，如果GPS信号像在真空中一样以恒定的光速传播，接收器可以通过交叉相交的卫星发射的等时无线电信号延迟的曲面来精确确定其位置。您可以将其想象为以卫星位置为中心的球体，尽管在现实生活中要复杂一些。然而，有两个重要因素阻止我们获得曲面交点的理想位置；电离层延迟和多路径。两者都会给实际信号传播时间增加未知时间。多路径发生在接收器相对靠近地面时，信号可能从地面物体反射，导致信号边缘的退化；这类似于山上的回声，很难分辨出一个词与另一个词。当接收器意外地添加这种延迟时，精确的导航解决方案就会丢失，输出坐标会变得嘈杂。这就是军用GPS信号通过所谓的P码来获得更好的信号分辨率，并且使用双频帮助消除未知电离层延迟的原因。
综合解决方案。卡尔曼滤波
总结以上内容：我们有两种导航系统，两者都存在缺陷：惯性导航系统会随着时间累积误差，GPS由于自然因素（如多径和电离层延迟）以及敌人的干扰和欺骗而嘈杂且容易受到干扰。好消息来了！有一种方法可以避免这些缺陷，那就是卡尔曼滤波。它以GPS和INS坐标以及速度作为输入。卡尔曼滤波是一个很棒的算法，能够从远非理想的测量中获得最大的精度，并且它充分利用了两种系统的优点：惯性导航系统的稳定性和自主性以及GPS的精度，以获得既稳定又精确的综合导航解决方案。
此外，卡尔曼滤波器在数学方程的层面上了解航空器在空间中移动的动态特性。如果航空器在移动，它会预测航空器在下一个滤波步骤中的位置。这就是为什么它被称为递归，而且该滤波不会让错误的GPS信号降低输出导航解决方案的精度。此外，它能够动态地调整其测量与预测权重，以适应任何输入导航精度的降级。
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