引信定位技术

GPS是美国第二代卫星导航系统，它能对全球表面任何地点及空间提供实时高精度的三维位置、三维速度和时间信息，其目标主要是为美国三军建立一个战略性的高精度的全球卫星导航系统，并以较低的精度兼供民用。

GPS由空间卫星、地面控制系统和用户设备三部分组成。空间卫星由18颗工作卫星和3～7颗备用星组成，均匀分布在6个轨道平面内，可使全球范围内的用户在任何时间都能在5°高低角以上同时观察到4颗以上的卫星。每颗星发射两个频率的信号，为1575.42MHz，为1227.6MHz，频率调制P码和C/A码，频率调制了P码。P码的码速率为10.23Mb/s，C/A码的码速率为1.023Mb/s，P码的精度比C/A码的高，但P码加密而C/A码公开。C/A码与P码均调制了50b/s的导航信息，每颗星的导航信息包含该星的位置、时间、星历等信息。

由于GPS技术高精度的定位和测速能力，其广泛应用于飞机、轮船和地面车辆的导航，铁路的运行调度，大地和地形板块测量和勘探等；在军事方面，GPS技术已经应用于导弹的制导、无人机导航等。近年来，GPS技术在引信中的发展也非常迅速，下面介绍几种应用途径。

为了获得对目标的最大毁伤效果，有时希望引信在最佳高度上引爆战斗部。确定引爆最佳高度需要引信能获得弹头高度、相对目标速度矢量及弹道倾角三种信息，这在以往定高引信上很难实现。如果将带有天线和信息处理系统的GPS接收机装入弹体，则在弹体飞行过程中，GPS接收机将实时给出弹头在空间飞行的位置坐标及其运动速度和时间，弹头相对地面的高度和弹道倾角可由信息处理系统借助于坐标系统的变换实时给出。当飞行高度达到预定位置时，给出引爆信号，引爆战斗部，此时GPS接收机完全起到定高引信作用。将GPS技术用于定高引信，在任何情况下均能在最佳高度上引爆。

GPS定高引信的关键技术是如何定出弹头相对于地面点的高度。弹头的GPS接收机可以实时得到弹头的海拔高度，因此，必须知道与弹头经纬度相同的地面点的高度，然后两者相减，就可以得到相对高度。地面点的高度可以由数字高程模型的方法得到，数字高程模型是一定区域范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集或者是经纬度和海拔高度的数据集，根据参考点上的高程，可以通过插值程序求出其他待定点上的高度。

GPS定高引信的一个主要应用方向是非致命的软杀伤弹药。软杀伤弹药多采用子母弹的形式，其作战方式一般采用运载器远程发射，然后母弹高空开仓，而子弹利用减速装置稳定下落到指定高度后抛撒弹内装填物，通过装填物本身所具有的特殊物理或化学特性对目标实施大面积、区域性的攻击或干扰，以达到压制敌人或诱骗敌方进攻武器等目的。为解决软杀伤子母弹药在各种复杂环境下的炸点定高和开仓控制问题，要求所使用的引信成本低并具有精确测高的功能，因此提出了定高引信技术，GPS定位技术是一个有效的途径。

碳纤维弹是软杀伤弹药中最具代表性的弹药。碳纤维弹又称石墨弹，是一种由导弹或炸弹作为携带工具，专门用于攻击对方发电厂及其供电系统的软杀伤武器。此种弹充分利用了碳纤维的高导电、导热特性和轻质高强特性，使其在空气中飘浮，形成碳纤维团，缓慢下降，极容易覆盖和缠结到电网和供电系统中的变压器、供电线路等上面。当高压电流通过碳纤维时，电场强度明显增大，电流流动速率加大，并开始放电和形成电弧，致使电力设备熔化，电路发生短路；若电流过强或过热，则会引起着火；电弧若生成极高的电能，则造成爆炸。由此会给发电厂及其供电系统造成毁灭性的破坏，而且悬挂在电网上的碳纤维清除十分困难，所以说，碳纤维弹是一种对发电厂破坏性极大、技术含量较高、成本较低的软杀伤武器。

美国是最早研制软杀伤弹药的国家。在碳纤维弹方面，美国分别在海湾战争、科索沃战争及伊拉克战争中进行了战场验证，效果明显。美军正在部署中的“纠正风偏差弹药撒布器”采用GPS和惯性制导，飞机可从10km的高空投放，以提高碳纤维弹的毁伤效率和减少发射平台受攻击的威胁，引信采用GPS定高技术。

如14.2节所述，二维弹道修正引信对弹药的射程和方向同时进行修正，可以大幅度提高弹药的命中精度。为了实现二维弹道修正引信技术，需要获取弹丸在空中的实时位置和姿态。

对于弹丸在空中的位置的获取，全球定位系统可以很好地完成；弹丸的空间姿态可以通过地磁传感器或惯性测量组件提供。因此，将GPS和地磁传感器或惯性测量组件结合起来组成组合导航系统，并嵌入二维弹道修正引信中，就可以实时提供弹丸空中位置和姿态的信息。

20世纪80年代末期，美国陆军和海军开始研究一种低成本高性能弹道修正弹（LCMM），计划分三个阶段研制。

第一阶段是研制“GPS定位引信”。它由美陆军研究所（ARL）提出，于1991年成功地进行了射击试验。这种引信具有对落点进行定位的功能，但没有弹道修正功能。射击时，首先发射一枚安装了GPS定位引信的校射弹，引信对弹丸落点定位并由引信中的发射机将落点坐标传回炮位，然后起爆弹丸。射手将从GPS引信得到的实际落点与预定的目标位置比较，对射击诸元进行修正，再进行后续的射击。试验表明，在射程为40km时，这种引信能将射击误差减少2～3倍。

第二阶段是研制“一维弹道修正引信”，即由引信对距离误差进行修正。发射前，目标的距离坐标已装入引信。发射后，引信中的小型GPS接收机不断对弹丸进行定位，检测实际飞行弹道，预报落点，并与事先装入引信的目标位置进行比较，然后选择一个最佳时间，来控制引信上的阻尼装置张开，通过改变弹丸降弧段的弹道使弹丸实际落点尽可能地接近目标中心。一维弹道修正引信的试验已取得成功，射程为50km或更远时，这种引信能将射击误差降低3～6倍。

第三阶段是研制“二维弹道修正引信”，即由引信对距离误差和方向误差同时进行修正。二维弹道修正引信的发展主要基于GPS、ASIC、MEMS和灵巧结构技术，大多采用惯性导航与全球定位组合技术，实现弹药的低成本化和精确打击。美、英等国均在大力开展INS/GPS弹道修正引信的研究，在引信中除了装有微型GPS接收机外，还装有基于MEMS技术的微型惯性测量组合（MIMU），它实际上是一个捷联惯导系统，通过MIMU对弹丸飞行姿态进行检测，通过GPS对弹丸飞行轨迹进行检测，二者的组合可以更加精确地预报弹丸落点，并通过装在引信上的小型鸭舵，在弹道初始段就开始对弹道进行修正。在射程超过100km时，二维弹道修正引信能将误差减少为原来的1/10～1/3。

美国雷锡恩公司研制的127mmERGM-EX-171增程简易制导火箭弹，采用GPS/INS制导系统和鸭舵控制系统，发射加速度约为12500g，最大射程为63海里⁽²⁾，实现最大射程圆概率误差仅为16m。

英国也有类似的修正弹药计划，它的概念与美国的基本相同，由防务局和皇家军械公司开发。他们打算先把这种技术用在火箭增程弹上。英国宇航系统公司旗下的美国联合防御工业公司宣称，它已于2005年6月在尤马实验场成功地进行了二维弹道修正引信样弹的实弹射击演示，有能力在1年内将产品交付军方。这是二维弹道修正引信的首次亮相。

法国地面武器工业公司（GIAT）也在155mm弹上采用GPS定位研究弹道修正技术，德国、意大利、英国、法国四国联合在227mm多管火箭系统上研究弹道修正技术。

VIP和TV/BDA为师、旅级指挥官在延伸区域提供更精确的敌方阵地布防、军队装备、地形地貌等情况，这样可以极大地提高指挥官指挥的正确性，及时调整作战方案，采取必要的攻防措施，提高准确攻击敌人的能力，而且在继续攻击前还能准确评估战场杀伤情况。

VIP安装在弹体上，在弹丸飞行中，VIP收集它所飞越的地面图像，并将它转发到地面接收机。安装在引信部位的GPS转发器接收4颗以上的GPS卫星信号以确定弹的位置，从而可以确定目标的位置，并且将这些信息转发到地面接收机。最后，经过信息分析系统处理，VIP将目标及其位置输出到视频显示器上。VIP系统最终结构是将VIP电子侦察与GPS引信技术集成在一起，尽可能共用部件、减小体积，以提高可靠性。

TV/BDA是被设计成可在目标区域飘浮的视频侦察系统，它安装在远程野战炮弹体上。当弹丸飞行到预定位置，伞翼展开，视频摄像机进入飘浮状态，开始搜索目标，并向地面接收机发回彩色视频图像。为了精确确定目标坐标，系统中装有GPS转发器，一旦目标被证实，GPS给出目标位置。

此外，GPS技术还可用于防空导弹引信的脱靶量测量、飞行器的外弹道测量等。随着GPS技术的发展，GPS接收机性能越来越高，价格越来越低，体积越来越小，应用领域也越来越广。GPS技术在引信上的应用仅处于研制起步阶段，还有很大的研究空间。