海军武器工程简介

武器导航

全球职位系统

工作原理

GPS是一种基于卫星的导航系统。它使用每个卫星在大约1.5 GHz的数字信号发送到接收器的数据。然后，接收器可以从卫星和卫星的地理位置（GP）推导出其精确范围。GP是地球上直接在卫星下方的位置。这在地球上建立了一系列位置（左侧），如图1所示。

图1.位置线
从一个卫星从地球表面上。

第二个循环将提供两个可能的位置，如图2所示，第三个延迟将在地球上的单个位置解析。

图2.从两行修复
在地球表面（2-D模式）上的位置。

卫星的范围是通过接收信号的时间来确定的。卫星信号包括它发送的时间。通过将其与接收器时钟进行比较，可以确定时间延迟和因此范围。卫星包含精确的原子钟，并从主站更新。另一方面，典型的廉价GPS接收器不包含精确的原子钟。然而，来自第四卫星的信号可用于解决接收器时钟中的任何误差。结果，接收器获得准确的导航修复，包括高度，以及精确的时钟更新。

为了使系统工作，在接收器中必须至少有四个卫星在任何时候都可见。事实上，有21个操作卫星和三个备件，在大约20,000公里处的轨道上，每12小时圈出全球。粗略的计算将显示足够的。
假设21个卫星，均匀间隔4P.地球球体的斯特拉迪人。这给了大约4P /21 =每卫星0.6粒子。如果你能在任何时候看到♥天空，那就是P.斯特拉迪人，这将涉及P./ 0.6平均卫星。

系统组件

基本系统分为三个段：

图3.部分
全球定位系统。

基于间隔的段

基于空间的段由24个卫星组成。他们每12小时在地球周围旅行，海拔大约2万公里。卫星直接下方的位置被称为其地理位置。对于极地轨道，地理位置粗略地沿着特定的子午线传播。

图4.极性轨道。



各种卫星的轨道在55处间隔开O.间隔。典型的卫星如下所示。

图5. GPS卫星。




控制部门

主控制站（MCS）位于科罗拉多斯普林斯，并由空气运行。夏威夷，Kwajalein，Diego Garcia和科罗拉多州还有五个无人站点，它们跟踪卫星并将信息传递给MCS。Diego Gargcia，Kwajelein和Ascension有三个上行链路天线。
控制段跟踪卫星并更新其轨道参数和时钟。

用户部分

这些是GPS接收器。它们收到卫星传输并执行计算以确定位置，高度和时间输出。天线设计用于在1575.42（L1）或1227.60（L2）MHz处的圆极化卫星信号。下面将讨论这些信号之间的差异。该信号基本上由包含导航数据的50bps双极相移键合（BPSK）数字信号，该导航数据被承载在1,023MHz扩频信号上，该信号用于两个目的：

编码卫星的身份。

扩大信号带宽，从而减少了窄带源的干扰威胁。

表现

GPS系统在约53英尺的位置内准确。在位置，0.3 fps，速度为100 nsec。然而，为了拒绝精确的导航系统到可能的敌对力量，有意插入130至330英尺之间的任何地方的随机误差。降级的信号用于标准发出系统（SPS）。未经脉冲信号被称为PPS（精确定位系统），仅适用于政府批准的用户。PPS需要解密可用。
为了弥补注入的错误，在政府计划之外开发了一个系统，以衡量和正确的错误。这称为差分GPS或DGP。操作原理是，具有众所周知的位置的固定网站获得SPS修复，测量错误并将校正广播到其他DGPS用户。


应用程序

对于任何扩展范围武器系统，精确和连续定位信息都是宝贵的。可以预期使用PPS的GPS在所有平台，导弹，导游射弹，Sonobous等中使用......


惯性导航系统

工作原理

惯性导航基于基于频繁间隔的测量的加速度计算来自一些参考点的位置的差异的概念。为简单起见，考虑像列车向下移动轨道的距离一样的一维案例。假设火车最初以速度移动，v0.。如果我们考虑短时间间隔，D.T，火车将移动距离x = v0.D.在此期间。如果没有加速度，则可以在任何时间间隔内同样地发现覆盖的总距离。
如果火车加速，也许通过节气门位置的增加，速度将开始改变。可以设置算法以计算迭代行进的距离：

X = X.0.
v = V.0.

步骤1：x = x + vD.T.
第2步：测量a
第3步：v = v + aD.T.
第4步：重复步骤1

这样的程序很容易被计算机执行。所需要的只是一种可随时测量加速的方法。这样做的设备被称为加速度计。最简单的设计只不过是一个质量，在弹簧上沿运动方向定向，具有测量弹簧压缩的尺度。

图6.加速度计。

加速将导致弹簧压缩，直到匹配的力量加速度（召回f = ma）。弹簧的力是线性的，随着弹簧长度的变化，D.x，可以写成f = kD.x，其中k是弹簧常数。测量弹簧长度的变化，加速度可以通过以下计算：

a = K.D.x / m。

这种设计可以扩展到更多的自由度。最终，我们需要三次自由。我们需要有三个加速度计，每个方向一个。不幸的是，当物体改变方向时，安装在其上的加速度计将相对于外部参考框架改变方向。实际上，所使用的坐标系应该理想地是参考的惯性帧，这意味着它不会加速。对于导航，它很诱人参考一些基于地球的坐标系，如纬度和经度。然而，由于其旋转，该系统是非惯性的。事实上，地球表面上的任何点必须以0.03米/秒的内向加速2保持在位。幸运的是，这很容易通过重力实现。适当的参考系统可以是基于地的，其中一个轴平行于地球的轴线对齐，但它不能旋转。因此，基于恒星选择许多惯性帧，称为天体框架。
选择了适当的惯性参考帧，我们需要知道我们对象相对于惯性帧的方向。然后可以将来自加速度计的测量变换为参考帧。此后，可以执行先前的过程。也许实现这一目标的最简单方法是创建一个完美的万向节系统，这使得加速度计始终与参考框架面向导向，并允许对象环绕它。当然，由于摩擦，这是不可能的机械系统。早期系统使用复杂的陀螺系统来维持方向。该系统被称为稳定平台。它始终为加速度计提供适当的方向，无论其安装在其上的物体的运动如何。

图7.惯性导航
系统（INS）。

我们将讨论相对于惯性参考帧的维护或跟踪加速度计的方向的方法，但是现在，假设可以完成。考虑二维示例：在X-y平面中的运动。假设我们的主体通过角度逆时针旋转问：。

图8.旋转
参考范围。



我们的身体系统中的测量加速度x'-y'与参考框架相关：

一种X= A.X'COS.问：- 一种y'罪问：
一种y= A.X'罪Q.+ A.y'COS.q。

而不是将定向的加速度计保持在惯性参考框架，而是足以了解相对于惯性帧的方向。这可以通过环激光陀螺（RLG）来实现。单个RLG可以测量绕单个轴的旋转。三个RLG单位将衡量所有可能的旋转。RLG实际上测量旋转率。

图9.环激光陀螺仪。

中心的激光器为两个光束提供两个光束，一个顺时针和一个逆时针方向。每个光束将设置一个常设波，其中积分的波长数将适合在圆周中，P。如果系统不移动，则两个常设波模式都是相同的。条件是满意的

NL.= p，其中n = 1,2,3，...

频率将是f = c /L.照常。当系统旋转时，驻波将改变与多普勒偏移对应的频率。如果半径R环以角速度旋转，W.，然后多普勒班次是

D.f =W.r /L.。

正标志是逆时针（+）梁。因此，这两种模式总共有所不同

D.f = 2.W.r /湖

如果多普勒移位可以以极高的精度（它可以）测量，则可以始终知道角度旋转速率，这又可以集成以找到相对于惯性帧的方向角度。这当然必须为三个旋转自由度中的每一个来完成。方程式是：

（1）w=LD.F / 2R.
（2）Q=W.DT.



这是完整的RLG惯性导航系统的图片：

图10.典型的RLG
INS。