專利名稱：全球定位系統(tǒng)制導(dǎo)的軍火的制作方法
本專利申請(qǐng)是一美國(guó)專利申請(qǐng)的繼續(xù)申請(qǐng)，該美國(guó)專利序列號(hào)為08/806,685，申請(qǐng)日為1997年2月27日，名稱為民用GPS接收機(jī)的飛行精度增強(qiáng)(ON-THE-FLY ACCURACY ENHANCEMENT FOR CIVIL GPSRECEIVERS)，本文參考了該發(fā)明申請(qǐng)的內(nèi)容。
本發(fā)明總體上涉及軍火，例如炸彈或類似物，尤其涉及利用軍火自身內(nèi)低成本民用GPS接收機(jī)的GPS制導(dǎo)軍火，以便提供造價(jià)低的武器系統(tǒng)。差轉(zhuǎn)GPS(DGPS)校正過程用于提高GPS制導(dǎo)軍火的準(zhǔn)確性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，設(shè)有售后服務(wù)(aftermarket)尾翅箱，以便于將現(xiàn)有非制導(dǎo)軍火簡(jiǎn)單廉價(jià)地轉(zhuǎn)換為GPS制導(dǎo)軍火。自主操作的炸彈控制器免除了對(duì)飛機(jī)進(jìn)行昂貴修改的需要。
在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用空投軍火是眾所周知的。這種軍火通常包括充以炸藥的管狀外殼，具有用于引爆炸藥的碰炸引信和雷管的頭部，以及在其正常飛行期間穩(wěn)定軍火的垂尾，使得用其頭部擊中目標(biāo)，從而確保適當(dāng)引爆。這種空投軍火的使用是戰(zhàn)爭(zhēng)中的一大進(jìn)步，便于摧毀敵方目標(biāo)，同時(shí)減小了人員的意外傷亡和/或軍事設(shè)施的損壞。
但是，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，為了有效摧毀既定目標(biāo)，一般必須以極高準(zhǔn)確性投放現(xiàn)有軍火或者投放極大量的現(xiàn)有軍火。因此，通常需要從低空投放這種軍火或者投放大量的軍火，這是所不期望的。從低于可取高度投放現(xiàn)有軍火使飛機(jī)和機(jī)組易遭受高射炮和地對(duì)空導(dǎo)彈襲擊的危險(xiǎn)。由于低空飛行縮小了目標(biāo)范圍(飛機(jī)高度)，所以提高了高射炮和地對(duì)空導(dǎo)彈的準(zhǔn)確性。由于這個(gè)原因，低空轟炸非常危險(xiǎn)，也極少采用。當(dāng)然，投放大量的軍火費(fèi)用昂貴、耗費(fèi)時(shí)間，也是不期望的，并且使飛機(jī)和機(jī)組重復(fù)地暴露在例如高射炮和地對(duì)空導(dǎo)彈這樣的防空武器系統(tǒng)的范圍內(nèi)。
因此，為了彌補(bǔ)這種現(xiàn)有軍火從足夠高度投放時(shí)所固有的準(zhǔn)確性的缺乏，以便降低高射炮和/或地對(duì)空導(dǎo)彈的有效性，必須投放大量的軍火。這樣做是為了將這種大量的現(xiàn)有軍火投向目標(biāo)，從而彌補(bǔ)這種高空轟炸的低準(zhǔn)確性，提高摧毀目標(biāo)的準(zhǔn)確性。
為了克服現(xiàn)有軍火在可靠摧毀地面目標(biāo)方面的缺陷，尤其在從高空投彈時(shí)，已經(jīng)開發(fā)出智能軍火。這種智能軍火利用制導(dǎo)及飛行控制系統(tǒng)操縱軍火到達(dá)既定目標(biāo)。制導(dǎo)系統(tǒng)基于軍火當(dāng)前位置和目標(biāo)位置為控制表面提供控制信號(hào)，使得控制表面操縱軍火投向目標(biāo)。這種制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)公知原理運(yùn)行，通常利用激光制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)和/或雷達(dá)這樣的技術(shù)。這樣，飛機(jī)以足夠高度飛行，這種制導(dǎo)軍火便于可靠摧毀敵方目標(biāo)，從而降低了高射炮和/或地面發(fā)射導(dǎo)彈的有效性，也減小了軍火的數(shù)量。
使用全球定位系統(tǒng)(GPS)將不同軍火導(dǎo)向既定目標(biāo)也是公知的。多個(gè)GPS衛(wèi)星星座正處于實(shí)施或計(jì)劃階段，以便為地球表面上任何一處的適當(dāng)接收機(jī)或站提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。其中，這些GPS系統(tǒng)是U.S.政府操縱的衛(wèi)星導(dǎo)航定時(shí)及定向全球定位系統(tǒng)“NAVSTAR GPS”，由前蘇聯(lián)政府計(jì)劃的“GLONASS”系統(tǒng)以及目前處于開發(fā)中的已知的兩個(gè)歐洲系統(tǒng)“NAVSAT”和“GRANAS”。為描述簡(jiǎn)明起見，以下描述和公開的內(nèi)容主要集中在NAVSTAR GPS的特征和使用上，但可以理解，本發(fā)明同樣適用于其他全球定位系統(tǒng)。
美國(guó)政府操縱的NAVSTAR GPS設(shè)計(jì)為在六個(gè)獨(dú)立的圓形軌道中的每個(gè)軌道上有四顆進(jìn)入軌道的GPS衛(wèi)星，組成共24顆GPS衛(wèi)星，有21顆是運(yùn)作的，3顆是備用的。衛(wèi)星軌道既不是極的(polar)也不是赤道的(equatorial)，而是在相互傾斜的平面中，每顆衛(wèi)星大約每12小時(shí)繞地球軌道一次，地球旋轉(zhuǎn)一次，正好完成兩次繞軌道運(yùn)行。通過這種排布，全世界一天24小時(shí)在同一地域內(nèi)至少有四顆衛(wèi)星出現(xiàn)。在任何給定時(shí)間，每顆衛(wèi)星的位置是精確已知的，導(dǎo)航信號(hào)連續(xù)發(fā)送到地球，提供表示衛(wèi)星的空間位置相對(duì)于時(shí)間(GPS時(shí)間)的位置信息。該位置信息稱為位置推算歷數(shù)據(jù)。除了位置推算歷數(shù)據(jù)之外，每顆衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)包括對(duì)發(fā)送信號(hào)的精確時(shí)間的指示。因此，利用該時(shí)間指示可以確定導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)和發(fā)射衛(wèi)星之間的距離或范圍通過1)記錄下接收機(jī)接收信號(hào)的時(shí)間，2)計(jì)算傳播時(shí)間延遲，即發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間之差，以及3)用信號(hào)傳播速度乘以延遲。這樣確定的結(jié)果得出從發(fā)射衛(wèi)星到接收機(jī)的“偽距”。范圍稱為“偽距”其原因是由于例如接收機(jī)時(shí)鐘未與GPS時(shí)間精確同步以及由于其通過大氣傳播而將延遲引入導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)間這樣的因素而出現(xiàn)不準(zhǔn)確。這些不準(zhǔn)確分別導(dǎo)致時(shí)鐘偏差(誤差)和大氣偏差(誤差)，時(shí)鐘偏差可能大到幾毫秒。無論如何，利用來自至少四顆衛(wèi)星的用于導(dǎo)航信號(hào)的兩條信息，即位置推算歷數(shù)據(jù)和偽距，則可以利用被動(dòng)三角測(cè)量技術(shù)確定接收機(jī)相對(duì)于地球中心的位置和時(shí)間。
關(guān)于NAVSTAR GPS更詳細(xì)的討論見B.W.Parkinson和S.W.Gilbert在IEEE學(xué)報(bào)Vo..71，No.10，October 1983上的文章“NAVISTARGlobal Positioning System-Ten Years Later″，以及教科書“GPSA Guide to the Next Utility”，Trimble NavigationLtd.出版，Sunnyvale，Calif.，1989，pp.1-47，本文參考這兩篇文章的內(nèi)容。
NAVSTAR GPS預(yù)想了用于傳播偽距信號(hào)的載波的兩種代碼調(diào)制類型。在第一種類型中，“粗略/探測(cè)”(“Coarse/Acquisition″)碼，通過“C/A信號(hào)”調(diào)制載波，稱作C/A碼，也稱為“標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)”(SPS)。第二種調(diào)制類型通常稱為“精確”或“保護(hù)的”(P)碼，也稱為“精確定位服務(wù)”(PPS)。P-碼的加密版，即，Y-碼，僅美國(guó)政府特殊授權(quán)的地面接收機(jī)才能使用，使得Y-碼序列是保密的，不公開使用。這迫使更多的NAVSTAR GPS用戶只能依靠通過C/A碼調(diào)制所提供的數(shù)據(jù)，遺憾的是，這導(dǎo)致了較不準(zhǔn)確的定位系統(tǒng)。而且，美國(guó)政府通過改變時(shí)鐘參數(shù)將誤差引入正從GPS衛(wèi)星發(fā)射的C/A碼GPS信號(hào)中來選擇性地破壞GPS數(shù)據(jù)，即，用于一顆或多顆衛(wèi)星的時(shí)鐘參數(shù)被稍微或完全修改了，例如通過故意使衛(wèi)星時(shí)鐘的相位和頻率抖動(dòng)，這實(shí)際上就是所知的“選擇性的可用性”(″selective availability″)或簡(jiǎn)稱SA。SA可以由于不同原因而被啟動(dòng)，例如，國(guó)防部可以為了國(guó)家安全而啟動(dòng)它。當(dāng)SA被啟動(dòng)時(shí)，美國(guó)政府仍然能使用NAVSTAR GPS，因?yàn)樗袡?quán)使用補(bǔ)償裝置以消除SA影響。但是，未被補(bǔ)償?shù)腃/A碼數(shù)據(jù)使準(zhǔn)確性下降，即被降級(jí)了。鑒于前述區(qū)別，C/A碼調(diào)制接收機(jī)稱為“民用”接收機(jī)或設(shè)備，Y-碼調(diào)制接收機(jī)稱為軍用接收機(jī)或設(shè)備。為了具有普遍性，本文所說的“民用”接收機(jī)指變化的或準(zhǔn)確性降級(jí)的GPS接收機(jī)或設(shè)備，“軍用”接收機(jī)指精確準(zhǔn)確性的GPS接收機(jī)或設(shè)備。
在GPS的很多應(yīng)用中，盡管用戶有權(quán)使用能提供精確定位服務(wù)(PPS)準(zhǔn)確性的密碼密鑰，仍希望使用民用GPS接收機(jī)來降低成本和復(fù)雜性，例如在移動(dòng)的或消耗性的運(yùn)輸工具中的民用接收機(jī)。這對(duì)消耗性運(yùn)輸工具或從某種形式的發(fā)射車輛發(fā)射武器尤其理想。如果用戶被授權(quán)PPS，則可以在發(fā)射車輛上裝備軍用GPS接收機(jī)，它比消耗性運(yùn)輸工具中的民用設(shè)備準(zhǔn)確性高得多。
差轉(zhuǎn)GPS(DGPS)校正過程可用于高準(zhǔn)確性民用GPS應(yīng)用，該過程使用固定的已測(cè)定的天線坐標(biāo)并請(qǐng)求幾乎實(shí)時(shí)地來自地面站的校正。典型的民用GPS接收機(jī)本身存在準(zhǔn)確性局限，這主要由于前面所提及的美國(guó)國(guó)防部將故意降級(jí)引入信號(hào)中造成的，這種局限性可以通過DGPS過程來消除。民用GPS接收機(jī)準(zhǔn)確性，以上通常稱為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)或SPS，沒有差動(dòng)校正，其精度好于100米。而某些準(zhǔn)確性局限性是由于僅使用一種頻率(這由于電離層延遲而妨礙了對(duì)誤差的測(cè)量)以及由于使用粗略/探測(cè)(Coarse/Acquisition)碼而不使用更為準(zhǔn)確的精確P(Y)碼，導(dǎo)致準(zhǔn)確性局限性的主要原因是故意使衛(wèi)星時(shí)鐘的相位和頻率高頻抖動(dòng)，即SA。軍用設(shè)備通過算法消除了SA誤差，所述算法利用只有通過使用密碼密鑰而得以授權(quán)的用戶才可以得到的數(shù)據(jù)。此外，軍用接收機(jī)的用戶可以追蹤允許測(cè)量和補(bǔ)償電離層延遲的第二種頻率。
盡管當(dāng)這種制導(dǎo)軍火從高空投放時(shí)非常準(zhǔn)確且能極其有效地摧毀敵方地面目標(biāo)，但它們確實(shí)存在費(fèi)用昂貴的固有缺陷。不僅制導(dǎo)軍火本身比常規(guī)的即非制導(dǎo)軍火貴，而且為了適應(yīng)制導(dǎo)軍火，必須對(duì)運(yùn)送軍火的飛機(jī)進(jìn)行廣泛且十分昂貴的修改。通常，駕駛艙內(nèi)需要附加的航空電子設(shè)備和控制設(shè)備，必須從駕駛艙為炸彈架或支架提供布線，必須為制導(dǎo)軍火提供武器專用的電氣和機(jī)械接口。因?yàn)樗鼈兒馨嘿F，所以這種制導(dǎo)軍火通常保留起來，僅在摧毀具有極高戰(zhàn)略價(jià)值的目標(biāo)時(shí)才使用。
鑒于前述內(nèi)容，希望提供一種軍火，例如空降軍火，所述軍火與常規(guī)軍火相比準(zhǔn)確性提高了，而且成本遠(yuǎn)不如制導(dǎo)軍火那么昂貴。
本發(fā)明克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。更具體地說，本發(fā)明包括用于炸彈這樣的軍火的尾翅組件。如本文所使用的，術(shù)語軍火包括炸彈、導(dǎo)彈、炮彈或類似物。尾翅組件包括用于縛接軍火的外殼；至少一個(gè)飛行控制表面；引起飛行控制表面移動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便于軍火的制導(dǎo)；以及控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制導(dǎo)系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的全球定位系統(tǒng)(GPS)。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，制導(dǎo)系統(tǒng)包括民用GPS接收機(jī)。尾翅組件還包括從飛機(jī)接收控制信號(hào)的無線電接收機(jī)。優(yōu)選地，飛行控制表面包括至少三個(gè)垂尾，最好四個(gè)垂尾。
此外，本發(fā)明包括包含飛機(jī)的武器系統(tǒng)?？`接到飛機(jī)的可投放軍火，其中軍火包括上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制導(dǎo)系統(tǒng)，以及與軍火電通信的炸彈控制器，以便為軍火提供提高軍火的GPS系統(tǒng)準(zhǔn)確性的制導(dǎo)信息。
炸彈控制器包括準(zhǔn)確性高于軍火的GPS接收機(jī)的GPS接收機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，炸彈控制器包括軍用GPS接收機(jī)，軍火包括民用GPS接收機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)，炸彈控制器既包括軍用GPS接收機(jī)又包括民用GPS接收機(jī)，軍火僅包括民用GPS接收機(jī)。
如果炸彈控制器僅包括軍用GPS接收機(jī)，則通過在投彈時(shí)從軍用GPS接收機(jī)為GPS制導(dǎo)軍火提供更準(zhǔn)確的位置信息提高了GPS制導(dǎo)軍火的準(zhǔn)確性，從而提高了其制導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
如果炸彈控制器既包括軍用GPS接收機(jī)又包括民用GPS接收機(jī)，則產(chǎn)生反映軍用GPS接收機(jī)指示的位置和民用GPS接收機(jī)指示的位置之間差別的偏移或誤差信號(hào)，然后將這些偏移發(fā)送到GPS制導(dǎo)軍火，從而提高了其準(zhǔn)確性。
或者，如果炸彈控制器僅包含軍用GPS接收機(jī)，則任選地可以相對(duì)于GPS制導(dǎo)軍火的民用GPS接收機(jī)產(chǎn)生這些偏移，然后通過炸彈控制器將這些偏移提供給GPS制導(dǎo)軍火。
本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火可以配備尾翅箱，作為售后服務(wù)附件加到現(xiàn)有軍火例如MK82500磅炸彈上使用?；蛘弑景l(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火包括具有與本發(fā)明的GPS制導(dǎo)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)整體形成的炸彈或其他軍火。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，當(dāng)本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火配備尾翅箱時(shí)，則必須去掉如MK82500磅炸彈這樣的軍火的原始尾翅，帶之以本發(fā)明的尾翅箱。
炸彈控制器包括無線電發(fā)射器，軍火包括無線電接收機(jī)，使得炸彈控制器能將控制和制導(dǎo)信息發(fā)送到GPS制導(dǎo)軍火而無須修改飛機(jī)，即昂貴的布線等。任選地，GPS制導(dǎo)軍火包括發(fā)射信息的無線電發(fā)射器，發(fā)送信息例如將準(zhǔn)備信號(hào)從GPS制導(dǎo)軍火發(fā)送到炸彈控制器。在本例中，當(dāng)然炸彈控制器必須包括接收這種信息的接收機(jī)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，炸彈控制器包括完全自主的設(shè)備，自主設(shè)備不需電源或和飛機(jī)有任何連接，這在不需要修改飛機(jī)的情況下進(jìn)一步方便了本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火的使用。因此，只要將軍火加載到機(jī)械兼容架或炸彈投放機(jī)構(gòu)上且將炸彈控制器提供給飛行員或另一機(jī)組人員，最好綁到機(jī)組人員的腿上，就可以將本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火與現(xiàn)有的各種不同飛機(jī)一起使用。因此，不需對(duì)飛機(jī)進(jìn)行電氣或機(jī)械修改。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，GPS制導(dǎo)軍火還包括慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)檢測(cè)GPS制導(dǎo)軍火滾轉(zhuǎn)姿態(tài)變化的滾轉(zhuǎn)角速度(rollrate)陀螺儀，以便于適當(dāng)?shù)娘w行控制。
根據(jù)本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火的另一結(jié)構(gòu)，GPS制導(dǎo)軍火包括兩個(gè)用于GPS制導(dǎo)軍火的民用GPS接收機(jī)的天線。在GPS制導(dǎo)軍火的兩個(gè)不同垂尾的每個(gè)上個(gè)放置一個(gè)天線，開關(guān)電路將GPS接收機(jī)依次交替地與兩個(gè)天線中的每個(gè)天線連接。因此，使用兩個(gè)天線便于確定軍火的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，從而避免了對(duì)滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀的需要。
本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)通過以下描述和附圖將變的更為明顯?？梢岳斫猓诓槐畴x本發(fā)明主題和權(quán)利要求范圍的情況下可以對(duì)所示和所述的特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。


圖1示出了飛機(jī)正在向目標(biāo)投放軍火，其中，通過軍用GPS接收機(jī)連續(xù)更新飛機(jī)位置，通過飛機(jī)的軍用GPS接收機(jī)連續(xù)更新軍火位置直至發(fā)射，此后通過所包含的民用GPS接收機(jī)更新；圖2示出了單架飛機(jī)向單個(gè)目標(biāo)投放多枚軍火，還示出了單架飛機(jī)對(duì)多個(gè)目標(biāo)投放單枚軍火；圖3示出了安裝有GPS制導(dǎo)軍火的飛機(jī)，其中，根據(jù)本發(fā)明軍火包括尾翅箱，還示出了綁到機(jī)組人員腿上的自主炸彈控制器；圖4是飛機(jī)的側(cè)視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例裝載在其上的GPS制導(dǎo)軍火，即炸彈；圖5是示意圖，根據(jù)本發(fā)明示出了檢驗(yàn)及測(cè)試、任務(wù)數(shù)據(jù)裝載、以及GPS制導(dǎo)軍火的飛行；圖6是方框圖，示出了放置在帶有GPS制導(dǎo)軍火的尾翅箱的飛機(jī)內(nèi)的炸彈控制器的相互作用；圖7是方框圖，示出了本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火與配備總線的飛機(jī)的兼容性；圖8是方框圖，示出了本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火的導(dǎo)航系統(tǒng)；圖9是流程圖，示出了利用本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火的典型任務(wù)所涉及的步驟；圖10是流程圖，示出了本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火的發(fā)射準(zhǔn)備；圖11是本發(fā)明炸彈控制器的頂視圖，示出了其控制與顯示；圖12是本發(fā)明炸彈控制器的方框圖；圖13是本發(fā)明炸彈控制器初始化的流程圖；圖14是部分透視圖，示出了本發(fā)明的尾翅箱(TK10)，包括其制導(dǎo)和飛行控制元件；圖15是本發(fā)明的尾翅箱的基線框圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的尾翅箱的操作流程圖；以及圖17是根據(jù)本發(fā)明的尾翅箱的導(dǎo)航設(shè)備的方框圖，示出了其卡爾曼(Kalman)濾波器。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，所述實(shí)施例不是構(gòu)成或應(yīng)用本發(fā)明的唯一形式。本說明書結(jié)合圖示實(shí)施例提出了構(gòu)成和實(shí)施本發(fā)明的操作和步驟順序。但應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用落在本發(fā)明主題和范圍內(nèi)的不同實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)同樣或等效的功能。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，尾箱包括便于在投彈后調(diào)遣軍火的民用GPS接收機(jī)。通過由設(shè)置在飛機(jī)內(nèi)的軍用GPS接收機(jī)提供位置更新和/或誤差信號(hào)增強(qiáng)了GPS制導(dǎo)軍火(具有民用GPS接收機(jī))的準(zhǔn)確性。軍用GPS接收機(jī)最好設(shè)置在炸彈控制器內(nèi)，炸彈控制器最好綁在機(jī)組人員的腿上，以便避免對(duì)飛機(jī)進(jìn)行昂貴的改進(jìn)的需要。
圖1-17示出了本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火，圖中描繪了目前本發(fā)明的最佳實(shí)施例。參考圖1，在與轟炸任務(wù)有關(guān)的A，B，C和D四個(gè)不同位置示出了飛機(jī)10，根據(jù)本發(fā)明，飛機(jī)10具有炸彈控制器(BCU，如圖3所示)設(shè)置在駕駛間內(nèi)，并載有至少一個(gè)GPS制導(dǎo)軍火。在所示位置A上的飛機(jī)10處于待命期間，在此期間，將適當(dāng)?shù)能娪肎PS代碼載入炸彈控制器中。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，必須提供加密密鑰，以便軍用GPS接收機(jī)能正常工作。目標(biāo)坐標(biāo)和炸彈類型通常也在待命期間載入BCU中。此時(shí)，如果需要的話，可以將目標(biāo)坐標(biāo)從炸彈控制器傳遞給炸彈?；蛘?，一般也可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)將目標(biāo)坐標(biāo)直接載入軍火。
位置B上的飛機(jī)10處于GPS捕獲階段，在該階段中，它接收軍用精度GPS數(shù)據(jù)以便精確定位。這通常發(fā)生在大于或等于25分鐘的到達(dá)目標(biāo)時(shí)間(TOT)。此時(shí)，飛機(jī)10內(nèi)的軍用GPS接收機(jī)和GPS制導(dǎo)軍火12內(nèi)的民用GPS接收機(jī)都從GPS衛(wèi)星14接收位置更新(為簡(jiǎn)明起見，圖1中僅示出了一個(gè)GPS衛(wèi)星)。
位置C上的飛機(jī)10處于發(fā)射前狀態(tài)，這一狀態(tài)通常出現(xiàn)在軍火投放前的大約2-3分鐘。此時(shí)，炸彈控制器計(jì)算CCRP(連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn))、CCIP(連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn))以及飛機(jī)定位和航向提示。必要的話，更新目標(biāo)坐標(biāo)。
在發(fā)射前期間，飛行員需要飛到CCRP/線路和保持水平飛行，即滾轉(zhuǎn)小于或等于5度。
由于投彈時(shí)飛機(jī)10的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)影響GPS制導(dǎo)軍火12投放時(shí)的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，以及由于GPS制導(dǎo)軍火12投放后的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)影響其準(zhǔn)確性，因此希望使?jié)L轉(zhuǎn)達(dá)到最小。
由于必須利用其不同的飛行控制表面將GPS制導(dǎo)軍火12引向目標(biāo)，GPS制導(dǎo)軍火12的準(zhǔn)確度受滾轉(zhuǎn)影響，取決于GPS制導(dǎo)軍火12的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。即，通常，GPS制導(dǎo)軍火12處于第一滾轉(zhuǎn)姿態(tài)時(shí)為使GPS制導(dǎo)軍火12正確轉(zhuǎn)動(dòng)所利用的垂尾不同于GPS制導(dǎo)軍火12處于第二滾轉(zhuǎn)姿態(tài)時(shí)所利用的垂尾。盡管GPS制導(dǎo)軍火12的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)受到基本慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)視，基本慣性制導(dǎo)系統(tǒng)最好包括滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，使用這種慣性制導(dǎo)系統(tǒng)引入了不期望的附加誤差。因此，為了減小這種附加誤差，希望飛機(jī)10在發(fā)射時(shí)保持水平姿態(tài)。通過這種方式，降低了GPS制導(dǎo)軍火12的制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀的依賴，從而準(zhǔn)確制導(dǎo)。
在發(fā)射艙18中，從飛機(jī)10投放一個(gè)或多個(gè)GPS制導(dǎo)軍火12。由于軍火12的GPS制導(dǎo)所提供的附加準(zhǔn)確度，可以在更高的高度投放GPS制導(dǎo)軍火12，同時(shí)保持期望的準(zhǔn)確度。這種高空投放制導(dǎo)軍火12增加了機(jī)組和飛機(jī)10的安全性，從而增強(qiáng)了任務(wù)成功率。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，實(shí)際上在不太增加成本的情況下提高了軍火的準(zhǔn)確度。這是通過利用民用GPS接收機(jī)(圖6中的74)和GPS制導(dǎo)軍火12來完成的。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，民用GPS接收機(jī)比軍用GPS接收機(jī)便宜。因此，盡管軍用GPS接收機(jī)增加了GPS制導(dǎo)軍火的準(zhǔn)確度，但根據(jù)本發(fā)明的方法通過利用民用GPS接收機(jī)也能獲得足夠的準(zhǔn)確度，在本發(fā)明中，通過保持與炸彈控制器中軍用GPS接收機(jī)的通信，提高了民用GPS接收機(jī)的準(zhǔn)確度，下面將詳細(xì)描述。
由此，GPS制導(dǎo)軍火12在使用不準(zhǔn)確的非制導(dǎo)重力軍火即炸彈和使用昂貴的制導(dǎo)軍火如激光制導(dǎo)的智能軍火之間提供了期望的折衷。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，使用非制導(dǎo)炸彈肯定要用更多數(shù)量的的炸彈，通常需要類別號(hào)更大的炸彈來保證摧毀目標(biāo)。使用非制導(dǎo)軍火還需要更危險(xiǎn)的低空投彈，以便保證摧毀目標(biāo)。
使用智能炸彈這樣的制導(dǎo)軍火的成本是非常高的，因此通常儲(chǔ)備起來，僅在摧毀最重要目標(biāo)時(shí)才使用。
本發(fā)明在成本和有效性之間提供期望的折衷。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)軍火進(jìn)行低成本改進(jìn)和使用不需改進(jìn)飛機(jī)的炸彈控制器提高了軍火的準(zhǔn)確度，從而減小了有效破壞期望目標(biāo)所需的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，在發(fā)射前階段提供連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn)(CCIP)。當(dāng)連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn)與目標(biāo)重合時(shí)，則投放期望的GPS制導(dǎo)軍火。以這種方式，GPS制導(dǎo)軍火12的彈道是使得只需對(duì)軍火12的GPS制導(dǎo)系統(tǒng)作最小校正來保證準(zhǔn)確擊中目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，手動(dòng)投放GPS制導(dǎo)軍火12，即通過驅(qū)動(dòng)投彈開關(guān)，以便避免對(duì)飛機(jī)進(jìn)行昂貴修改的需要。但是，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，如果希望的話，通過在飛機(jī)的電子-機(jī)械炸彈投放機(jī)構(gòu)和炸彈控制器24之間提供電通信也可以自動(dòng)投放GPS制導(dǎo)軍火12。
對(duì)于這一高空發(fā)射來說，到達(dá)目標(biāo)時(shí)間(TOT)通常為0.5-1.0分鐘。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，炸彈控制器為投彈提供倒數(shù)計(jì)秒。如上所述，當(dāng)連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn)(CCIP)與目標(biāo)重合時(shí)，軍火可以通過機(jī)組人員手動(dòng)投放，也可以通過炸彈控制器自動(dòng)投放。
一旦投放，軍火12的GPS制導(dǎo)系統(tǒng)將軍火12導(dǎo)向目標(biāo)20。因此，投彈時(shí)間、風(fēng)向等不會(huì)象非制導(dǎo)軍火情況那樣導(dǎo)致本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火12擊不中目標(biāo)。
此時(shí)，飛機(jī)10可以在飛行期間任選地從地面發(fā)射機(jī)(未示出)或從另一飛機(jī)16接收目標(biāo)更新。這種飛行中的目標(biāo)更新可以傳遞給機(jī)組人員，然后機(jī)組人員通過炸彈控制器將更新的目標(biāo)傳遞給GPS制導(dǎo)軍火，可以用不同的加密和/或鑒定方法識(shí)別發(fā)射機(jī)的權(quán)限，從而改變GPS制導(dǎo)軍火的目標(biāo)坐標(biāo)。當(dāng)然，在一個(gè)飛機(jī)上可以載有不只一個(gè)本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火。在這種情況下，最好用一個(gè)單個(gè)的炸彈控制器為每個(gè)GPS制導(dǎo)軍火提供接口。但如果需要的話，也可以任選地利用兩個(gè)或多個(gè)不同炸彈控制器。
參考圖2，示出了通過單個(gè)飛機(jī)10向單一目標(biāo)20投放多個(gè)GPS制導(dǎo)軍火12和通過單個(gè)飛機(jī)10向多個(gè)目標(biāo)20a-20c投放多個(gè)GPS制導(dǎo)軍火12。使用根據(jù)本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火便于通過由單個(gè)飛機(jī)10投放的多個(gè)GPS制導(dǎo)軍火12準(zhǔn)確轟炸單個(gè)目標(biāo)20。由于GPS制導(dǎo)軍火12的GPS制導(dǎo)系統(tǒng)校正由在對(duì)應(yīng)于不同的連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn)(CCIP’s)的不同時(shí)間投彈引入的軍火12的彈道誤差，提高了GPS軍火的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火還便于在單程或軍火運(yùn)行過程中準(zhǔn)確轟炸多目標(biāo)。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，當(dāng)要轟炸多個(gè)間隔緊密的目標(biāo)時(shí)，通常需要安排多次行程，以便為準(zhǔn)確地一個(gè)一個(gè)單獨(dú)地投放軍火提供必要的時(shí)間。但是，當(dāng)利用本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火時(shí)，則投放軍火的準(zhǔn)確性不太至關(guān)重要了，原因是GPS制導(dǎo)系統(tǒng)補(bǔ)償了這種誤差。因此，可以投放多個(gè)這種GPS制導(dǎo)軍火12，一個(gè)一個(gè)單獨(dú)地將獨(dú)立的GPS制導(dǎo)軍火12分別導(dǎo)向它們的目標(biāo)20a-20c。這減少了摧毀多個(gè)間隔緊密的目標(biāo)所需的炸彈數(shù)量，從而增加了機(jī)組和飛機(jī)的存活性。
參考圖3，GPS制導(dǎo)軍火最好包括其上安裝有尾翅箱22的炸彈。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，尾翅箱是特別為縛接MK82/EU2500磅炸彈而設(shè)計(jì)的。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，M82/EU2是標(biāo)準(zhǔn)軍火，在世界大范圍內(nèi)通用。因此，本發(fā)明的尾翅箱22為將標(biāo)準(zhǔn)500磅炸彈轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)準(zhǔn)確的武器提供了一種低成本、易于使用的裝置。
BCU24包括一便攜、獨(dú)立的設(shè)備，該設(shè)備最好通過帶28縛接到機(jī)組人員例如飛行員26身上，最好是一條腿上。這樣，將炸彈控制器24定位，以便容易讀取其顯示器30的讀數(shù)和容易使用。
炸彈控制器24包括GPS天線32，以便于通過其內(nèi)設(shè)置的軍用GPS接收機(jī)對(duì)GPS制導(dǎo)軍火12進(jìn)行準(zhǔn)確的位置更新。炸彈控制器24還包括與GPS制導(dǎo)軍火的通信鏈接34，以便于增強(qiáng)其制導(dǎo)系統(tǒng)，它包括民用GPS接收機(jī)，以便于其控制，例如投彈。
鍵盤38便于鍵入目標(biāo)坐標(biāo)、控制代碼等。任選地，炸彈控制器24還包括KYK-13輸入36，以便于使用軍用GPS接收機(jī)所需的加密密鑰的輸入。軍火I.D.開關(guān)40最好包括選擇器開關(guān)，以選擇裝在飛機(jī)10上的多個(gè)軍火中的那些將在特定時(shí)間進(jìn)行通信。這樣，例如飛行員26簡(jiǎn)單地將軍火I.D.開關(guān)40設(shè)置到期望的GPS制導(dǎo)軍火12，并輸入其中的目標(biāo)坐標(biāo)。
優(yōu)選地，當(dāng)GPS制導(dǎo)軍火12在地面上時(shí)，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)42測(cè)試尾翅箱22。如果愿意的話，也可以利用個(gè)人計(jì)算機(jī)42將目標(biāo)坐標(biāo)加載到尾翅箱22的制導(dǎo)系統(tǒng)上。
參考圖4，飛機(jī)10具有GPS天線44，GPS天線44可以是炸彈控制器24的一部分，也可以與它分開并機(jī)械地縛接到飛機(jī)10的一部分和通過導(dǎo)線連接到炸彈控制器24。類似地，炸彈控制器射頻鏈接天線46可以是炸彈控制器24的一部分，也可以縛接到飛機(jī)10，然后通過導(dǎo)線連接到炸彈控制器24。
GPS制導(dǎo)軍火12同樣包括GPS天線48和炸彈控制器射頻鏈接天線50。炸彈控制器的GPS天線44便于其上軍用和民用接收機(jī)的操作。其GPS接收機(jī)和GPS制導(dǎo)軍火12的GPS天線48便于其民用GPS接收機(jī)的操作。飛機(jī)10的炸彈控制器射頻鏈接天線46和GPS制導(dǎo)軍火12的炸彈控制器射頻鏈接天線50便于炸彈控制器24與GPS制導(dǎo)軍火12通信。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，炸彈控制器包括軍用GPS接收機(jī)和民用GPS接收機(jī)，這兩個(gè)接收機(jī)共用一個(gè)GPS天線，從而容易計(jì)算出軍用GPS接收機(jī)和民用GPS接收機(jī)之間的差或誤差，然后發(fā)送到GPS制導(dǎo)軍火12。在本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)中，在炸彈控制器24中僅包含軍用GPS接收機(jī)，計(jì)算軍用GPS接收機(jī)和GPS制導(dǎo)軍火12的民用GPS接收機(jī)之間的誤差。
參考圖5，圖中進(jìn)一步詳細(xì)示出了GPS制導(dǎo)軍火12的檢驗(yàn)及測(cè)試52、任務(wù)數(shù)據(jù)裝載54和飛行56的功能。檢驗(yàn)及測(cè)試52包括從電源58為GPS制導(dǎo)軍火12提供能量，從個(gè)人計(jì)算機(jī)42為GPS制導(dǎo)軍火12提供目標(biāo)和/或控制信號(hào)。炸彈控制器24與個(gè)人計(jì)算機(jī)42進(jìn)行通信，從炸彈控制器24為個(gè)人計(jì)算機(jī)42提供聲頻鏈接，以檢驗(yàn)炸彈控制器24聲頻輸出的正確操作。在測(cè)試期間，聲頻鏈接最好提供可聽音來向機(jī)組人員26指示不同的狀態(tài)，例如連續(xù)計(jì)算的彈著點(diǎn)(CCIP)的開始、武器投放以及模仿武器彈著。在投彈前，當(dāng)有必要平穩(wěn)飛行時(shí)，通常利用聲頻鏈接向飛行員發(fā)出指示，從而執(zhí)行滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀的校準(zhǔn)，也使投放時(shí)GPS制導(dǎo)軍火的滾轉(zhuǎn)最小。
在任務(wù)數(shù)據(jù)裝載54期間，通過鍵盤輸入或從軟盤、網(wǎng)絡(luò)等預(yù)先接收到任務(wù)數(shù)據(jù)的個(gè)人計(jì)算機(jī)42很容易將任務(wù)數(shù)據(jù)載入炸彈控制器24。任選地，個(gè)人計(jì)算機(jī)42直接將任務(wù)數(shù)據(jù)加載到GPS制導(dǎo)軍火12。
在飛行56期間，GPS制導(dǎo)軍火12通過GPS天線48接收民用GPS位置數(shù)據(jù)，GPS天線48將GPS信號(hào)提供給GPS制導(dǎo)軍火12內(nèi)的民用GPS接收機(jī)并且還接收無線電信號(hào)，最好是來自炸彈控制器24的超高頻(UHF)無線電信號(hào)60。
參考圖6，炸彈控制器24通常放置在飛機(jī)10上，包括與軍用GPS接收機(jī)62電通信的GPS天線44。軍用GPS接收機(jī)62與處理器64通信，處理器64對(duì)用于顯示器66的軍用GPS接收機(jī)62的輸出進(jìn)行處理。炸彈控制器24任選地與可任選利用的現(xiàn)有飛機(jī)無線電68進(jìn)行通信，以便于向GPS制導(dǎo)軍火傳遞目標(biāo)坐標(biāo)以及將準(zhǔn)備發(fā)射信號(hào)從GPS制導(dǎo)軍火12傳遞到炸彈控制器24?；蛘撸◤椏刂破?4包括獨(dú)立工作的無線電。
GPS制導(dǎo)軍火12包括數(shù)據(jù)接口及地面能源端口70，以便于從地面測(cè)試和任選地加載目標(biāo)坐標(biāo)。
軍火投放檢測(cè)器72向機(jī)組指示出GPS制導(dǎo)軍火12已經(jīng)從飛機(jī)投放。GPS天線48從衛(wèi)星14接收GPS信號(hào)并將GPS信號(hào)提供給民用GPS接收機(jī)74。民用GPS接收機(jī)74為與檢測(cè)器78電通信的控制電子設(shè)備76提供輸出，檢測(cè)器78例如是滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀這樣的慣性制導(dǎo)檢測(cè)器。控制電子設(shè)備76也與控制傳動(dòng)裝置80電通信以實(shí)現(xiàn)飛行控制表面例如垂尾的運(yùn)動(dòng)，從而便于操縱GPS制導(dǎo)軍火12投向目標(biāo)。
熱電池82和/或發(fā)電機(jī)84，例如沖壓式空氣渦輪，為GPS制導(dǎo)軍火12提供電能。
最好位于GPS制導(dǎo)軍火外表上的軍火ID開關(guān)86確定特定GPS制導(dǎo)軍火12和炸彈控制器10之間的無線電通信信道，使得炸彈控制器10可以與多個(gè)不同的GPS制導(dǎo)軍火12一起用在同一架飛機(jī)上，且不同飛機(jī)的炸彈控制器不干擾彼此的軍火。
重要的是注意圖6所示的設(shè)計(jì)不需要飛機(jī)數(shù)據(jù)總線。但是，如果需要飛機(jī)數(shù)據(jù)總線，則可以利用圖7的結(jié)構(gòu)。如圖7所示，彈藥支架88向下懸掛在機(jī)翼90上。DIGIBUS1553或1760接口包括在彈藥支架88中。在這種情況下，支架適配器92包括總線轉(zhuǎn)換器94和利用飛機(jī)代碼98唯一識(shí)別飛機(jī)彈藥的無線電96。如前所述，無線電天線47在航空器10和GPS制導(dǎo)軍火12之間提供電通信。
參考圖8，炸彈控制器24的軍用GPS接收機(jī)62為炸彈控制器處理器102的偏置校準(zhǔn)電路100提供位置和速度輸出。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，炸彈控制器24還包括為炸彈控制器處理器102的偏置校準(zhǔn)電路100提供偽距的民用GPS接收機(jī)63。偏置校準(zhǔn)電路100則為尾翅箱22的最小平方(LSQ)定位電路104提供偏置或誤差信號(hào)，以便提高GPS制導(dǎo)軍火12的GPS制導(dǎo)的準(zhǔn)確性。來自軍用GPS接收機(jī)62的位置和速度信息也可以任選地直接從軍用GPS接收機(jī)62提供給固定增益的卡爾曼濾波器106，以便提高其濾波能力，從而在投放GPS制導(dǎo)軍火12以后提高準(zhǔn)確性。導(dǎo)航狀態(tài)外推器108為制導(dǎo)和控制系統(tǒng)提供位置和速度信息。
可選擇地，從慣性制導(dǎo)系統(tǒng)提供控制加速計(jì)估計(jì)，以便幫助導(dǎo)航狀態(tài)外推器和濾波。
參考圖9，在利用本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火中的典型出動(dòng)架次或轟炸任務(wù)一般包括以下步驟起飛前110、起飛112、飛到近投彈點(diǎn)114、接近投彈點(diǎn)116、投彈準(zhǔn)備118、武器分離(weapon separation)120、滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定122、推測(cè)(盲視)領(lǐng)航124以及導(dǎo)向目標(biāo)126。起飛前110一般持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。在起飛前110期間，飛行員和飛機(jī)作準(zhǔn)備并等待開始執(zhí)行任務(wù)。在這段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可選擇為運(yùn)轉(zhuǎn)著的。
起飛112一般持續(xù)約60秒。在起飛112期間，飛機(jī)滑行，一般是地面滑行，并升空。起飛時(shí)一般可使用GPS制導(dǎo)軍火的能源，此時(shí)，民用GPS接收機(jī)起作用。
飛到近投彈點(diǎn)114一般需兩小時(shí)。在此期間，飛行員操縱飛機(jī)飛向投彈點(diǎn)。飛機(jī)導(dǎo)航和任務(wù)計(jì)劃用于方便操縱飛機(jī)飛向投彈點(diǎn)。通常在此期間進(jìn)行炸彈控制器武器檢查和GPS白天密鑰(day key)初始化。將當(dāng)前位置推算歷和偽距校正播送給GPS制導(dǎo)軍火。任選地，當(dāng)不使用炸彈控制器時(shí)可以切斷炸彈控制器電源，以便保存能量。炸彈控制器通常是完全自主的，由蓄電池電源操縱?；蛘撸◤椏刂破骺梢詮娘w機(jī)供電。當(dāng)然，炸彈控制器在接近投彈點(diǎn)116期間必須接通，以便于提高GPS制導(dǎo)軍火12制導(dǎo)系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性，這將在以下進(jìn)行描述。
接近投彈點(diǎn)116通常持續(xù)約15分鐘。在接近投彈點(diǎn)116期間，接通炸彈控制器。選擇任務(wù)1(或其他合適的任務(wù))，確定目標(biāo)坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，將多個(gè)不同任務(wù)預(yù)編程入炸彈控制器中，每個(gè)任務(wù)都有唯一目標(biāo)坐標(biāo)。從炸彈控制器24向GPS制導(dǎo)軍火12播送周期的位置推算歷和偽距校正，以便提高其制導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
投彈準(zhǔn)備118通常持續(xù)約3分鐘。在投彈準(zhǔn)備118期間，炸彈控制器根據(jù)飛機(jī)目前位置和速度以及目標(biāo)位置為飛行員提供操縱提示。所選的GPS制導(dǎo)軍火初始化其導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS制導(dǎo)軍火的校準(zhǔn)系統(tǒng)的初始化包括校準(zhǔn)其慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，GPS制導(dǎo)軍火的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的初始化包括滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀的校準(zhǔn)或置零。這是通過使飛機(jī)盡可能平直飛行來實(shí)現(xiàn)的，以便限定滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀輸出水平的零滾轉(zhuǎn)角速度。在此期間，周期的位置推算歷和偽距校正從炸彈控制器24向GPS制導(dǎo)軍火12播送。
武器分離120通常持續(xù)約兩秒鐘。在武器分離120期間，從航空器10投出或分離出一個(gè)或多個(gè)GPS制導(dǎo)軍火12。
滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定122通常持續(xù)約3秒鐘。在滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定122期間，試圖控制GPS制導(dǎo)軍火12的滾轉(zhuǎn)角速度盡可能接近零。在此期間，GPS制導(dǎo)軍火12的導(dǎo)航系統(tǒng)通過其民用GPS接收機(jī)接收附加的GPS位置信息。
推測(cè)領(lǐng)航124在投彈后通常持續(xù)約5秒鐘。在推測(cè)領(lǐng)航124期間，利用GPS制導(dǎo)軍火12的投彈前狀態(tài)所產(chǎn)生的推測(cè)領(lǐng)航方案將GPS制導(dǎo)軍火12引向目標(biāo)。使最好僅在GPS制導(dǎo)軍火滾轉(zhuǎn)后開始的推測(cè)領(lǐng)航穩(wěn)定。
發(fā)射后推測(cè)領(lǐng)航通常中止并盡可能快地由GPS制導(dǎo)接管。但是，如果GPS信號(hào)是不可用的，例如被卡住，則繼續(xù)推測(cè)領(lǐng)航124直至彈著目標(biāo)。
導(dǎo)向目標(biāo)126通常持續(xù)約17到35秒鐘，這取決于投彈時(shí)飛機(jī)的速度和高度。導(dǎo)向目標(biāo)隨著GPS制導(dǎo)軍火12對(duì)目標(biāo)的沖擊而到達(dá)頂點(diǎn)。由此，持續(xù)對(duì)GPS制導(dǎo)軍火12的彈道進(jìn)行GPS校正直至彈著目標(biāo)。
參考圖10，發(fā)射準(zhǔn)備包括機(jī)組人員通常是航空器10的飛行員26的行動(dòng)，炸彈控制器24完成的動(dòng)作，以及GPS制導(dǎo)軍火12完成的動(dòng)作。機(jī)組人員或飛行員26控制130飛機(jī)10到投彈區(qū)，即GPS制導(dǎo)軍火的投放點(diǎn)?；陲w機(jī)當(dāng)前位置和速度以及目標(biāo)位置，利用炸彈控制器24產(chǎn)生的操縱命令134。由于利用持恒狀態(tài)136便于GPS制導(dǎo)軍火12的導(dǎo)航系統(tǒng)的初始化138，因此還需要飛行員保持零滾轉(zhuǎn)角速度和恒定的馬赫數(shù)和高度。當(dāng)應(yīng)用持恒狀態(tài)時(shí)，炸彈控制器向GPS制導(dǎo)軍火12的導(dǎo)航系統(tǒng)播送140位置信息。炸彈控制器24產(chǎn)生的聲頻信號(hào)向飛行員發(fā)出警報(bào)，通知他炸彈控制器24正在將信息發(fā)送到GPS制導(dǎo)軍火12，因此有必要保持恒態(tài)直至聲頻信號(hào)42中止。
在發(fā)射分離期間，炸彈控制器24計(jì)算連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)(CCRP)。連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)用于計(jì)算前往投彈點(diǎn)144的時(shí)間。如果146前往時(shí)間小于90秒，則炸彈控制器24產(chǎn)生聲頻信號(hào)142，警示飛行員必須應(yīng)用全態(tài)(whole condition)136。在未出現(xiàn)聲頻信號(hào)142時(shí)，即前往投彈點(diǎn)的時(shí)間大于90秒時(shí)，BCU連續(xù)計(jì)算連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)(CCRP)和前往投彈點(diǎn)144的時(shí)間。
在發(fā)射準(zhǔn)備期間，炸彈控制器24還執(zhí)行GPS重述148，計(jì)算播送到GPS制導(dǎo)軍火12導(dǎo)航系統(tǒng)的偽距校正150，以便于提高其準(zhǔn)確性。BCU24為GPS制導(dǎo)軍火12提供偽距152校正。
參考圖11，炸彈控制器24最好包括無線電天線160，用于為GPS制導(dǎo)軍火12播送GPS數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。炸彈控制器24還包括顯示器30，顯示器30顯示與GPS制導(dǎo)軍火12和目標(biāo)有關(guān)的信息以及與航空器10飛行有關(guān)的信息。聲頻連接器162便于為飛行員提供聲頻信號(hào)，指示飛行員平直駕駛飛機(jī)10，以便于GPS制導(dǎo)軍火12的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。GPS連接器164連接到外部GPS天線，最好安裝在駕駛艙內(nèi)。選擇器開關(guān)166可以斷開炸彈控制器，放在備用模式，播送位置數(shù)據(jù)等主要GPS或者工作在不同模式下，例如提供誤差或差動(dòng)信號(hào)。需要的話，亮度和對(duì)比度控制168調(diào)整顯示器30的亮度和對(duì)比度。
參考圖12，根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，炸彈控制器24包括為功率分配器200提供信號(hào)的GPS天線32。功率分配器為柯林斯p-碼(Collins p-code)GPS202和摩托羅拉c-碼GPS204提供輸出。多路轉(zhuǎn)接器206為4865L計(jì)算機(jī)中的裝置提供R2-232輸出，為486SL計(jì)算機(jī)208中的裝置提供輸出?？铝炙筽-碼(Collins p-code)GPS202提供給4684計(jì)算機(jī)208的come(COM)1。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，炸彈控制器24還包括便于在系統(tǒng)測(cè)試期間與GPS制導(dǎo)軍火12通信的測(cè)試端口。蓄電池電源210提供內(nèi)部電源，以便于炸彈控制器24的自主運(yùn)行。
此外，根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，486SL計(jì)算機(jī)208具有第一和第二PCMCIA接口212和214。第一PCMCIA接口212可以是備用PCMCIA接口，也可以利用該接口作為任何需要的特殊用途。使用第二PCMCIA接口214以便于與固態(tài)閃速驅(qū)動(dòng)器(flash drive)216通信，該驅(qū)動(dòng)器的容量最好約為20兆字節(jié)。
486SL計(jì)算機(jī)208最好還包括點(diǎn)擊設(shè)備，例如跟蹤球或鼠標(biāo)?；蛘撸糜|摸屏或其他點(diǎn)擊設(shè)備。486SL計(jì)算機(jī)最好為L(zhǎng)CD圖形顯示器提供輸出。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，486SL計(jì)算機(jī)208還包括為射頻數(shù)據(jù)鏈接及端口/掃描邏輯接口220提供數(shù)據(jù)的PC打印機(jī)端口218。射頻數(shù)據(jù)鏈接及端口/掃描邏輯接口與共用無線電天線226的無線電接收機(jī)222和無線電發(fā)射機(jī)224電通信。六個(gè)離散開關(guān)228為射頻數(shù)據(jù)鏈接及端口/掃描邏輯接口220提供輸入，便于將唯一的標(biāo)識(shí)碼輸入炸彈控制器，使得炸彈控制器僅與期望的GPS制導(dǎo)軍火通信。
參考圖13，在炸彈控制器24的初始化期間，飛行員首先接通300炸彈控制器24。這導(dǎo)致商用GPS接收機(jī)的最初探測(cè)302和軍用GPS接收機(jī)的最初探測(cè)304。商用GPS接收機(jī)的最初探測(cè)302和軍用GPS接收機(jī)的最初探測(cè)304一般需要約20秒鐘。如果在306存在有年歷，則提供最初定位308。如果在306沒有年歷，則收集年歷310。年歷的收集通常需約12.5分鐘。在最初定位308之后，收集位置推算歷312。這一般花費(fèi)約30秒鐘。GPS開始接收148并完成偽距校正150的計(jì)算。在計(jì)算偽距校正的過程中，通常以約1Hz的頻率進(jìn)行GPS接收148。然后為GPS制導(dǎo)軍火12提供偽距校正。
對(duì)于軍用GPS接收機(jī)來說，作檢查是為了證實(shí)密鑰(key)是存在的314。如果密鑰是存在的，通過軍用GPS接收機(jī)提供最初定位316。否則，收集密鑰318，然后提供最初定位316。GPS320接收則繼續(xù)以約1Hz的頻率進(jìn)行。提供目標(biāo)坐標(biāo)以便于連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)的計(jì)算130。連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)用于計(jì)算144行進(jìn)時(shí)間。計(jì)算連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)和行進(jìn)時(shí)間的過程以約20Hz的頻率繼續(xù)。用連續(xù)計(jì)算的投彈點(diǎn)經(jīng)度和緯度計(jì)算航向提示和計(jì)算行進(jìn)時(shí)間146，航向提示為飛行員提供到投彈點(diǎn)所需航向的指示。GPS制導(dǎo)軍火12連續(xù)保持在備用模式148，直至發(fā)射準(zhǔn)備開始。
參考圖14，用于本發(fā)明GPS制導(dǎo)軍火的尾翅箱包括機(jī)械地縛接到軍火例如MK82/EU2500磅炸彈后端的外殼400。
本文討論和例示的MK82/EU2500磅炸彈僅是舉例，而不起限制作用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的GPS制導(dǎo)軍火可以和其他現(xiàn)有軍火一起使用，需要的話，甚至可以在用戶定制設(shè)計(jì)的軍火中使用。
電子設(shè)備組件402包括電子線路，電子線路用于與幅度檢測(cè)器404接口、熱電池406、沖壓空氣發(fā)生器408、無線電410、控制傳動(dòng)裝置412、分離檢測(cè)器414以及GPS接收機(jī)416。幅度檢測(cè)器404包括包含至少一個(gè)滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。熱電池406在投放GPS制導(dǎo)軍火12前和投彈后為運(yùn)行電子設(shè)備和控制傳動(dòng)裝置提供能源。任選地，沖壓空氣發(fā)生器408在GPS制導(dǎo)軍火12投放后提供能源或增加熱電池406的輸出。無線電410便于與炸彈控制器24通信。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，為獨(dú)立的控制表面或尾翅418設(shè)置四個(gè)單獨(dú)的控制傳動(dòng)裝置412。尾翅的這種獨(dú)立控制便于使用各種不同的飛行控制策略，例如滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向、滑動(dòng)轉(zhuǎn)向等。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，需要的話，也可以使用少于四個(gè)控制傳動(dòng)裝置412。
位于GPS制導(dǎo)軍火12尾部的GPS天線48便于通過民用GPS接收機(jī)416從GPS衛(wèi)星接收位置信息。
分離檢測(cè)器414提供GPS制導(dǎo)軍火12已經(jīng)從航空器10投放的指示，以便起動(dòng)GPS制導(dǎo)軍火12的自主運(yùn)行。
參考圖15，根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)，制導(dǎo)和控制處理器包括40MHz80106處理器500并使用CPU總線結(jié)構(gòu)502，其中無線電頻率數(shù)據(jù)鏈接及GPS接口EEPROM/RAM504、傳動(dòng)裝置接口/功率放大器506、256K字存儲(chǔ)器508、以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器510都位于CPU總線502上。發(fā)射機(jī)512和接收機(jī)514與RF數(shù)據(jù)鏈接機(jī)GPS接口EEPROM/RAM504電通信且共用GPS天線516。傳動(dòng)裝置接口/功率放大傳動(dòng)裝置518提供位置命令并從那里接收熟練的反饋。模數(shù)轉(zhuǎn)換器510從加速計(jì)(如果使用的話)和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)檢測(cè)器即滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀520接收信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的這一可替換實(shí)施例，制導(dǎo)及控制處理器500與數(shù)據(jù)鏈接522通信，數(shù)據(jù)鏈接522有電池524供電且僅用于測(cè)試。數(shù)據(jù)鏈接522具有可用于仿真來自炸彈控制器24的信號(hào)的天線。
GPS天線528與摩托羅拉C-碼GPS530通信，摩托羅拉C-碼GPS530為射頻數(shù)據(jù)鏈接和GPS接口EEPROM/RAM504提供RS232輸出。熱電池532和/或沖壓空氣發(fā)生器534與DC-DC電源536和整流濾波器及電池電氣引爆器538一起提供電能。根據(jù)本發(fā)明的該最佳實(shí)施例，整流濾波器及電池電氣引爆器538、DC-DC電源536、摩托羅拉C-碼GPS530、制導(dǎo)及控制處理器500、射頻數(shù)據(jù)鏈接和GPS接口EEPROM/RAM504、傳動(dòng)裝置接口/功率放大器506、256K字存儲(chǔ)器508、模數(shù)轉(zhuǎn)換器510、發(fā)射機(jī)512和接收機(jī)514都設(shè)置在一個(gè)單個(gè)模板540上。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，這些元件的其他不同結(jié)構(gòu)也同樣是適合的。
參考圖16，方框圖示出了GPS制導(dǎo)軍火12的導(dǎo)航及飛行控制系統(tǒng)的操作。民用GPS接收機(jī)74為導(dǎo)航濾波器550提供偽距和距變率(range rate)，導(dǎo)航濾波器550則為預(yù)測(cè)器552提供位置、速度和風(fēng)信息。
預(yù)測(cè)器552為導(dǎo)航緩沖器554以1Hz提供100Hz信號(hào)，導(dǎo)航緩沖器544為制導(dǎo)556提供100Hz位置速度和滾轉(zhuǎn)信號(hào)?？刂?58為飛行控制系統(tǒng)提供尾翅控制角，并接收導(dǎo)航濾波器550的輸出?？刂?58還為導(dǎo)航濾波器550提供并估計(jì)所應(yīng)用的控制。滾轉(zhuǎn)角速度陀螺儀560為導(dǎo)航濾波器550和控制558提供輸出。任選的加速計(jì)562(如果使用的話)為動(dòng)態(tài)壓力估計(jì)564提供輸出，從動(dòng)態(tài)壓力估計(jì)564計(jì)算出阻力并提供給導(dǎo)航濾波器550。動(dòng)態(tài)壓力估計(jì)564還為控制558提供輸出。
參考圖17，圖16的控制為導(dǎo)航卡爾曼濾波器600提供阻力和所應(yīng)用的控制以及機(jī)體坐標(biāo)。GPS重演(encore)602接收機(jī)、民用GPS接收機(jī)為導(dǎo)航卡爾曼濾波器600提供安置的速度時(shí)間數(shù)據(jù)或偽距和速率范圍。無線電接收機(jī)514為GPS重演接收機(jī)602提供差動(dòng)校正或者為導(dǎo)航卡爾曼濾波器600提供偽距和距變率。導(dǎo)航卡爾曼濾波器600為短期動(dòng)作預(yù)測(cè)器提供位置和速度數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)器為導(dǎo)航緩沖器554以1Hz提供100Hz輸出。導(dǎo)航緩沖器為圖16所示制導(dǎo)提供輸出信號(hào)。
可以理解，圖中所示和所述的示例性GPS制導(dǎo)軍火僅是本發(fā)明目前的最佳實(shí)施例。事實(shí)上，在不背離本發(fā)明主題和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和增補(bǔ)。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，不同類型的軍火，例如導(dǎo)彈、炸彈、炮彈等，都可利用本發(fā)明的GPS制導(dǎo)。同樣，本發(fā)明的GPS制導(dǎo)不必限制于空中發(fā)射/降落的軍火。因此，這些以及其他的修改和增補(bǔ)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見，可以使本發(fā)明適用于各種不同應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于軍火的尾翅組件，所述尾翅組件包括a)縛接軍火的外殼；b)至少一個(gè)飛行控制表面；c)引起飛行控制表面的運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便于軍火的制導(dǎo)；以及d)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制導(dǎo)系統(tǒng)，制導(dǎo)系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的全球定位系統(tǒng)(GPS)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾翅組件，其中，制導(dǎo)系統(tǒng)包括民用GPS接收機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾翅組件，還包括從飛機(jī)接收控制信號(hào)的無線電接收機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾翅組件，其中，飛行控制表面包括至少三個(gè)垂尾。
5.一種武器系統(tǒng)，包括a)飛機(jī)；b)縛接到飛機(jī)的可投放軍火，軍火包括i)至少一個(gè)飛行控制表面；ii)實(shí)現(xiàn)飛行控制表面的運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便于軍火的制導(dǎo)；以及iii)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制導(dǎo)系統(tǒng)，制導(dǎo)系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的全球定位系統(tǒng)(GPS)。c)與軍火通信的控制器，用于為軍火提供提高軍火的GPS系統(tǒng)準(zhǔn)確性的制導(dǎo)信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的武器系統(tǒng)，其中，控制器包括準(zhǔn)確性高于軍火的GPS接收機(jī)的GPS接收機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的武器系統(tǒng)，其中，控制器包括軍用GPS接收機(jī)，軍火包括民用GPS接收機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的武器系統(tǒng)，其中，控制器包括無線電發(fā)射器，軍火包括無線電接收機(jī)，從而便于來自控制器的控制信號(hào)和制導(dǎo)數(shù)據(jù)傳遞到到軍火。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的武器系統(tǒng)，其中，控制器包括自主裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的武器系統(tǒng)，其中，控制器縛接到飛機(jī)機(jī)組人員的一條腿上。
11.一種投放軍火的方法，所述方法包括以下步驟a)將軍火可投放地縛接到飛機(jī)；b)通過無線電將來自自主控制器的制導(dǎo)信息傳遞到軍火；c)從飛機(jī)投放軍火；d)使用全球定位系統(tǒng)將軍火導(dǎo)向目標(biāo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，軍火包括炸彈。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，將來自自主炸彈控制器的制導(dǎo)信息傳遞到軍火的步驟包括將來自軍用GPS接收機(jī)的制導(dǎo)信息傳遞給包括民用GPS接收機(jī)的軍火，所述信息提高了軍火制導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括將控制器縛接到飛機(jī)機(jī)組人員一條腿上的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，將來自自主控制器的制導(dǎo)信息傳遞給軍火的步驟包括將誤差信號(hào)從控制器傳遞到軍火，誤差信號(hào)便于提高軍火的準(zhǔn)確性。
16.一種用于由飛機(jī)承載的GPS制導(dǎo)軍火的控制器，所述控制器包括a)軍用GPS接收機(jī)；b)無線電發(fā)射器，用于將GPS信息從控制器發(fā)射到GPS制導(dǎo)軍火；c)其中，控制器能自主操作，以便減少了修改飛機(jī)的需要。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的控制器，還包括民用GPS接收機(jī)和比較電路，比較電路將軍用GPS接收機(jī)輸出與民用GPS接收機(jī)輸出相比較，根據(jù)軍用GPS接收機(jī)輸出與民用GPS接收機(jī)輸出之間的差值產(chǎn)生誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)提供給無線電發(fā)射器以發(fā)射到GPS制導(dǎo)軍火，從而提高其準(zhǔn)確性。
18.一種制導(dǎo)軍火，所述軍火包括a)GPS接收機(jī)；b)響應(yīng)GPS接收機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；c)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的多個(gè)垂尾；d)用于GPS接收機(jī)的兩個(gè)天線，在兩個(gè)不同垂尾中的每個(gè)垂尾上放置一個(gè)天線；以及e)開關(guān)電路，將GPS接收機(jī)交替連接到兩個(gè)天線中的每個(gè)天線上；f)其中，通過使用兩個(gè)天線產(chǎn)生的位置信息便于確定軍火的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。
19.一種提高軍火準(zhǔn)確性的方法，所述方法包括以下步驟a)交替接收來自兩個(gè)不同天線中每個(gè)天線的GPS信號(hào)，兩個(gè)天線縛接到軍火的兩個(gè)不同垂尾上；b)利用接收到的GPS信號(hào)確定軍火的位置和軍火的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)；以及，c)利用軍火的位置、軍火的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)、以及目標(biāo)的位置將軍火導(dǎo)向目標(biāo)，當(dāng)軍火的飛行控制表面移動(dòng)時(shí)，軍火的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)影響軍火飛行控制表面的移動(dòng)，從而將軍火導(dǎo)向目標(biāo)。
全文摘要
一種用于軍火(12)的尾翅組件,尾翅組件具有縛接到軍火(12)的外殼;至少一個(gè)飛行控制表面(418);引起飛行控制表面的運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(412),以便于軍火(12)的制導(dǎo);以及控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(412)的制導(dǎo)系統(tǒng)(402)。制導(dǎo)系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(412)控制的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)(416)。
文檔編號(hào)G01C21/00GK1264463SQ98807114
公開日2000年8月23日 申請(qǐng)日期1998年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月11日
發(fā)明者A·S·阿布特 申請(qǐng)人:諾思羅普格魯曼公司