CN1264463A - 全球定位系统制导的军火 - Google Patents

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Abstract

一种用于军火(12)的尾翅组件,尾翅组件具有缚接到军火(12)的外壳;至少一个飞行控制表面(418);引起飞行控制表面的运动的传动机构(412),以便于军火(12)的制导;以及控制传动机构(412)的制导系统(402)。制导系统包括实现传动机构(412)控制的全球定位系统(GPS)接收机(416)。

Description

全球定位系统制导的军火
本专利申请是一美国专利申请的继续申请，该美国专利序列号为08/806,685，申请日为1997年2月27日，名称为民用GPS接收机的飞行精度增强(ON-THE-FLY ACCURACY ENHANCEMENT FOR CIVIL GPSRECEIVERS)，本文参考了该发明申请的内容。
本发明总体上涉及军火，例如炸弹或类似物，尤其涉及利用军火自身内低成本民用GPS接收机的GPS制导军火，以便提供造价低的武器系统。差转GPS(DGPS)校正过程用于提高GPS制导军火的准确性。根据本发明的一个最佳实施例，设有售后服务(aftermarket)尾翅箱，以便于将现有非制导军火简单廉价地转换为GPS制导军火。自主操作的炸弹控制器免除了对飞机进行昂贵修改的需要。
在战争中使用空投军火是众所周知的。这种军火通常包括充以炸药的管状外壳，具有用于引爆炸药的碰炸引信和雷管的头部，以及在其正常飞行期间稳定军火的垂尾，使得用其头部击中目标，从而确保适当引爆。这种空投军火的使用是战争中的一大进步，便于摧毁敌方目标，同时减小了人员的意外伤亡和/或军事设施的损坏。
但是，正如本领域技术人员所理解的，为了有效摧毁既定目标，一般必须以极高准确性投放现有军火或者投放极大量的现有军火。因此，通常需要从低空投放这种军火或者投放大量的军火，这是所不期望的。从低于可取高度投放现有军火使飞机和机组易遭受高射炮和地对空导弹袭击的危险。由于低空飞行缩小了目标范围(飞机高度)，所以提高了高射炮和地对空导弹的准确性。由于这个原因，低空轰炸非常危险，也极少采用。当然，投放大量的军火费用昂贵、耗费时间，也是不期望的，并且使飞机和机组重复地暴露在例如高射炮和地对空导弹这样的防空武器系统的范围内。
因此，为了弥补这种现有军火从足够高度投放时所固有的准确性的缺乏，以便降低高射炮和/或地对空导弹的有效性，必须投放大量的军火。这样做是为了将这种大量的现有军火投向目标，从而弥补这种高空轰炸的低准确性，提高摧毁目标的准确性。
为了克服现有军火在可靠摧毁地面目标方面的缺陷，尤其在从高空投弹时，已经开发出智能军火。这种智能军火利用制导及飞行控制系统操纵军火到达既定目标。制导系统基于军火当前位置和目标位置为控制表面提供控制信号，使得控制表面操纵军火投向目标。这种制导系统根据公知原理运行，通常利用激光制导、红外制导和/或雷达这样的技术。这样，飞机以足够高度飞行，这种制导军火便于可靠摧毁敌方目标，从而降低了高射炮和/或地面发射导弹的有效性，也减小了军火的数量。
使用全球定位系统(GPS)将不同军火导向既定目标也是公知的。多个GPS卫星星座正处于实施或计划阶段，以便为地球表面上任何一处的适当接收机或站提供准确的导航信息。其中，这些GPS系统是U.S.政府操纵的卫星导航定时及定向全球定位系统“NAVSTAR GPS”，由前苏联政府计划的“GLONASS”系统以及目前处于开发中的已知的两个欧洲系统“NAVSAT”和“GRANAS”。为描述简明起见，以下描述和公开的内容主要集中在NAVSTAR GPS的特征和使用上，但可以理解，本发明同样适用于其他全球定位系统。
美国政府操纵的NAVSTAR GPS设计为在六个独立的圆形轨道中的每个轨道上有四颗进入轨道的GPS卫星，组成共24颗GPS卫星，有21颗是运作的，3颗是备用的。卫星轨道既不是极的(polar)也不是赤道的(equatorial)，而是在相互倾斜的平面中，每颗卫星大约每12小时绕地球轨道一次，地球旋转一次，正好完成两次绕轨道运行。通过这种排布，全世界一天24小时在同一地域内至少有四颗卫星出现。在任何给定时间，每颗卫星的位置是精确已知的，导航信号连续发送到地球，提供表示卫星的空间位置相对于时间(GPS时间)的位置信息。该位置信息称为位置推算历数据。除了位置推算历数据之外，每颗卫星发送的导航信号包括对发送信号的精确时间的指示。因此，利用该时间指示可以确定导航信号接收机和发射卫星之间的距离或范围：通过1)记录下接收机接收信号的时间，2)计算传播时间延迟，即发射时间和接收时间之差，以及3)用信号传播速度乘以延迟。这样确定的结果得出从发射卫星到接收机的“伪距”。范围称为“伪距”其原因是：由于例如接收机时钟未与GPS时间精确同步以及由于其通过大气传播而将延迟引入导航信号传播时间这样的因素而出现不准确。这些不准确分别导致时钟偏差(误差)和大气偏差(误差)，时钟偏差可能大到几毫秒。无论如何，利用来自至少四颗卫星的用于导航信号的两条信息，即位置推算历数据和伪距，则可以利用被动三角测量技术确定接收机相对于地球中心的位置和时间。
关于NAVSTAR GPS更详细的讨论见B.W.Parkinson和S.W.Gilbert在IEEE学报Vo..71，No.10，October 1983上的文章“NAVISTAR：Global Positioning System-Ten Years Later″，以及教科书“GPS：A Guide to the Next Utility”，Trimble NavigationLtd.出版，Sunnyvale，Calif.，1989，pp.1-47，本文参考这两篇文章的内容。
NAVSTAR GPS预想了用于传播伪距信号的载波的两种代码调制类型。在第一种类型中，“粗略/探测”(“Coarse/Acquisition″)码，通过“C/A信号”调制载波，称作C/A码，也称为“标准定位服务”(SPS)。第二种调制类型通常称为“精确”或“保护的”(P)码，也称为“精确定位服务”(PPS)。P-码的加密版，即，Y-码，仅美国政府特殊授权的地面接收机才能使用，使得Y-码序列是保密的，不公开使用。这迫使更多的NAVSTAR GPS用户只能依靠通过C/A码调制所提供的数据，遗憾的是，这导致了较不准确的定位系统。而且，美国政府通过改变时钟参数将误差引入正从GPS卫星发射的C/A码GPS信号中来选择性地破坏GPS数据，即，用于一颗或多颗卫星的时钟参数被稍微或完全修改了，例如通过故意使卫星时钟的相位和频率抖动，这实际上就是所知的“选择性的可用性”(″selective availability″)或简称SA。SA可以由于不同原因而被启动，例如，国防部可以为了国家安全而启动它。当SA被启动时，美国政府仍然能使用NAVSTAR GPS，因为它有权使用补偿装置以消除SA影响。但是，未被补偿的C/A码数据使准确性下降，即被降级了。鉴于前述区别，C/A码调制接收机称为“民用”接收机或设备，Y-码调制接收机称为军用接收机或设备。为了具有普遍性，本文所说的“民用”接收机指变化的或准确性降级的GPS接收机或设备，“军用”接收机指精确准确性的GPS接收机或设备。
在GPS的很多应用中，尽管用户有权使用能提供精确定位服务(PPS)准确性的密码密钥，仍希望使用民用GPS接收机来降低成本和复杂性，例如在移动的或消耗性的运输工具中的民用接收机。这对消耗性运输工具或从某种形式的发射车辆发射武器尤其理想。如果用户被授权PPS，则可以在发射车辆上装备军用GPS接收机，它比消耗性运输工具中的民用设备准确性高得多。
差转GPS(DGPS)校正过程可用于高准确性民用GPS应用，该过程使用固定的已测定的天线坐标并请求几乎实时地来自地面站的校正。典型的民用GPS接收机本身存在准确性局限，这主要由于前面所提及的美国国防部将故意降级引入信号中造成的，这种局限性可以通过DGPS过程来消除。民用GPS接收机准确性，以上通常称为标准定位服务或SPS，没有差动校正，其精度好于100米。而某些准确性局限性是由于仅使用一种频率(这由于电离层延迟而妨碍了对误差的测量)以及由于使用粗略/探测(Coarse/Acquisition)码而不使用更为准确的精确P(Y)码，导致准确性局限性的主要原因是故意使卫星时钟的相位和频率高频抖动，即SA。军用设备通过算法消除了SA误差，所述算法利用只有通过使用密码密钥而得以授权的用户才可以得到的数据。此外，军用接收机的用户可以追踪允许测量和补偿电离层延迟的第二种频率。
尽管当这种制导军火从高空投放时非常准确且能极其有效地摧毁敌方地面目标，但它们确实存在费用昂贵的固有缺陷。不仅制导军火本身比常规的即非制导军火贵，而且为了适应制导军火，必须对运送军火的飞机进行广泛且十分昂贵的修改。通常，驾驶舱内需要附加的航空电子设备和控制设备，必须从驾驶舱为炸弹架或支架提供布线，必须为制导军火提供武器专用的电气和机械接口。因为它们很昂贵，所以这种制导军火通常保留起来，仅在摧毁具有极高战略价值的目标时才使用。
鉴于前述内容，希望提供一种军火，例如空降军火，所述军火与常规军火相比准确性提高了，而且成本远不如制导军火那么昂贵。
本发明克服了上述现有技术的缺陷。更具体地说，本发明包括用于炸弹这样的军火的尾翅组件。如本文所使用的，术语军火包括炸弹、导弹、炮弹或类似物。尾翅组件包括用于缚接军火的外壳；至少一个飞行控制表面；引起飞行控制表面移动的传动机构，以便于军火的制导；以及控制传动机构的制导系统。制导系统包括实现传动机构控制的全球定位系统(GPS)。
根据本发明的最佳实施例，制导系统包括民用GPS接收机。尾翅组件还包括从飞机接收控制信号的无线电接收机。优选地，飞行控制表面包括至少三个垂尾，最好四个垂尾。
此外，本发明包括包含飞机的武器系统。缚接到飞机的可投放军火，其中军火包括上述传动机构和制导系统，以及与军火电通信的炸弹控制器，以便为军火提供提高军火的GPS系统准确性的制导信息。
炸弹控制器包括准确性高于军火的GPS接收机的GPS接收机。根据本发明的一个最佳实施例，炸弹控制器包括军用GPS接收机，军火包括民用GPS接收机。根据本发明的另一结构，炸弹控制器既包括军用GPS接收机又包括民用GPS接收机，军火仅包括民用GPS接收机。
如果炸弹控制器仅包括军用GPS接收机，则通过在投弹时从军用GPS接收机为GPS制导军火提供更准确的位置信息提高了GPS制导军火的准确性，从而提高了其制导系统的准确性。
如果炸弹控制器既包括军用GPS接收机又包括民用GPS接收机，则产生反映军用GPS接收机指示的位置和民用GPS接收机指示的位置之间差别的偏移或误差信号，然后将这些偏移发送到GPS制导军火，从而提高了其准确性。
或者，如果炸弹控制器仅包含军用GPS接收机，则任选地可以相对于GPS制导军火的民用GPS接收机产生这些偏移，然后通过炸弹控制器将这些偏移提供给GPS制导军火。
本发明的GPS制导军火可以配备尾翅箱，作为售后服务附件加到现有军火例如MK82500磅炸弹上使用。或者本发明的GPS制导军火包括具有与本发明的GPS制导系统和飞行控制系统整体形成的炸弹或其他军火。
正如本领域的技术人员所理解的，当本发明的GPS制导军火配备尾翅箱时，则必须去掉如MK82500磅炸弹这样的军火的原始尾翅，带之以本发明的尾翅箱。
炸弹控制器包括无线电发射器，军火包括无线电接收机，使得炸弹控制器能将控制和制导信息发送到GPS制导军火而无须修改飞机，即昂贵的布线等。任选地，GPS制导军火包括发射信息的无线电发射器，发送信息例如将准备信号从GPS制导军火发送到炸弹控制器。在本例中，当然炸弹控制器必须包括接收这种信息的接收机。
此外，根据本发明的最佳实施例，炸弹控制器包括完全自主的设备，自主设备不需电源或和飞机有任何连接，这在不需要修改飞机的情况下进一步方便了本发明的GPS制导军火的使用。因此，只要将军火加载到机械兼容架或炸弹投放机构上且将炸弹控制器提供给飞行员或另一机组人员，最好绑到机组人员的腿上，就可以将本发明的GPS制导军火与现有的各种不同飞机一起使用。因此，不需对飞机进行电气或机械修改。
根据本发明的最佳实施例，GPS制导军火还包括惯性制导系统，包括至少一个检测GPS制导军火滚转姿态变化的滚转角速度(rollrate)陀螺仪，以便于适当的飞行控制。
根据本发明的GPS制导军火的另一结构，GPS制导军火包括两个用于GPS制导军火的民用GPS接收机的天线。在GPS制导军火的两个不同垂尾的每个上个放置一个天线，开关电路将GPS接收机依次交替地与两个天线中的每个天线连接。因此，使用两个天线便于确定军火的滚转姿态，从而避免了对滚转角速度陀螺仪的需要。
本发明的这些以及其他优点通过以下描述和附图将变的更为明显。可以理解，在不背离本发明主题和权利要求范围的情况下可以对所示和所述的特定结构进行修改。
图1示出了飞机正在向目标投放军火，其中，通过军用GPS接收机连续更新飞机位置，通过飞机的军用GPS接收机连续更新军火位置直至发射，此后通过所包含的民用GPS接收机更新；
图2示出了单架飞机向单个目标投放多枚军火，还示出了单架飞机对多个目标投放单枚军火；
图3示出了安装有GPS制导军火的飞机，其中，根据本发明军火包括尾翅箱，还示出了绑到机组人员腿上的自主炸弹控制器；
图4是飞机的侧视图，示出了根据本发明最佳实施例装载在其上的GPS制导军火，即炸弹；
图5是示意图，根据本发明示出了检验及测试、任务数据装载、以及GPS制导军火的飞行；
图6是方框图，示出了放置在带有GPS制导军火的尾翅箱的飞机内的炸弹控制器的相互作用；
图7是方框图，示出了本发明的GPS制导军火与配备总线的飞机的兼容性；
图8是方框图，示出了本发明的GPS制导军火的导航系统；
图9是流程图，示出了利用本发明的GPS制导军火的典型任务所涉及的步骤；
图10是流程图，示出了本发明的GPS制导军火的发射准备；
图11是本发明炸弹控制器的顶视图，示出了其控制与显示；
图12是本发明炸弹控制器的方框图；
图13是本发明炸弹控制器初始化的流程图；
图14是部分透视图，示出了本发明的尾翅箱(TK10)，包括其制导和飞行控制元件；
图15是本发明的尾翅箱的基线框图；
图16是根据本发明的尾翅箱的操作流程图；以及
图17是根据本发明的尾翅箱的导航设备的方框图，示出了其卡尔曼(Kalman)滤波器。
下面结合附图详细描述本发明的最佳实施例，所述实施例不是构成或应用本发明的唯一形式。本说明书结合图示实施例提出了构成和实施本发明的操作和步骤顺序。但应当理解，也可以采用落在本发明主题和范围内的不同实施例来实现同样或等效的功能。
根据本发明的最佳实施例，尾箱包括便于在投弹后调遣军火的民用GPS接收机。通过由设置在飞机内的军用GPS接收机提供位置更新和/或误差信号增强了GPS制导军火(具有民用GPS接收机)的准确性。军用GPS接收机最好设置在炸弹控制器内，炸弹控制器最好绑在机组人员的腿上，以便避免对飞机进行昂贵的改进的需要。
图1-17示出了本发明的GPS制导军火，图中描绘了目前本发明的最佳实施例。参考图1，在与轰炸任务有关的A，B，C和D四个不同位置示出了飞机10，根据本发明，飞机10具有炸弹控制器(BCU，如图3所示)设置在驾驶间内，并载有至少一个GPS制导军火。在所示位置A上的飞机10处于待命期间，在此期间，将适当的军用GPS代码载入炸弹控制器中。
正如本领域技术人员所理解的那样，必须提供加密密钥，以便军用GPS接收机能正常工作。目标坐标和炸弹类型通常也在待命期间载入BCU中。此时，如果需要的话，可以将目标坐标从炸弹控制器传递给炸弹。或者，一般也可以通过个人计算机将目标坐标直接载入军火。
位置B上的飞机10处于GPS捕获阶段，在该阶段中，它接收军用精度GPS数据以便精确定位。这通常发生在大于或等于25分钟的到达目标时间(TOT)。此时，飞机10内的军用GPS接收机和GPS制导军火12内的民用GPS接收机都从GPS卫星14接收位置更新(为简明起见，图1中仅示出了一个GPS卫星)。
位置C上的飞机10处于发射前状态，这一状态通常出现在军火投放前的大约2-3分钟。此时，炸弹控制器计算CCRP(连续计算的投弹点)、CCIP(连续计算的弹着点)以及飞机定位和航向提示。必要的话，更新目标坐标。
在发射前期间，飞行员需要飞到CCRP/线路和保持水平飞行，即滚转小于或等于5度。
由于投弹时飞机10的滚转姿态影响GPS制导军火12投放时的滚转姿态，以及由于GPS制导军火12投放后的滚转姿态影响其准确性，因此希望使滚转达到最小。
由于必须利用其不同的飞行控制表面将GPS制导军火12引向目标，GPS制导军火12的准确度受滚转影响，取决于GPS制导军火12的滚转姿态。即，通常，GPS制导军火12处于第一滚转姿态时为使GPS制导军火12正确转动所利用的垂尾不同于GPS制导军火12处于第二滚转姿态时所利用的垂尾。尽管GPS制导军火12的滚转姿态受到基本惯性制导系统的监视，基本惯性制导系统最好包括滚转角速度陀螺仪，但本领域技术人员可以理解，使用这种惯性制导系统引入了不期望的附加误差。因此，为了减小这种附加误差，希望飞机10在发射时保持水平姿态。通过这种方式，降低了GPS制导军火12的制导系统对滚转角速度陀螺仪的依赖，从而准确制导。
在发射舱18中，从飞机10投放一个或多个GPS制导军火12。由于军火12的GPS制导所提供的附加准确度，可以在更高的高度投放GPS制导军火12，同时保持期望的准确度。这种高空投放制导军火12增加了机组和飞机10的安全性，从而增强了任务成功率。
根据本发明的最佳实施例，实际上在不太增加成本的情况下提高了军火的准确度。这是通过利用民用GPS接收机(图6中的74)和GPS制导军火12来完成的。正如本领域技术人员所理解的，民用GPS接收机比军用GPS接收机便宜。因此，尽管军用GPS接收机增加了GPS制导军火的准确度，但根据本发明的方法通过利用民用GPS接收机也能获得足够的准确度，在本发明中，通过保持与炸弹控制器中军用GPS接收机的通信，提高了民用GPS接收机的准确度，下面将详细描述。
由此，GPS制导军火12在使用不准确的非制导重力军火即炸弹和使用昂贵的制导军火如激光制导的智能军火之间提供了期望的折衷。正如本领域技术人员所理解的，使用非制导炸弹肯定要用更多数量的的炸弹，通常需要类别号更大的炸弹来保证摧毁目标。使用非制导军火还需要更危险的低空投弹，以便保证摧毁目标。
使用智能炸弹这样的制导军火的成本是非常高的，因此通常储备起来，仅在摧毁最重要目标时才使用。
本发明在成本和有效性之间提供期望的折衷。根据本发明，对军火进行低成本改进和使用不需改进飞机的炸弹控制器提高了军火的准确度，从而减小了有效破坏期望目标所需的数量。
根据本发明的最佳实施例，在发射前阶段提供连续计算的弹着点(CCIP)。当连续计算的弹着点与目标重合时，则投放期望的GPS制导军火。以这种方式，GPS制导军火12的弹道是使得只需对军火12的GPS制导系统作最小校正来保证准确击中目标。
根据本发明的最佳实施例，手动投放GPS制导军火12，即通过驱动投弹开关，以便避免对飞机进行昂贵修改的需要。但是，正如本领域技术人员所理解的，如果希望的话，通过在飞机的电子-机械炸弹投放机构和炸弹控制器24之间提供电通信也可以自动投放GPS制导军火12。
对于这一高空发射来说，到达目标时间(TOT)通常为0.5-1.0分钟。根据本发明的最佳实施例，炸弹控制器为投弹提供倒数计秒。如上所述，当连续计算的弹着点(CCIP)与目标重合时，军火可以通过机组人员手动投放，也可以通过炸弹控制器自动投放。
一旦投放，军火12的GPS制导系统将军火12导向目标20。因此，投弹时间、风向等不会象非制导军火情况那样导致本发明的GPS制导军火12击不中目标。
此时，飞机10可以在飞行期间任选地从地面发射机(未示出)或从另一飞机16接收目标更新。这种飞行中的目标更新可以传递给机组人员，然后机组人员通过炸弹控制器将更新的目标传递给GPS制导军火，可以用不同的加密和/或鉴定方法识别发射机的权限，从而改变GPS制导军火的目标坐标。当然，在一个飞机上可以载有不只一个本发明的GPS制导军火。在这种情况下，最好用一个单个的炸弹控制器为每个GPS制导军火提供接口。但如果需要的话，也可以任选地利用两个或多个不同炸弹控制器。
参考图2，示出了通过单个飞机10向单一目标20投放多个GPS制导军火12和通过单个飞机10向多个目标20a-20c投放多个GPS制导军火12。使用根据本发明的GPS制导军火便于通过由单个飞机10投放的多个GPS制导军火12准确轰炸单个目标20。由于GPS制导军火12的GPS制导系统校正由在对应于不同的连续计算的弹着点(CCIP’s)的不同时间投弹引入的军火12的弹道误差，提高了GPS军火的准确性。
本发明的GPS制导军火还便于在单程或军火运行过程中准确轰炸多目标。正如本领域技术人员所理解的，当要轰炸多个间隔紧密的目标时，通常需要安排多次行程，以便为准确地一个一个单独地投放军火提供必要的时间。但是，当利用本发明的GPS制导军火时，则投放军火的准确性不太至关重要了，原因是GPS制导系统补偿了这种误差。因此，可以投放多个这种GPS制导军火12，一个一个单独地将独立的GPS制导军火12分别导向它们的目标20a-20c。这减少了摧毁多个间隔紧密的目标所需的炸弹数量，从而增加了机组和飞机的存活性。
参考图3，GPS制导军火最好包括其上安装有尾翅箱22的炸弹。根据本发明的最佳实施例，尾翅箱是特别为缚接MK82/EU2500磅炸弹而设计的。正如本领域的技术人员所理解的，M82/EU2是标准军火，在世界大范围内通用。因此，本发明的尾翅箱22为将标准500磅炸弹转变为相对准确的武器提供了一种低成本、易于使用的装置。
BCU24包括一便携、独立的设备，该设备最好通过带28缚接到机组人员例如飞行员26身上，最好是一条腿上。这样，将炸弹控制器24定位，以便容易读取其显示器30的读数和容易使用。
炸弹控制器24包括GPS天线32，以便于通过其内设置的军用GPS接收机对GPS制导军火12进行准确的位置更新。炸弹控制器24还包括与GPS制导军火的通信链接34，以便于增强其制导系统，它包括民用GPS接收机，以便于其控制，例如投弹。
键盘38便于键入目标坐标、控制代码等。任选地，炸弹控制器24还包括KYK-13输入36，以便于使用军用GPS接收机所需的加密密钥的输入。军火I.D.开关40最好包括选择器开关，以选择装在飞机10上的多个军火中的那些将在特定时间进行通信。这样，例如飞行员26简单地将军火I.D.开关40设置到期望的GPS制导军火12，并输入其中的目标坐标。
优选地，当GPS制导军火12在地面上时，利用个人计算机42测试尾翅箱22。如果愿意的话，也可以利用个人计算机42将目标坐标加载到尾翅箱22的制导系统上。
参考图4，飞机10具有GPS天线44，GPS天线44可以是炸弹控制器24的一部分，也可以与它分开并机械地缚接到飞机10的一部分和通过导线连接到炸弹控制器24。类似地，炸弹控制器射频链接天线46可以是炸弹控制器24的一部分，也可以缚接到飞机10，然后通过导线连接到炸弹控制器24。
GPS制导军火12同样包括GPS天线48和炸弹控制器射频链接天线50。炸弹控制器的GPS天线44便于其上军用和民用接收机的操作。其GPS接收机和GPS制导军火12的GPS天线48便于其民用GPS接收机的操作。飞机10的炸弹控制器射频链接天线46和GPS制导军火12的炸弹控制器射频链接天线50便于炸弹控制器24与GPS制导军火12通信。
根据本发明的一个最佳实施例，炸弹控制器包括军用GPS接收机和民用GPS接收机，这两个接收机共用一个GPS天线，从而容易计算出军用GPS接收机和民用GPS接收机之间的差或误差，然后发送到GPS制导军火12。在本发明的另一结构中，在炸弹控制器24中仅包含军用GPS接收机，计算军用GPS接收机和GPS制导军火12的民用GPS接收机之间的误差。
参考图5，图中进一步详细示出了GPS制导军火12的检验及测试52、任务数据装载54和飞行56的功能。检验及测试52包括从电源58为GPS制导军火12提供能量，从个人计算机42为GPS制导军火12提供目标和/或控制信号。炸弹控制器24与个人计算机42进行通信，从炸弹控制器24为个人计算机42提供声频链接，以检验炸弹控制器24声频输出的正确操作。在测试期间，声频链接最好提供可听音来向机组人员26指示不同的状态，例如连续计算的弹着点(CCIP)的开始、武器投放以及模仿武器弹着。在投弹前，当有必要平稳飞行时，通常利用声频链接向飞行员发出指示，从而执行滚转角速度陀螺仪的校准，也使投放时GPS制导军火的滚转最小。
在任务数据装载54期间，通过键盘输入或从软盘、网络等预先接收到任务数据的个人计算机42很容易将任务数据载入炸弹控制器24。任选地，个人计算机42直接将任务数据加载到GPS制导军火12。
在飞行56期间，GPS制导军火12通过GPS天线48接收民用GPS位置数据，GPS天线48将GPS信号提供给GPS制导军火12内的民用GPS接收机并且还接收无线电信号，最好是来自炸弹控制器24的超高频(UHF)无线电信号60。
参考图6，炸弹控制器24通常放置在飞机10上，包括与军用GPS接收机62电通信的GPS天线44。军用GPS接收机62与处理器64通信，处理器64对用于显示器66的军用GPS接收机62的输出进行处理。炸弹控制器24任选地与可任选利用的现有飞机无线电68进行通信，以便于向GPS制导军火传递目标坐标以及将准备发射信号从GPS制导军火12传递到炸弹控制器24。或者，炸弹控制器24包括独立工作的无线电。
GPS制导军火12包括数据接口及地面能源端口70，以便于从地面测试和任选地加载目标坐标。
军火投放检测器72向机组指示出GPS制导军火12已经从飞机投放。GPS天线48从卫星14接收GPS信号并将GPS信号提供给民用GPS接收机74。民用GPS接收机74为与检测器78电通信的控制电子设备76提供输出，检测器78例如是滚转角速度陀螺仪这样的惯性制导检测器。控制电子设备76也与控制传动装置80电通信以实现飞行控制表面例如垂尾的运动，从而便于操纵GPS制导军火12投向目标。
热电池82和/或发电机84，例如冲压式空气涡轮，为GPS制导军火12提供电能。
最好位于GPS制导军火外表上的军火ID开关86确定特定GPS制导军火12和炸弹控制器10之间的无线电通信信道，使得炸弹控制器10可以与多个不同的GPS制导军火12一起用在同一架飞机上，且不同飞机的炸弹控制器不干扰彼此的军火。
重要的是注意图6所示的设计不需要飞机数据总线。但是，如果需要飞机数据总线，则可以利用图7的结构。如图7所示，弹药支架88向下悬挂在机翼90上。DIGIBUS1553或1760接口包括在弹药支架88中。在这种情况下，支架适配器92包括总线转换器94和利用飞机代码98唯一识别飞机弹药的无线电96。如前所述，无线电天线47在航空器10和GPS制导军火12之间提供电通信。
参考图8，炸弹控制器24的军用GPS接收机62为炸弹控制器处理器102的偏置校准电路100提供位置和速度输出。如上所述，根据本发明的一个最佳实施例，炸弹控制器24还包括为炸弹控制器处理器102的偏置校准电路100提供伪距的民用GPS接收机63。偏置校准电路100则为尾翅箱22的最小平方(LSQ)定位电路104提供偏置或误差信号，以便提高GPS制导军火12的GPS制导的准确性。来自军用GPS接收机62的位置和速度信息也可以任选地直接从军用GPS接收机62提供给固定增益的卡尔曼滤波器106，以便提高其滤波能力，从而在投放GPS制导军火12以后提高准确性。导航状态外推器108为制导和控制系统提供位置和速度信息。
可选择地，从惯性制导系统提供控制加速计估计，以便帮助导航状态外推器和滤波。
参考图9，在利用本发明的GPS制导军火中的典型出动架次或轰炸任务一般包括以下步骤：起飞前110、起飞112、飞到近投弹点114、接近投弹点116、投弹准备118、武器分离(weapon separation)120、滚转稳定122、推测(盲视)领航124以及导向目标126。起飞前110一般持续几个小时。在起飞前110期间，飞行员和飞机作准备并等待开始执行任务。在这段时间内，飞机发动机可选择为运转着的。
起飞112一般持续约60秒。在起飞112期间，飞机滑行，一般是地面滑行，并升空。起飞时一般可使用GPS制导军火的能源，此时，民用GPS接收机起作用。
飞到近投弹点114一般需两小时。在此期间，飞行员操纵飞机飞向投弹点。飞机导航和任务计划用于方便操纵飞机飞向投弹点。通常在此期间进行炸弹控制器武器检查和GPS白天密钥(day key)初始化。将当前位置推算历和伪距校正播送给GPS制导军火。任选地，当不使用炸弹控制器时可以切断炸弹控制器电源，以便保存能量。炸弹控制器通常是完全自主的，由蓄电池电源操纵。或者，炸弹控制器可以从飞机供电。当然，炸弹控制器在接近投弹点116期间必须接通，以便于提高GPS制导军火12制导系统操作的准确性，这将在以下进行描述。
接近投弹点116通常持续约15分钟。在接近投弹点116期间，接通炸弹控制器。选择任务1(或其他合适的任务)，确定目标坐标。根据本发明的最佳实施例，将多个不同任务预编程入炸弹控制器中，每个任务都有唯一目标坐标。从炸弹控制器24向GPS制导军火12播送周期的位置推算历和伪距校正，以便提高其制导系统的准确性。
投弹准备118通常持续约3分钟。在投弹准备118期间，炸弹控制器根据飞机目前位置和速度以及目标位置为飞行员提供操纵提示。所选的GPS制导军火初始化其导航系统。GPS制导军火的校准系统的初始化包括校准其惯性导航系统。根据本发明的最佳实施例，GPS制导军火的惯性制导系统的初始化包括滚转角速度陀螺仪的校准或置零。这是通过使飞机尽可能平直飞行来实现的，以便限定滚转角速度陀螺仪输出水平的零滚转角速度。在此期间，周期的位置推算历和伪距校正从炸弹控制器24向GPS制导军火12播送。
武器分离120通常持续约两秒钟。在武器分离120期间，从航空器10投出或分离出一个或多个GPS制导军火12。
滚转稳定122通常持续约3秒钟。在滚转稳定122期间，试图控制GPS制导军火12的滚转角速度尽可能接近零。在此期间，GPS制导军火12的导航系统通过其民用GPS接收机接收附加的GPS位置信息。
推测领航124在投弹后通常持续约5秒钟。在推测领航124期间，利用GPS制导军火12的投弹前状态所产生的推测领航方案将GPS制导军火12引向目标。使最好仅在GPS制导军火滚转后开始的推测领航稳定。
发射后推测领航通常中止并尽可能快地由GPS制导接管。但是，如果GPS信号是不可用的，例如被卡住，则继续推测领航124直至弹着目标。
导向目标126通常持续约17到35秒钟，这取决于投弹时飞机的速度和高度。导向目标随着GPS制导军火12对目标的冲击而到达顶点。由此，持续对GPS制导军火12的弹道进行GPS校正直至弹着目标。
参考图10，发射准备包括机组人员通常是航空器10的飞行员26的行动，炸弹控制器24完成的动作，以及GPS制导军火12完成的动作。机组人员或飞行员26控制130飞机10到投弹区，即GPS制导军火的投放点。基于飞机当前位置和速度以及目标位置，利用炸弹控制器24产生的操纵命令134。由于利用持恒状态136便于GPS制导军火12的导航系统的初始化138，因此还需要飞行员保持零滚转角速度和恒定的马赫数和高度。当应用持恒状态时，炸弹控制器向GPS制导军火12的导航系统播送140位置信息。炸弹控制器24产生的声频信号向飞行员发出警报，通知他炸弹控制器24正在将信息发送到GPS制导军火12，因此有必要保持恒态直至声频信号42中止。
在发射分离期间，炸弹控制器24计算连续计算的投弹点(CCRP)。连续计算的投弹点用于计算前往投弹点144的时间。如果146前往时间小于90秒，则炸弹控制器24产生声频信号142，警示飞行员必须应用全态(whole condition)136。在未出现声频信号142时，即前往投弹点的时间大于90秒时，BCU连续计算连续计算的投弹点(CCRP)和前往投弹点144的时间。
在发射准备期间，炸弹控制器24还执行GPS重述148，计算播送到GPS制导军火12导航系统的伪距校正150，以便于提高其准确性。BCU24为GPS制导军火12提供伪距152校正。
参考图11，炸弹控制器24最好包括无线电天线160，用于为GPS制导军火12播送GPS数据和控制信号。炸弹控制器24还包括显示器30，显示器30显示与GPS制导军火12和目标有关的信息以及与航空器10飞行有关的信息。声频连接器162便于为飞行员提供声频信号，指示飞行员平直驾驶飞机10，以便于GPS制导军火12的惯性制导系统的校准。GPS连接器164连接到外部GPS天线，最好安装在驾驶舱内。选择器开关166可以断开炸弹控制器，放在备用模式，播送位置数据等主要GPS或者工作在不同模式下，例如提供误差或差动信号。需要的话，亮度和对比度控制168调整显示器30的亮度和对比度。
参考图12，根据本发明的最佳实施例，炸弹控制器24包括为功率分配器200提供信号的GPS天线32。功率分配器为柯林斯p-码(Collins p-code)GPS202和摩托罗拉c-码GPS204提供输出。多路转接器206为4865L计算机中的装置提供R2-232输出，为486SL计算机208中的装置提供输出。柯林斯p-码(Collins p-code)GPS202提供给4684计算机208的come(COM)1。
根据本发明的最佳实施例，炸弹控制器24还包括便于在系统测试期间与GPS制导军火12通信的测试端口。蓄电池电源210提供内部电源，以便于炸弹控制器24的自主运行。
此外，根据本发明的最佳实施例，486SL计算机208具有第一和第二PCMCIA接口212和214。第一PCMCIA接口212可以是备用PCMCIA接口，也可以利用该接口作为任何需要的特殊用途。使用第二PCMCIA接口214以便于与固态闪速驱动器(flash drive)216通信，该驱动器的容量最好约为20兆字节。
486SL计算机208最好还包括点击设备，例如跟踪球或鼠标。或者，利用触摸屏或其他点击设备。486SL计算机最好为LCD图形显示器提供输出。
根据本发明的最佳实施例，486SL计算机208还包括为射频数据链接及端口/扫描逻辑接口220提供数据的PC打印机端口218。射频数据链接及端口/扫描逻辑接口与共用无线电天线226的无线电接收机222和无线电发射机224电通信。六个离散开关228为射频数据链接及端口/扫描逻辑接口220提供输入，便于将唯一的标识码输入炸弹控制器，使得炸弹控制器仅与期望的GPS制导军火通信。
参考图13，在炸弹控制器24的初始化期间，飞行员首先接通300炸弹控制器24。这导致商用GPS接收机的最初探测302和军用GPS接收机的最初探测304。商用GPS接收机的最初探测302和军用GPS接收机的最初探测304一般需要约20秒钟。如果在306存在有年历，则提供最初定位308。如果在306没有年历，则收集年历310。年历的收集通常需约12.5分钟。在最初定位308之后，收集位置推算历312。这一般花费约30秒钟。GPS开始接收148并完成伪距校正150的计算。在计算伪距校正的过程中，通常以约1Hz的频率进行GPS接收148。然后为GPS制导军火12提供伪距校正。
对于军用GPS接收机来说，作检查是为了证实密钥(key)是存在的314。如果密钥是存在的，通过军用GPS接收机提供最初定位316。否则，收集密钥318，然后提供最初定位316。GPS320接收则继续以约1Hz的频率进行。提供目标坐标以便于连续计算的投弹点的计算130。连续计算的投弹点用于计算144行进时间。计算连续计算的投弹点和行进时间的过程以约20Hz的频率继续。用连续计算的投弹点经度和纬度计算航向提示和计算行进时间146，航向提示为飞行员提供到投弹点所需航向的指示。GPS制导军火12连续保持在备用模式148，直至发射准备开始。
参考图14，用于本发明GPS制导军火的尾翅箱包括机械地缚接到军火例如MK82/EU2500磅炸弹后端的外壳400。
本文讨论和例示的MK82/EU2500磅炸弹仅是举例，而不起限制作用。本领域的技术人员可以理解，本发明的GPS制导军火可以和其他现有军火一起使用，需要的话，甚至可以在用户定制设计的军火中使用。
电子设备组件402包括电子线路，电子线路用于与幅度检测器404接口、热电池406、冲压空气发生器408、无线电410、控制传动装置412、分离检测器414以及GPS接收机416。幅度检测器404包括包含至少一个滚转角速度陀螺仪的惯性导航系统。热电池406在投放GPS制导军火12前和投弹后为运行电子设备和控制传动装置提供能源。任选地，冲压空气发生器408在GPS制导军火12投放后提供能源或增加热电池406的输出。无线电410便于与炸弹控制器24通信。
根据本发明的最佳实施例，为独立的控制表面或尾翅418设置四个单独的控制传动装置412。尾翅的这种独立控制便于使用各种不同的飞行控制策略，例如滚转转向、滑动转向等。正如本领域技术人员所理解的，需要的话，也可以使用少于四个控制传动装置412。
位于GPS制导军火12尾部的GPS天线48便于通过民用GPS接收机416从GPS卫星接收位置信息。
分离检测器414提供GPS制导军火12已经从航空器10投放的指示，以便起动GPS制导军火12的自主运行。
参考图15，根据本发明的另一结构，制导和控制处理器包括40MHz80106处理器500并使用CPU总线结构502，其中无线电频率数据链接及GPS接口EEPROM/RAM504、传动装置接口/功率放大器506、256K字存储器508、以及模数转换器510都位于CPU总线502上。发射机512和接收机514与RF数据链接机GPS接口EEPROM/RAM504电通信且共用GPS天线516。传动装置接口/功率放大传动装置518提供位置命令并从那里接收熟练的反馈。模数转换器510从加速计(如果使用的话)和滚转姿态检测器即滚转角速度陀螺仪520接收信号。
根据本发明的这一可替换实施例，制导及控制处理器500与数据链接522通信，数据链接522有电池524供电且仅用于测试。数据链接522具有可用于仿真来自炸弹控制器24的信号的天线。
GPS天线528与摩托罗拉C-码GPS530通信，摩托罗拉C-码GPS530为射频数据链接和GPS接口EEPROM/RAM504提供RS232输出。热电池532和/或冲压空气发生器534与DC-DC电源536和整流滤波器及电池电气引爆器538一起提供电能。根据本发明的该最佳实施例，整流滤波器及电池电气引爆器538、DC-DC电源536、摩托罗拉C-码GPS530、制导及控制处理器500、射频数据链接和GPS接口EEPROM/RAM504、传动装置接口/功率放大器506、256K字存储器508、模数转换器510、发射机512和接收机514都设置在一个单个模板540上。但是，本领域的技术人员可以理解的是，这些元件的其他不同结构也同样是适合的。
参考图16，方框图示出了GPS制导军火12的导航及飞行控制系统的操作。民用GPS接收机74为导航滤波器550提供伪距和距变率(range rate)，导航滤波器550则为预测器552提供位置、速度和风信息。
预测器552为导航缓冲器554以1Hz提供100Hz信号，导航缓冲器544为制导556提供100Hz位置速度和滚转信号。控制558为飞行控制系统提供尾翅控制角，并接收导航滤波器550的输出。控制558还为导航滤波器550提供并估计所应用的控制。滚转角速度陀螺仪560为导航滤波器550和控制558提供输出。任选的加速计562(如果使用的话)为动态压力估计564提供输出，从动态压力估计564计算出阻力并提供给导航滤波器550。动态压力估计564还为控制558提供输出。
参考图17，图16的控制为导航卡尔曼滤波器600提供阻力和所应用的控制以及机体坐标。GPS重演(encore)602接收机、民用GPS接收机为导航卡尔曼滤波器600提供安置的速度时间数据或伪距和速率范围。无线电接收机514为GPS重演接收机602提供差动校正或者为导航卡尔曼滤波器600提供伪距和距变率。导航卡尔曼滤波器600为短期动作预测器提供位置和速度数据，预测器为导航缓冲器554以1Hz提供100Hz输出。导航缓冲器为图16所示制导提供输出信号。
可以理解，图中所示和所述的示例性GPS制导军火仅是本发明目前的最佳实施例。事实上，在不背离本发明主题和范围的情况下可以对本发明的实施例进行各种修改和增补。例如，本领域的技术人员可以理解，不同类型的军火，例如导弹、炸弹、炮弹等，都可利用本发明的GPS制导。同样，本发明的GPS制导不必限制于空中发射/降落的军火。因此，这些以及其他的修改和增补对本领域的技术人员来说是显而易见，可以使本发明适用于各种不同应用。

Claims (19)

1.一种用于军火的尾翅组件，所述尾翅组件包括：
a)缚接军火的外壳；
b)至少一个飞行控制表面；
c)引起飞行控制表面的运动的传动机构，以便于军火的制导；以及
d)控制传动机构的制导系统，制导系统包括实现传动机构控制的全球定位系统(GPS)。
2.根据权利要求1所述的尾翅组件，其中，制导系统包括民用GPS接收机。
3.根据权利要求1所述的尾翅组件，还包括从飞机接收控制信号的无线电接收机。
4.根据权利要求1所述的尾翅组件，其中，飞行控制表面包括至少三个垂尾。
5.一种武器系统，包括：
a)飞机；
b)缚接到飞机的可投放军火，军火包括：
i)至少一个飞行控制表面；
ii)实现飞行控制表面的运动的传动机构，以便于军火的制导；以及
iii)控制传动机构的制导系统，制导系统包括实现传动机构控制的全球定位系统(GPS)。
c)与军火通信的控制器，用于为军火提供提高军火的GPS系统准确性的制导信息。
6.根据权利要求5所述的武器系统，其中，控制器包括准确性高于军火的GPS接收机的GPS接收机。
7.根据权利要求5所述的武器系统，其中，控制器包括军用GPS接收机，军火包括民用GPS接收机。
8.根据权利要求5所述的武器系统，其中，控制器包括无线电发射器，军火包括无线电接收机，从而便于来自控制器的控制信号和制导数据传递到到军火。
9.根据权利要求5所述的武器系统，其中，控制器包括自主装置。
10.根据权利要求5所述的武器系统，其中，控制器缚接到飞机机组人员的一条腿上。
11.一种投放军火的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将军火可投放地缚接到飞机；
b)通过无线电将来自自主控制器的制导信息传递到军火；
c)从飞机投放军火；
d)使用全球定位系统将军火导向目标。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，军火包括炸弹。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将来自自主炸弹控制器的制导信息传递到军火的步骤包括将来自军用GPS接收机的制导信息传递给包括民用GPS接收机的军火，所述信息提高了军火制导系统的准确性。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括将控制器缚接到飞机机组人员一条腿上的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，将来自自主控制器的制导信息传递给军火的步骤包括将误差信号从控制器传递到军火，误差信号便于提高军火的准确性。
16.一种用于由飞机承载的GPS制导军火的控制器，所述控制器包括：
a)军用GPS接收机；
b)无线电发射器，用于将GPS信息从控制器发射到GPS制导军火；
c)其中，控制器能自主操作，以便减少了修改飞机的需要。
17.根据权利要求16所述的控制器，还包括民用GPS接收机和比较电路，比较电路将军用GPS接收机输出与民用GPS接收机输出相比较，根据军用GPS接收机输出与民用GPS接收机输出之间的差值产生误差信号，将误差信号提供给无线电发射器以发射到GPS制导军火，从而提高其准确性。
18.一种制导军火，所述军火包括：
a)GPS接收机；
b)响应GPS接收机的传动机构；
c)由传动机构控制的多个垂尾；
d)用于GPS接收机的两个天线，在两个不同垂尾中的每个垂尾上放置一个天线；以及
e)开关电路，将GPS接收机交替连接到两个天线中的每个天线上；
f)其中，通过使用两个天线产生的位置信息便于确定军火的滚转姿态。
19.一种提高军火准确性的方法，所述方法包括以下步骤：
a)交替接收来自两个不同天线中每个天线的GPS信号，两个天线缚接到军火的两个不同垂尾上；
b)利用接收到的GPS信号确定军火的位置和军火的滚转姿态；以及，
c)利用军火的位置、军火的滚转姿态、以及目标的位置将军火导向目标，当军火的飞行控制表面移动时，军火的滚转姿态影响军火飞行控制表面的移动，从而将军火导向目标。
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