没有GPS以前,洲际导弹是怎么保证精度的?
洲际导弹用GPS?这纯粹是找死的节奏啊!
洲际导弹是终极大杀器,核武运载工具,妥妥的国之重器。而GPS是美国开发的全球卫星导航系统,精度可达米级。
那么,把GPS和洲际导弹的数据来个匹配,不就可以实现指哪打哪了嘛?多简单,多省事!
然而,如果战时,美国把GPS的导航服务关掉怎么办?那么洲际导弹还怎么命中目标?更可怕的是,如果美国修改一下GPS的数据,给一个虚假的数据,那么洲际导弹甚至会打到自己人的头上!另外,GPS的另一个弱点,是很容易受到无线电干扰。
答案显而易见,GPS虽然用起来一时爽,但是,自驾车可以用,手机可以用,渔船可以用,到了洲际导弹这儿,那就绝不能用!
所以,各个大国的洲际导弹,从研发之初,就根本不考虑采用GPS导航这种极不靠谱的方式,而是采用另外的导航方式。
具体来说,最基本方式的是惯性导航,辅助方式是天文导航。
所谓的惯性导航,就是以洲际导弹发射初始的位置为相对0点,点火时间为相对0秒,然后把目标数据输入弹体计算机,在洲际导弹上,安装有陀螺仪,速度计,加速度计。
这样,根据陀螺仪的数据,就能确定导弹弹体的姿态,是竖着飞,还是平着飞。然后取得速度计,加速度计的数据,输入弹体内的计算机,依靠专门的计算公式,计算得到弹体的位置。
陀螺仪
然后,根据预定的弹道轨迹,操纵导弹在适合的时间段,实施姿态调整。就这么一路飞啊飞,直到飞到目标点,起爆!
如今的激光陀螺个头很小,精度也很高,做一套这样的惯性导航系统,价格并不是特别的高,体积也可以做得很轻巧。但是在洲际导弹刚出现的时代,根本没有激光陀螺的技术,那时候还全部是机械陀螺,用一个巨大的机械陀螺来完成这个任务。
激光陀螺
事实上,不但洲际导弹需要用到这个惯性导航,在另一样重器,核潜艇上,也是使用惯性导航来保证自己位置的。这是因为,核潜艇的战术使用要求就是,要求可以在水下长航数十天。几十天不出水面,怎么确定核潜艇的位置?就靠这个!
至于天文导航,则是根据某些星星的位置,来确定洲际导弹的位置。这种方法最早在航海学上得到了广泛引用。比如百年前的船长,要知道船航行到了什么地方呢,就要用六分仪,来确定纬度。
六分仪
因为宇宙中星星距离地球的位置非常非常非常遥远,我们可以认为在短时间内,星星的位置是固定的,那么只要测量特定星星之间的连线角度,就可以确定自身位置,这就是天文导航的原理。洲际导弹上需要用到的天文导航仪器,主要是星体跟踪器。该仪器的原理是,采用光电装置,自动寻找捕获天空中某些星星的位置,然后根据一定的数学公式,得到洲际导弹自身的位置信息。
那么,把惯性导航装置和天文导航装置结合起来,都装在洲际导弹上面,再用程序控制,以惯性导航为主,以天文导航为辅,就可以很好的让洲际导弹按照预定轨迹飞行,直到打到目标了。
至于精度,洲际导弹对于精度的要求很宽松。这是因为,洲际导弹的弹头都是核武,杀伤半径以十公里级别计算,那么,只要洲际导弹的导航精度,能够达到千米级,也就是1公里,2公里,3公里,都可以接受!
在早期的洲际导弹,由于采用的机械陀螺仪误差比较大的缘故,所以2公里,3公里的精度误差很常见。但是随着激光陀螺仪异军突起,洲际导弹的精度一下提高了一个数量级,达到了百米级别。
达到百米级别,你还不满意咋滴?对于核武运载工具,再去追求十米级精度,米级精度,就毫无意义了。洲际导弹,科技树已经发展到了顶点。从科技的角度来说,已经是一种完美的武器。
好了,就写到这里吧。
文字原创,配图来自公共网络,侵删。
远程导弹几乎不使用gps,因为太不可靠了。导弹一般使用惯性导航,它只需要知道自己的起飞坐标与目标坐标就行,中间是靠自身陀螺仪利用惯性导航。这个好处是几乎没有任何办法干扰它的导航。
如果说洲际导弹用GPS那么本身就是一个错误的说法。可以这样告诉大家,有了GPS以后弹道导弹也不是用GPS制导的。
不仅仅弹道导弹不能用GPS导航,而且就连大部分超音速飞机在高速飞行的时候也是脱离GPS导航的。
其实原因特别简单,GPS系统是有限速条件的。GPS系统智能为速度1000节以内的设备导航。1000节是什么概念呢?就是一小时行驶1000海里,大约是1852公里/小时。如果换做米/秒计算的话大约是554米/秒。也就是1.5马赫速度多一点。
所以大家可以看到,大部分军用战斗机其实都会飞到这个速率之外,更别提末端速度达到20多马赫的洲际导弹了。GPS不靠谱吧?
对于为什么GPS不能达到给高速战斗机或者弹道导弹提供导航的能力,这主要还得从GPS卫星的发射机频率说起了。
我们都知道GPS是一组在地球轨道上运行的卫星系统。
这些卫星会定期的将带有时间码的无线电信号发送出来。当接收机接到一组时间信号后就可以通过三角定位法来计算出自己的位置。
但前面说了GPS卫星会定期的发送时间码信号,这个定期是多久?——0.2秒。也就是GPS发送定位信号的频率是5Hz(不是无线电波频率)。如果是通过三角定位法去定位,那么一个定位点上至少要收到3个GPS卫星所发出的信号。我们可以做假设接受到1号卫星的时候是0.00秒,接受到2号卫星的信号的时候是0.05秒,接受到3号卫星的信号的时候是0.08秒。那么在0.00秒至0.08秒之间,1000节速度的物体移动了多少米呢?大约是大约41米吧。利用这个方式去定位,那么就会产生大约160米以上的误差,GPS就已经失去了它的作用。现在来看导弹误差超过了100米基本上就是没打中。那么导弹也就根本不会利用GPS作为导航设备了。
其实美国当年设计GPS系统的时候也没有指望这个东西能够给弹道导弹进行导航。
弹道导弹的导航其实还是靠惯性制导系统来做的。简单的说就是陀螺仪。也就是这个东西:
这是民兵导弹系统的惯性陀螺仪。在导弹发射前就开始高速旋转,并且根据当地地点信息进行校准。当导弹发射后,只要导弹受到了加速度影响这个陀螺仪上就会有相应的电压信号进行输出。这时导弹的控制机构就对这个加速度进行补偿。
单一的看一个时间点上导弹飞行的共识其实很简单,只需要计算XY两个坐标的加速度就可以了。看下面的公示
这组公示的解就是:X和Y轴上需要的加速度。
如果知道了需要的加速度,那么就依靠控制装置来实现这个加速度就可以了,因此,在导弹上往往会利用以下装置:
上面的东西叫做“燃气舵”,燃气舵使用耐高温的材料在火箭喷口位置工作,通过燃气舵的偏转火箭尾焰就可以让火箭在某一方向上获得额外的加速度。
另外,还可以使用安装在火箭箭体周围的小型火箭发动机——“姿态发动机”。依靠不同角位置的姿态发动机的打开和关闭,也可以修正X、Y轴上的加速度,靠这些手段导弹就会在某一时间片上使火箭获得正确的加速度。
从理论上来讲,只要修正一次就可以准确的命中既定目标。但从实践上来说其实要一秒之内修正很多次。这主要来自于未知的大气、空间、引力扰动,甚至火箭发动机自身的震动都会使火箭偏离方向。因此在火箭飞行的过程中要实时的计算加速度修正量。
而导弹射击的精度其实就是由每秒修正的次数来确定的,二战期间德国的V-2导弹在飞行过程中每秒大约会修正60次这只是机械设备的修正频率,整体上和一台钟表没有太大区别。而现代的弹道导弹由于电子技术的大幅度发展,已经可以通过石英震荡晶体取得更小的时间片,基本上每秒可以作出高达10万次的修正指令。这可比GPS每秒5次的频率要高得多也准确的多了。
当然了,现在我们在看某些型号的弹道导弹的时候,会发现这些弹道导弹也带有GPS装置。这些导弹的GPS装置其实并不是在飞行的时候导航的,而是在发射前对导弹进行位置确认和矫正的。在战时如果GPS卫星全被摧毁,那么导弹起始位置的测算就不能用GPS了,那么就得手工使用六分仪来测定导弹所在的位置了。
但六分仪侧位置,其实还真不是多困难的事情。
读过这篇文章,W君期望:
1.大家知道GPS不是给弹道导弹和超音速飞机导航的
2.大家要了解弹道导弹导航的手段
3.多多关注W君,这些事其实早就说过了。
洲际导弹通常采用惯性导航系统,里面的惯性测量单元就是陀螺仪。洲际导弹的导航和GPS没啥关系。导航精度直接决定着洲际导弹威力,例如将洲际导弹的打击精度提升1倍,弹头的当量就能降至原来的25%,这是非常惊人的提升。而打击精度和制导系统密切相关,因此这就对陀螺仪提出非常高的要求。国庆阅兵式上亮相的东风-41惯性导航系统就采用了我国最先进的四频差动激光陀螺+星光制导系统,其精度能达到150米,在搭载核弹头的加持下,其误差基本可以忽略。
目前制导系统的发展越来越向高精度、小型化发展。尤其是高精度机电陀螺将占据重要位置,外国将通过改进现在的陀螺和配套元器件等提升可靠性和精度。同时还开展新型陀螺的研究,例如原子干涉/自旋陀螺、光子晶体光纤陀螺等。其中前者已经在实验中取得初步成功,而灵敏度更是比现有的陀螺仪精度提升10个数量级。光子晶体光纤陀螺也能显著提升陀螺精度。
此外制导系统的误差补偿技术也能提升制导精度,当仪器本身的精度收到制约时,误差补偿技术能将精度提升1~3个量级。此外陆基无线电定位、惯性器件技术、末助推技术、星光定位技术、地形定位匹配技术、景象匹配定位技术等,和惯性导航技术相结合,同样对洲际导弹的惯性导航系统提升很大。随着原子、光子等敏感器件的应用,系统复杂程度降低,惯性导航系统的可靠性会进一步提升。新的器件、材料和技术都是提升惯性导航精度的重要方向。
美军还委托霍尼韦尔国际公司研发出激光陀螺仪用在小型导弹中,它在加速度计的协同下能够帮助物体感知任意时刻的空间位置,而被誉为陀螺仪的“明珠”。霍尼韦尔研发的GG1308激光陀螺仪,采用一体成型工艺,总体积小于2立方英寸,重量只有60克,精度能达到1°/h!
星光导航,听说过没?精度比GPS高,因为天上有几万颗星星,位置在某一个时间点是固定的,也就是说你导弹上的时间能有多精确,位置就能有多精确,理论上纳米级别!实际上现在也能做到厘米级,不过不需要,现在东方快递的星光导航误差在米级。
感谢悟空小秘书的邀请。
其实,这问题也可以转变成:
核潜艇在几百米深的海下潜行十几天,没有GPS,他们是怎么导航的?
显然,依靠的是惯性导航。
同理,洲际导弹也是。
陀螺仪有一个非常重要的特性,这就是定轴性。
上图,外面两个框架在动。
而它们所代表的轴也在不断改变方向。
但最里面的框架,虽然也动,但它的轴始终不变,这就是陀螺仪的定轴性。
就像指南针一样,永远指着一方向,但比指南针精度高得多。
之所以叫陀螺仪,这是因为现实中的陀螺也具有粗陋的定轴性。
有了类似“指南针”的陀螺仪还远远不够。
因为导弹,或者核潜艇一段时间内行驶了多少里程,你得精确计算出来。
比如说:
你往北走1公里
再往东走1公里
再往南走1公里
再往西走1公里。
请问,你现在在哪里?
答案是:
你已经回到了原点。
为什么你能知道?很简单:
因为你精确地掌握了方向,比如上面的例子“往北”、“往东”……
就是方向。
同时,你还知道,在哪个方向上走了多少里程。
比如上面的“1公里”就是里程。
现在,陀螺仪能告诉我们方向,但是里程怎么弄?
洲际导弹的速度不是均匀的,所以很好计算,它的速度一直在变化,怎么办?
这就得依靠加速度计了。
(我之前做的动图)
上面动图表示了加速度计的大概原理。
陀螺仪+加速度计=惯性导航
惯导不但用在核潜艇上,它还用在导弹上。
在一篇论文上,我甚至看到有研究人员说:
弹道导弹打得准不准,70%依靠惯导的精度。
惯性导航有两大优势
一是,惯导无须接收外部任何信息。天不靠地不靠,只靠牛顿的惯性定律。
二是,惯导不会向外辐射能量,从而也不会暴露自己。
因此,又有人说:
核动力、导弹和惯性导航被称为战略武器的三大关键技术。
洲际弹道导弹作为大国核威慑力量,其制导模式从诞生以来基本构架方面变化并不大,这不是因为技术没有进步,而是为了确保可靠性。因此洲际导弹的制导方式采用复合式制导模式,主要依赖于不同制导方式来共同提供航向制导,从而达到既能互相纠正偏差,确保CEP值处在设计范围以内,又能确保当某一种制导模式失效时,其他制导系统也能为导弹提供制导(CEP值的意思是“圆概率误差值”)。
洲际导弹的制导主要采用两种方式,即惯性制导和星光制导,另外还有地形匹配制导、卫星定位制导、光电电视制导、雷达制导等等多种辅助制导方式,其中卫星定位制导就是题目中所提到的“GPS”,对于射程达到5000公里~200000公里的洲际导弹而言,“GPS”卫星定位制导永远都只是辅助制导方式之一,因此不论是有“GPS”之前还是“GPS”问世之后,它对洲际导弹的精度的影响并不大,甚至可以说是可有可无。
比如说世界上第一种洲际导弹——苏联P-7洲际导弹(苏联编号为8k71),该导弹诞生于1957年8月,全长约29米,最大宽度约10.3米,267吨,起飞重量最大起飞推力486吨,有效载荷3吨,可搭载一枚当量约为200万吨的核弹头,制导方式为惯性制导+雷达制导。
惯性制导是该型导弹的主要制导方式,是通过惯性制导系统中的陀螺仪以陀螺效应原理实施控制;而雷达制导则属于辅助制导方式,是通过一部横偏雷达制导系统中的横偏雷达测量仪来校正导弹的横向偏差和速度,从而达到降低CEP值、提高命中精度的目的。
当导弹以惯性制导+雷达制导“双模制导”的形式实施打击时,P-7洲际导弹的CEP值≤750米;当雷达制导系统因故障或受干扰无法提供弹道横偏校正时,导弹的CEP值为约1750米。虽说命中精度误差因此而增加了整整1000米,但是对于爆炸当量为200万吨的原子弹来说,这点误差对毁伤效果基本没有影响。
而GPS于1964年才开始问世,到1994年才基本实现全球覆盖(覆盖率98%),这时候洲际导弹早已发展到了第三代,命中精度更是提高到百米级,比如美国的LGM-30G“民兵3”洲际弹道导弹,它采用NS-20型制导控制系统,系统由惯性制导+星光制导组成,俗称“捷联惯导系统”,由计算机系统进行控制,CEP值≤200米(1993年升级为NS-50后降低到了120米),可见洲际导弹命中精度的提高跟GPS并无半毛钱关系。
▼下图为美国“民兵-2”型洲际导弹制导部分的陀螺仪制导系统陀螺仪,它是能确保洲际导弹圆概率误差值≤200米的关键所在,没有它,导弹就只能像火箭弹那样盲目的飞行,精度也就无从谈起。
陀螺仪惯性制导和星光制导是远距离航行、飞行最可靠的制导方式
相信有许多读者至今在心里仍然存在一个疑问,那就是二战结束之前人类为何没有洲际飞行能力的飞机?其实答案非常简单——导航技术制约了飞机洲际飞行的技术发展。以当时飞的最远的大飞机——B-29“超级空中堡垒”轰炸机为例,空载状态下最大航程为5000公里,满载状态下(9吨)最大航程为3360公里,它的导航方式仍然为传统的无线电导航。
无线电导航的问题在于电磁波是以直线形式传播的,受地球曲面影响,每40公里就要设置一个导航中继中心,否则飞机在进行远距离飞行时必然会迷航。
以B-29首次轰炸日本本土的战例来说明这个问题:1944年4月,美军68架B-29轰炸机从重庆周边机场起飞,准备对日本九州的八幡市实施轰炸,单程距离约为2400公里,途中除了在我国大陆各地区设置导航重型以外,在飞越大洋时还有飞机在空中提供制导信号中继。
即便如此,真正飞临日本九州八幡市上空的B-29轰炸只有8架,其中只有3架投弹命中目标——九州钢铁厂。究其原因就是轰炸机进入日本空制空域后再无导航服务,很多轰炸机都迷航了。所以二战结束之前人类即便是拥有洲际飞行性能的飞机,却无跨洲际飞行的能力。
直到德国人开始在V-1弹道导弹上应用陀螺仪惯性制导技术以后,人类才开始掌握在飞行器上使用惯性制导技术,以达到远距离飞行的目的,人类这才得以在真正意义上实现乘坐大型客机实现跨洲际旅行的梦想。
比如波音707大型客机,它于1954年7月15日首飞,1958年开始商业运营,是世界上第一种能跨越大西洋或者太平洋,在东西半球之间执飞的大型客机,而这个时期GPS理念才刚刚提出,因此波音707大型客机采用为洲际导弹制导的陀螺仪惯性导航系统。
惯性到导航系统的导航原理是利用陀螺仪始终指向一个方向的原理来实现制导,玩过陀螺的读者朋友都知道,陀螺在高速旋转时,底部始终指着地面,永远不会发生改变,所以利用它的特性来做为导航,精度是十分可靠的。
在陀螺仪制导技术尚未成熟之前,人类跨洲际旅行主要依靠船舶,船舶在大洋上远距离航行时同样存在导航问题,由于茫茫大海上很难找到参照物来进行方向辨识和定位,因此人们想到星星。
星光导航的原理是利用惯性空间里从地球到恒星的方位基本保持不变的原理进行定位,从而实现导航的,可以通过仪器(六分仪)测量恒星与海平线或地平线的夹角,以便迅速得知海船或飞机所在位置的经纬度进行定位,然后进行海图作业,制定航行计划。
现代星光导航系统的导航原理与早期的六分仪星光定位原理是一样的,区别在于现代星光导航系统结构相对复杂,由星光跟踪器、陀螺平台、计算机(信息处理电子设备)和姿态控制系统(自动驾驶仪)等电子设备组成,定位精度更高(星光跟踪器本质上仍然是一部六分仪)。
不管是陀螺仪惯性制导还是星光制导,它们都是利用自身特性和自然条件来实现定位和导航的,而且工作不受外界条件影响,只要人类世界的物理定义以及宇宙结构不发生变化,这两种在制导方式永远不会发生指向错误的发生,因此它们是最可靠的制导方式。
▼下图为大型客机上所使用的陀螺仪惯性导航系统中的陀螺仪,不管是已经退役近半个世纪的波音707客机还是现代A380大型宽体客机,它们都使用可靠的陀螺仪惯性导航系统,而不是像GPS那样的卫星定位导航系统。
陀螺仪惯性制导永远都是远距离飞行、航行的主要制导方式
从上述中我们得知陀螺仪制导和星光制导都是最可靠的制导方式,那么为何只有陀螺仪惯性才是飞机远距离飞行和船舶远距离航行的主要制导方式呢(而且还永远)?
其实答案非常简单,由于星光制导需要诸如太阳、北极星等天体参照物常常受到地球天气变化的影响而无法进行观测,在这种情况下就无法实施定位和导航了。
陀螺仪惯性导航就不一样了,陀螺仪始终在导航系统中高速旋转,它的指向在理论上并不受任何外界因素的影响,因此不管是打雷下雨,还是白天黑夜;不管是在地球上,还是在浩如烟海的宇宙,陀螺仪惯性导航系统中的陀螺仪永远不会指错方向,这就是它永远都是飞行器、船舶远距离飞行、航行的主要制导方式的原因,洲际导弹也不例外,甚至将来实施星际飞行也不会例外。
那么在科技发达的今天,陀螺仪惯性导航有没有可能会被包括GPS在内的卫星定位导航系统所取代呢?
答案是否定的,卫星定位导航系统固然是比陀螺仪惯性导航精确得多,比如说我国的“北斗”卫星定位系统,当使用军码进行定位时,精度达到了≤1米!使用“北斗”卫星定位系统制导的制导炮弹、巡航导弹等弹药命中精度目前都达到了≤10米的CEP值,东风-21D反舰弹道导弹在利用“北斗”卫星定位系统进行辅助制导时已经实现远距离命中运动目标的惊人精度。
但是这些所谓高精度依旧无法成就其取代陀螺仪惯性导航,因为卫星定位系统的“高精度”是完全依赖人造卫星在太空上的密集组网,通过三角定位技术取得的,也就是说它的“高精度”特性是人为制造出来的,并不是与生俱来的,一旦卫星网被摧毁,它就失去的定位和导航的功能。
而洲际导弹是国家的核威慑和核反击的重要手段,是一种必须达到万无一失、100%可靠的飞行器,所以不管包括GPS在内的卫星定位导航系统精度再高,它都无法做到万无一失和100%可靠,因此它们也就永远无法取代陀螺仪惯性导航了。
▼下图为使用GPS做为导航的直升机,卫星定位导航的特点是精度高,但是一旦卫星被干扰或者击毁,那么导航和定位功能就失效了,直升机做为战术装备,哪怕因此失去导航功能也不会造成严重的后果,而洲际导弹属于战略核威慑装备,它的可靠程度甚至能决定一个民族的未来,因此洲际导弹永远不会使用包括GPS在内的卫星定位导航做为主要制导方式。
提高洲际导弹命中精度的方法永远是研究陀螺仪惯性导航的精度和导弹的控制技术,而不是GPS
对于洲际导弹而言,有没有GPS,或者GPS技术发展到怎样的水平,它都与洲际导弹的命中精度无关,那么如何利用陀螺仪惯性导航来提高洲际导弹的命中精度呢?
其实制导系统并不是提高洲际导弹命中精度的唯一办法,甚至可以这么说:制导系统本身的制导精度是非常高的,而造成包括洲际导弹在内的飞行器出现飞行误差的主要原因是飞行器本身的控制技术。
比如说那些开着导航都能迷路的2B伺机,难道说2B伺机的迷路是因为导航不准确造成的?很显然并不是这样的,洲际导弹也是同样的道理,陀螺仪惯性导航系统对目标的指向是准确的,而造成CEP值的原因主要还是导弹本身的控制技术。
因此为了提高洲际导弹的命中精度,我们既要研究陀螺仪惯性导航精度,更要研究导弹的控制技术,而体现这两者所取得进步的标志就是电子陀螺仪和微型计算机技术的应用,其中微型计算机技术的应用大大地提高了导弹的命中精度。
俄罗斯的P-7洲际导弹属于第一代洲际导弹,那个时候的计算机体积就跟一辆卡车差不多大,很显然人类不可能使用计算机来提高导弹的控制水平,因此不管是苏联还是美国的第一代洲际导弹的精度都非常差,CEP值达到上千米。
而到了上世界90年代时,计算机技术已经取得了飞跃式的发展,微型计算机更是逐渐成为老白姓家中常见的“家用电器”,而做为国之重器的洲际导弹自然也就不会例外了。
导弹的控制已经从原来傻大粗的电路板更换为先进的电子计算机,导弹的命中精度因此得到了划时代的提高,比如上述中提到的美国“民兵-3”洲际导弹,它的CEP值已经达到了≤120的水平,这就意味着导弹可以搭载许多的分弹头,发射一枚导弹就能攻击多个目标。
电子陀螺仪的发明其实对提高导弹命中精度的帮助程度是有限的,因为电子陀螺仪的本身也是计算机技术发展的产物,比如说现代洲际导弹所使用的激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺和压电陀螺,如果没有计算机的运算能力进行解算和控制,电子陀螺仪就没有任何意义。
▼下图为上世纪80年代的我国导弹科学家正在研究激光陀螺仪,得益于国家坚定不移的科学强国、科学强军发展方针以及老一辈科学家的努力奠基,我国在东风-31A和东风-41两种洲际导弹上应用上了先进的激光陀螺仪惯性导航系统,命中精度达到了美国“民兵-3”洲际导弹≤120米的CEP值水平。
综上所述我们可以得出这样的结论:第一、无论是没有GPS的以前还是GPS技术已经普及的今天,甚至是GPS技术得到跨越式发展的未来,它都与保证洲际导弹的精度没有丝毫关系,洲际导弹是一种国之重器,必须保证万无一失以及100%可靠,而那些包括GPS在内的卫星定位制导系统会受到干扰或攻击的影响,并不能确保万无一失以及100%可靠。
第二、洲际导弹主要是通过陀螺仪惯性制导来保证精度的,同时为了进一步提高命中精度和可靠性,在使用陀螺仪惯性制导做为基本制导方式以外,还添加了星光制导、雷达制导、地形匹配制导、光电电视制导等辅助制导方式,如果在攻击过程中辅助制导方式没有受到干扰,那么它们将起到辅助减小CEP值的作用;如果受到干扰而无法正常工作时,导弹还是依靠陀螺仪惯性制导来实施攻击,在微型计算机技术十分成熟的现代,仅凭陀螺仪惯性制导,导弹也能取得较高的命中精度。
陀螺仪,你手机上也有。
GPS的大名相信很多人都知道,并且几乎已经涵盖了每个人的生活,而对于军事领域而言,GPS更是举足轻重的导航工具,其中最为重要的就是为洲际弹道导弹提供攻击精度,那么如果在战争时期GPS被美国关掉的话,终极弹道导弹还能命中目标吗?或者美国在战争时期把GPS数据替换成虚假的,那么洲际导弹会不会饶了地球一圈之后打到自己的头上呢?今天我们就来聊一聊这个话题。
首先可以说明的是,GPS虽然在民间使用的感受非常棒,甚至可以说改变了人们的生活,但在洲际导弹这里却并不是首选,而且能够研制洲际弹道导弹的国家,在研制初期肯定是不会采用GPS这种“不靠谱”的方式,而是采用更加其他导航方式。
洲际弹道导弹目前较为常规的导航是惯性导航+天文导航的方式。
惯性导航的意思就是以洲际导弹的发射初始点为相对0点,而点火时间也被定义为0秒,将数据重置之后再输入计算机里,而洲际导弹的内部会安装一种叫陀螺仪的装置,以此来计算速度和加速度。
数据+陀螺仪安装到洲际导弹内部之后,无论导弹弹体怎么飞行,速度都会被计算,通过对速度和加速度的数据整合,再重新输入计算机里,并根据相关的计算公式来获取导弹目前的位置。
虽然听起来很复杂,但用一个比较简单的比喻,可以把洲际弹道导弹看做成一个可以实时计算自己位置的遥控飞机,而操纵它的人只需要在合适的时间段调整导弹的方向和姿态,就可以让导弹精准攻击目标。
陀螺仪这个东西估计大家肯定也听说过,当年苹果手机的噱头之一就是使用了陀螺仪,但手机的陀螺仪跟导弹的陀螺仪肯定不是一个级别的东西了。
军用陀螺仪最开始是机械式的,且造价并不贵,而现在的洲际导弹大部分采用的都是激光陀螺仪,它的优势在于体积更小巧,精度更高。那么具体有多小巧呢?
美军委托霍尼韦尔公司研发的GG1308激光陀螺仪的总体积不到2立方英寸,重量只有60克,更重要的是这款陀螺仪的精度不超过10米,如果单从重量上来看的话,激光陀螺仪还没有一款手机重。
惯性导航这个东西不仅仅运用到导弹领域,核潜艇上也离不开它。
核潜艇为了能够在水下潜行数十天期间知道自己精确的位置,就需要惯性导航的帮助,很多人对于整个问题还是有很多的疑问,毕竟潜艇可以随时上浮来查看情况。但如果我告诉你这是一艘装载核弹头且正在执行任务的核潜艇,你可能就理解了为何潜艇要下潜几十天了。
除了惯性导航以外,天文导航则是根据星星的位置来确定洲际导弹的位置,这种方法最早是在航海时代开始的。当时的商船上没有任何的导航工具,所以船长必须依靠“六分仪”观察星象来确定维度。
而洲际弹道导弹撒谎给你安装的天文导航仪器的概念与六分仪类似,都是根据星体的位置进行追踪,通过光电装置自动捕获星星的位置,然后自动进行数学公式的运算,最终获得精确的位置信息。
很多人都认为PGS的精度非常高,不首先使用的话比较浪费资源,但对于实际情况来说,洲际弹道导弹本身对于精度的要求并不高,主要是因为洲际导弹只要一出手,那必定安装的是核弹头,而且杀伤半径都是10公里,所以跟洲际导弹说精度,还是有一点较真了。
所以说就算没有GPS导航系统,洲际弹道导弹还是可以轻松打击目标,并且精度也不会相差几公里,而且自从激光陀螺仪的加入,导弹的精度也得到了一个数量级,所以根本不需要对精度这件事过于担心。
其实大家对于GPS的认知还是比较浅薄的,虽然在日常生活中比较便利,但它依然是美国人掌控的,如果真的发生战争了,人家想怎么玩都行,而如果洲际弹道导弹只采用GPS这一种导航方式,就意味着你知道的核弹头,是由美国人控制的,所以说GPS是最不靠谱的,同时也是最不安全的。
弹道导弹的基本制导方式是惯性制导(Inertial Guidance)以及与惯性制导联合使用的星光制导(Stellar Guidance)。惯性制导的是利用弹上惯性元件测量导弹相对于惯性空间的运动参数,在给定的运动初始条件下,由制导计算机计算出导弹的速度、位置和姿态等参数,形成控制指令,调整导弹推力大小和方向,引导导弹飞向目标。
第一种实用弹道导弹V-2的双陀螺仪惯性制导组件
惯性制导系统由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。其中,惯性测量装置由三个加速度计和三个陀螺仪组成。前者用于测量导弹质心在三维坐标系中各方向上的加速度,后者用于测量导弹质心在三维坐标系中相对于三个坐标轴的角速度。
地心惯性坐标系
弹道导弹一般使用地心惯性系。该惯性系以地形为原点,一根坐标轴沿地球自转轴,另外两个坐标轴在地球赤道平面内,三个坐标轴相互正交。测量运动物体在惯性坐标系中的加速度进行一次积分可得到速度,两次积分可算出运动体在所选择的导航参考坐标系中的位置;对角速度进行积分则可以算出物体运动的姿态角,即:
惯性测量装置按照仪表的组合方式,分为平台式和捷联式。
平台式惯性测量装置利用陀螺仪将平台稳定于惯性空间,加速度表组合固结在平台上。由于加速度表于惯性参考系之间的角度不变,因而导航计算简单。平台隔离弹体震动和角运动,加速度表组合的工作环境良好,具有初始对准较易实现的有点。这种惯性制导装置是目前在战术和战略弹道导弹上应用最为广泛的。
捷联式惯性制导装置额加速度表组合固结在弹体上(加速度表组合与惯性参考系间的角度随弹体姿态变化而变化),采用陀螺仪作为角位移或角速度传感器,测算出加速度表组合相对惯性参考系的角度,再用计算机将加速度表组合的测量值转换到惯性参考系。捷联式导航计算较复杂,仪表受弹体振动影响较大,但具有设备简单、可靠性高、采用冗余技术容易等优点。
惯性制导是以自主方式工作的,不与外界发生联系,所以抗干扰性强和隐蔽性好。地对地战术导弹、洲际战略导弹和运载火箭都装备了惯性制导系统。
但是惯性制导由于存在初始测量误差和仪器误差,其精度不高。
星光制导(天文导航)是根据导弹、地球、星体三者之间的运动关系,来确定导弹的运动参量,将导弹引导向目标的一种制导技术。
星光制导的主要设备是六分仪。六分仪是一种天文导航观测装置,其借助观测天空中星体的位置来确定导弹的地理位置。
导弹星光制导系统主要有两种工作方式。一种是由光电六分仪或者无线电六分仪跟踪某一星体,引导导弹飞向目标。另一种是由两部光电六分仪或者无线电六分仪分别观测两个星体,根据两个星体等高圈的交点确定导弹的位置,引导导弹飞向目标。
星光制导(天文导航)原理
其原理如下:天体相对地球的运动规律是已知的。选择一颗较亮的恒星,该星体在地球表面的投影为星下点。在地球表面某位置观测星体可得到星体的高度角,高度角相同的位置以星下点为中心构成的圆弧为等高线。使用六分仪测得某星体高度角后,根据天文年历与时刻可推算出星下点的位置,即可在地图上作出一个等高圆,此时再观测另一颗星体并重复上述步骤,可得第二个等高圆,两个等高圆有两个交点分别对应虚位和实位,此时通过之前的航迹或者在观测第三个星体作出第三个等高圆,就可确定当前所在位置。