GPS在導彈制導中的應用探討

概括地說(shuō)，國防高技術(shù)應包括兩個(gè)層次的技術(shù)。一是支撐高技術(shù)武器裝備研制的共性基礎技術(shù)，如微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、電子計算機技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源和動(dòng)力技術(shù)、仿真技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)等;二是針對武器裝備功能需要的應用技術(shù)，如探測技術(shù)、精確制導技術(shù)、C(U3)I系統 技術(shù)、電子對抗技術(shù)、隱身技術(shù)、反隱身技術(shù)、航天技術(shù)、核武器技術(shù)和先進(jìn)防御技術(shù)等。本課題正是在這種背景下，研究GPS這一全新的全球定位系統在導彈制導中的應用，有重要的軍事價(jià)值和現實(shí)意義。

　　1　導彈飛行環(huán)境(高動(dòng)態(tài)環(huán)境)給接收GPS信號帶來(lái)的問(wèn)題及解決方案

　　導彈制導的顯著(zhù)特點(diǎn)是在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)施軌跡導引和誤差校正。研究GPS在制導中的應用必須研究高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來(lái)的影響。GPS系統是由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛星組成的星座。GPS衛星的軌道高度為20000km，星上裝有10-13高精確度的原子鐘。地面上有一個(gè)主控站和多個(gè)監控站，定期地對星座的衛星進(jìn)行精確的位置和時(shí)間測定，并向衛星發(fā)出星歷信息。用戶(hù)使用GPS接收機同時(shí)接收4顆以上衛星的信號，即可確定自身所在的經(jīng)緯度、高度及精確時(shí)間。

　　1.1　高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來(lái)的問(wèn)題

　　與中、低動(dòng)態(tài)環(huán)境相比，高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來(lái)了如下問(wèn)題：

　?、佟「邉?dòng)態(tài)使GPS載波信號產(chǎn)生較大的多普勒頻移，若使普通接收機的載波鎖相環(huán)PLL(常用costas 環(huán))能夠保持鎖定，就必須增加環(huán)路濾波器的帶寬。這樣就會(huì )使寬帶噪聲竄入，當噪聲電平增大到超過(guò)環(huán)路門(mén)限時(shí)就會(huì )致使載波跟蹤環(huán)失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導航解，這樣就會(huì )丟失距離和距離變化率的估計值;若不增加載波鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，則載波多普勒頻移常常會(huì )超過(guò)鎖相環(huán)的捕獲帶，這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。

　?、?高動(dòng)態(tài)也使得GPS信號的副載波，即偽隨機碼產(chǎn)生動(dòng)態(tài)時(shí)延，使得普通接收機的DLL碼延時(shí)跟蹤環(huán)容易失鎖，而且重新捕獲時(shí)間很長(cháng)，往往使導航解發(fā)散。

　?、?載波跟蹤失鎖也使50 Hz的調制數據無(wú)法恢復，相應的衛星星歷無(wú)法獲取。

　　1.2　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來(lái)問(wèn)題的典型方法

　　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的問(wèn)題，主要是研究如何提高在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對多普勒頻移的了解程度。研究表明，多普勒頻移一般可通過(guò)某些算法進(jìn)行多普勒頻移估計而掌握，或者通過(guò)慣性導航系統來(lái)提取。

　　1.2.1　高動(dòng)態(tài)環(huán)境中多普勒頻移估計方法

　　在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對多普勒頻移估計算法的研究最早也是最有成績(jì)的是美國JPL實(shí)驗室，該實(shí)驗室曾經(jīng)研究過(guò)以下算法：

　?、佟〗谱畲笏迫还烙?MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個(gè)連續同相和正交采樣值來(lái)對頻率及其時(shí)間導數進(jìn)行估計的。

　?、凇〔捎脭U展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準最優(yōu)遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進(jìn)行載波跟蹤。

　?、邸〗徊孀詣?dòng)頻率控制環(huán)(CPAKC)，即一種簡(jiǎn)化的估計淹沒(méi)于噪聲中正弦信號頻率并有極高動(dòng)態(tài)的準最優(yōu)算法。

　?、堋☆l率擴展卡爾曼濾波器(FEKF)，即一種先對去除相位影響后的數據進(jìn)行叉積，再進(jìn)行低節次EKF的頻率估計算法。

　　在設計高動(dòng)態(tài)GPS接收機時(shí)可權衡工作門(mén)限(頻率失鎖概率為10%時(shí)的信噪比)、不同信噪比時(shí)的頻率誤差、算法復雜程度以及需求特點(diǎn)等因素，選擇合適的載波捕獲跟蹤算法以滿(mǎn)足接收機性能和信號處理復雜程度的要求。

　　1.2.2　通過(guò)慣導輔助而獲取多普勒頻移的方法

　　研究表明，將GPS系統和目前常用慣導系統進(jìn)行組合可顯著(zhù)增強普通GPS接收機在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的適應能力，且組合的定位精度明顯提高[3]。這是因為將兩個(gè)系統的輸出信息通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行組合，利用慣導加速度計的速率數據(包含多普勒頻移信息)作為GPS接收機碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信號，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，可顯著(zhù)降低GPS接收機對動(dòng)態(tài)信號跟蹤能力的要求，從而提高其對動(dòng)態(tài)的適應能力和抗干擾能力。