GPS在導彈制導中的應用探討
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GPS接收機是可以接收全球定位系統衛星信號以確定地面空間位置的儀器。GPS衛星發(fā)送的導航定位信號，是一種可供無(wú)數用戶(hù)共享的信息資源。對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶(hù)，只要用戶(hù)擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。GPS接收機的第一次開(kāi)機，或者開(kāi)機距離里上次關(guān)機地點(diǎn)超過(guò)800KM以上，因為接收機里存儲的星歷都對不上了，所以要在接收機上重新定位。GPS接收機的使用要在開(kāi)闊的可見(jiàn)天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的精度一般是誤差在10米左右，就是說(shuō)一條路能看出走左邊還是右邊。精度主要依賴(lài)于衛星的信號接收，和可接收信號的衛星在天空的分布情況，如果幾顆衛星分布的比較分散，GPS接收機提供的定位精度就會(huì )比較高。
現以設計高動(dòng)態(tài)GPS接收機過(guò)程中用到的技術(shù)加以說(shuō)明。所設計的GPS接收機除了采用近似最大似然估計(MLE)技術(shù)估算距離和距離變化率，從而在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現載波跟蹤外，還采用了窄帶相關(guān)器技術(shù)、多星技術(shù)、載波輔助技術(shù)、卡爾曼濾波技術(shù)和差分技術(shù)來(lái)提高定位精度。
傳統的GPS接收機在對偽隨機碼進(jìn)行延時(shí)捕獲跟蹤時(shí)，其遲早相關(guān)器都用1個(gè)碼片的長(cháng)度作為延遲間隔，但在對C/A碼跟蹤時(shí)采用窄相關(guān)間隔(如采用1.0～0.05碼片長(cháng)度)具有明顯的優(yōu)越性，可在出現噪聲和多徑干擾時(shí)減小跟蹤誤差。因為碼相關(guān)器中遲早信號中的噪聲成分是相關(guān)的，在進(jìn)行遲早處理時(shí)兩者趨于抵消;由于PDLL鑒相器中的多徑信號較少扭曲而導致多徑效應減小，從而提高定位精度。
載波輔助技術(shù)以?xún)煞N方式輔助碼環(huán)跟蹤。由于碼相率與載波相位率成正比，利用可獲得的載頻(多普勒頻移)控制C/A碼的數控振蕩器，使之對動(dòng)態(tài)不敏感，從而提高測碼偽距的精度;另一方面，當載波相位正確積分時(shí)，其變化正比于衛星偽距變化即Δ距離，因此可利用Δ距離來(lái)平滑偽距噪聲。
多星技術(shù)即多通道技術(shù)。事實(shí)上通道數目的增加可獲得顯著(zhù)的性能提高，因為不同的衛星數目越多定位精度越高。這主要表現在衛星數目增加一倍時(shí)定位噪聲可降低3 dB。另外，12通道系統實(shí)質(zhì)上清除了優(yōu)化選星的煩瑣，并為偶然的信號丟失提供了一個(gè)簡(jiǎn)捷的處理方法，12通道系統在冷啟動(dòng)模式下還具有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，即可對衛星信號進(jìn)行盲搜索。
目前我們設計了一種模塊式并行12通道高動(dòng)態(tài)GPS接收機，實(shí)現框圖如圖1所示。其基本設計原理是將接收到的GPS射頻信號通過(guò)前置濾波模塊濾除帶外干擾，然后在射頻前端模塊中變頻到中頻信號，再在信號處理模塊中與內部產(chǎn)生的載波及偽隨機碼相關(guān)，恢復基帶信號并獲得定位解算所需的偽碼和載波觀(guān)測量。該接收機通過(guò)采用近似最大似然估算(MLE)方法來(lái)估算接收機相對衛星的偽距離和距離變化率，以此滿(mǎn)足在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對偽碼和載波頻率的跟蹤;通過(guò)采用DSP技術(shù)設計了滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)跟蹤所需的跟蹤濾波器;在射頻前端采用了低噪聲放大器來(lái)保證GPS接收機在較低信噪比下可靠跟蹤衛星信號;通過(guò)采用并行12通道模塊化設計及提高定位精度的相關(guān)技術(shù)，使得接收機具有良好的噪聲性能和動(dòng)態(tài)性能，并有效地提高了定位精度。該接收機可以較好地在沒(méi)有慣導輔助的導彈、軍用飛機等高動(dòng)態(tài)用戶(hù)載體上工作。
圖1 高動(dòng)態(tài)GPS接收機實(shí)現框圖
研究表明，理想的導彈制導系統應滿(mǎn)足如下要求：全球覆蓋;高的相對精度和絕對精度;對高動(dòng)態(tài)載體具有良好的實(shí)時(shí)適應能力;能夠提供三維位置、三維速度和姿態(tài)數據;工作不受外部環(huán)境影響;具有抗人為和非人為干擾的能力;不被他方利用;可供我方廣大用戶(hù)使用;能隨時(shí)、自主地進(jìn)行故障檢測和故障排除;高的可靠性;與現行機載設備的規范要求相符;價(jià)格適中，為廣大用戶(hù)所接受等等。INS全程Inertial Navigation System，即慣性導航系統，有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)為慣性系統或慣性導航。慣性導航系統的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎上的。牛頓定律告訴人們：一個(gè)物體如果沒(méi)有外力作用，將保持靜止或勻速直線(xiàn)運動(dòng);而且，物體的加速度正比于作用在物體上的外力。如果能夠測量得到加速度，那么通過(guò)加速度對時(shí)間的連續數學(xué)積分就可計算得到物體的速度和位置的變化。慣性導航系統是一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來(lái)測定運載體位置的一個(gè)系統。通過(guò)陀螺儀和加速度計的測量數據，可以確定運載體在慣性參考坐標系中的運動(dòng)，同時(shí)也能夠計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置。
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