GPS在導彈制導中的應用

隨著(zhù)國防技術(shù)的飛速發(fā)展，要求導彈等經(jīng)常工作在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下武器的性能不斷改進(jìn)。傳統的導彈制導手段不能滿(mǎn)足現代戰爭對導彈提出的高精度、高可靠性和具有強大戰場(chǎng)生存能力的要求。例如傳統的導彈制導系統［1］大都采用慣導系統，由于不斷提高的改進(jìn)陀螺儀和加速度計的要求很難得到滿(mǎn)足，慣導系統定位誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)越來(lái)越限制其進(jìn)一步應用。目前，純慣導系統雖能初步滿(mǎn)足中近程導彈飛行的點(diǎn)與點(diǎn)之間導航精度要求，但不能滿(mǎn)足遠程、長(cháng)時(shí)間航行及武器投擲、偵察、變軌控制等更高精度的制導要求［2］。因此，很有必要研究新的制導手段來(lái)滿(mǎn)足現代戰爭的需要。隨著(zhù)GPS這一全球衛星定位系統的發(fā)展，特別是由于該系統具有全球性、全天候、連續的精密三維導航與定位能力以及良好的抗干擾性和保密性，該系統被迅速應用于軍事領(lǐng)域的各個(gè)方面，并已取得了可觀(guān)的軍事效益。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。雖然GPS系統具有比以往導航定位系統無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，但是與靜態(tài)、中低動(dòng)態(tài)環(huán)境相比，高動(dòng)態(tài)環(huán)境使GPS信號產(chǎn)生了較大的多普勒頻移，給接收機可靠捕獲和跟蹤信號帶來(lái)了較大的困難。普通GPS接收機在沒(méi)有慣導系統速率輔助的條件下很難在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可靠地工作。

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［1］，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。

　　普通的GPS接收機大都采用載波鎖相環(huán)進(jìn)行載波跟蹤、碼延遲鎖定環(huán)進(jìn)行碼跟蹤，如果沒(méi)有慣性導航系統的速率輔助（即提供有關(guān)多普勒頻移的先驗知識），是很難在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可靠工作的。

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［1］：

　?、佟〗谱畲笏迫还烙嫞∕LE）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。另外，當因干擾和姿態(tài)變化而丟失GPS信號時(shí)，此組合方式還具有快速重捕能力。

2　設計高動(dòng)態(tài)GPS接收機的關(guān)鍵技術(shù)

　　 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)［3］、卡爾曼濾波技術(shù)和差分技術(shù)來(lái)提高定位精度。下文主要分析窄帶相關(guān)器技術(shù)、載波輔助技術(shù)和多星技術(shù)，其他技術(shù)已多有論述，這里不再涉及。

　　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［4］，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。實(shí)驗表明［4］，在C/A碼跟蹤環(huán)路中采用窄間隔相關(guān)器（間隔為0.1碼片），僅靠偽距求解的實(shí)時(shí)定位精度可達到＜1 m；載波相位平滑下的碼偽距解精度達0.5 m水平。在本課題方案中采用的碼片間距是0.5碼片而不是通常的1碼片間隔。

　　載波輔助技術(shù)以?xún)煞N方式輔助碼環(huán)跟蹤［3］。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［3］，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

3　GPS在導彈制導方面的應用

　　研究表明，理想的導彈制導系統應滿(mǎn)足如下要求［3］：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。目前，導彈制導系統大都采用慣性制導系統（INS），這種系統由于存在誤差隨時(shí)間而積累的固有缺點(diǎn)，所以很難滿(mǎn)足高精度、高可靠性等制導系統的要求。研究表明，在影響導彈制導精度的誤差因素中，慣導儀表的測量誤差是主要誤差源［3］。鑒于制導系統的要求以及慣導系統的固有缺陷，目前提高制導系統精度一般有兩條途徑：采用新的制導系統和完善現有的慣導系統。

3.1　高動(dòng)態(tài)GPS接收機在導彈制導中應用

　　采用新的制導技術(shù)是制導領(lǐng)域一直關(guān)注的問(wèn)題，隨著(zhù)GPS這一全球衛星定位系統的建成，基于GPS系統的新型制導系統可以較好地滿(mǎn)足導彈制導的諸項要求，用GPS制導系統來(lái)替換現有的慣導系統，實(shí)現導彈的長(cháng)距離、高精度制導已引起越來(lái)越多的關(guān)注。

　　用高動(dòng)態(tài)GPS接收機進(jìn)行導彈制導需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：GPS全向天線(xiàn)的研究和基于GPS技術(shù)的導彈姿態(tài)測量方法研究。這兩項研究已有所突破［3］，這里不再贅述。圖2是基于高動(dòng)態(tài)GPS接收機的導彈制導系統組成框圖。其基本工作原理是：由GPS接收機測量出導彈的實(shí)時(shí)位置并與存儲在程序裝置中的預定軌道參數進(jìn)行比較和計算綜合，然后通過(guò)姿態(tài)控制系統控制彈體運動(dòng)；而導彈的姿態(tài)信息也通過(guò)GPS接收機實(shí)時(shí)監測，并適時(shí)控制導彈進(jìn)行調整，整個(gè)制導系統是一個(gè)閉環(huán)系統，最終將導彈引向目標。

圖2　基于高動(dòng)態(tài)GPS接收機的導彈制導系統組成框圖

3.2　GPS和慣導組合的制導方法

　　完善現有的慣導系統就必須減小慣導儀表的工具誤差。目前通過(guò)提高慣導儀表質(zhì)量而減小工具誤差的方法越來(lái)越困難［3］；而采用組合制導技術(shù)來(lái)修正工具誤差的方法周期短、成本低，隨著(zhù)GPS技術(shù)的出現，這種方法越來(lái)越受到重視。

　　普通的GPS接收機在高動(dòng)態(tài)環(huán)境不易捕獲和跟蹤信號，甚至產(chǎn)生整周跳變現象；而慣導系統可實(shí)時(shí)提供多種導航信息，但其導航誤差會(huì )隨時(shí)間而積累，影響制導效果。GPS/INS組合制導系統使得新系統既具有慣導系統較高的相對精度，又具有GPS較高的絕對精度，并容易提供載體的姿態(tài)信息。用GPS連續提供的高精度位置和速度信息可以估計和校正慣導系統的位置誤差、速度誤差，從而顯著(zhù)提高慣導系統的定位精度；而借助慣導系統的加速度計速率信息，可改善GPS接收機的動(dòng)態(tài)性能，使GPS接收機能夠在高動(dòng)態(tài)環(huán)境快速捕獲和重新捕獲衛星信號。因此，GPS和INS的組合可以構成真正理想的制導系統。慣導與GPS的組合方式一般可以分為兩大類(lèi)［3］：重調式和卡爾曼濾波方式。

　　重調式是簡(jiǎn)單的組合方式。實(shí)質(zhì)上，這種組合只是GPS向慣導單方向的校準，雖然有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)，但組合的潛能遠沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

　　在卡爾曼濾波方式中采用了組合導航濾波器（實(shí)質(zhì)上是一種卡爾曼濾波器），通過(guò)估計慣導儀表的誤差改善慣導系統的定位精度；如果慣導的速率數據作為GPS接收機碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信息，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可降低GPS接收機對動(dòng)態(tài)信號跟蹤能力的要求，從而提高抗干擾性能。另外，當因干擾和姿態(tài)變化丟失了GPS信號，此組合方式還具有快速重捕能力。圖3為典型的GPS/INS組合系統的結構圖。

圖3　典型的GPS/INS組合系統的結構圖

　　GPS和INS組合制導（導航）系統，兼顧了兩系統的優(yōu)點(diǎn)，抑制了兩分系統的不足，且增加了系統的冗余度，相應提高了載體的導航或制導精度，是較為理想的組合制導（導航）系統。

4　結論

　　現有的慣性制導系統不能充分滿(mǎn)足導彈精密制導的需要，而基于GPS技術(shù)的現代制導系統具有許多慣性制導系統無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。