GPS在導彈制導中的應用探討

概括地說，國防高技術應包括兩個層次的技術。一是支撐高技術武器裝備研制的共性基礎技術，如微電子技術、光電子技術、電子計算機技術、新材料技術、新能源和動力技術、仿真技術、先進制造技術等;二是針對武器裝備功能需要的應用技術，如探測技術、精確制導技術、C(U3)I系統 技術、電子對抗技術、隱身技術、反隱身技術、航天技術、核武器技術和先進防御技術等。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，有重要的軍事價值和現實意義。

　　1　導彈飛行環境(高動態環境)給接收GPS信號帶來的問題及解決方案

　　導彈制導的顯著特點是在高動態環境中實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態環境給接收GPS信號帶來的影響。GPS系統是由分布在6個軌道面上的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。地面上有一個主控站和多個監控站，定期地對星座的衛星進行精確的位置和時間測定，并向衛星發出星歷信息。用戶使用GPS接收機同時接收4顆以上衛星的信號，即可確定自身所在的經緯度、高度及精確時間。

　　1.1　高動態環境給接收GPS信號帶來的問題

　　與中、低動態環境相比，高動態環境給接收GPS信號帶來了如下問題：

　　①　高動態使GPS載波信號產生較大的多普勒頻移，若使普通接收機的載波鎖相環PLL(常用costas 環)能夠保持鎖定，就必須增加環路濾波器的帶寬。這樣就會使寬帶噪聲竄入，當噪聲電平增大到超過環路門限時就會致使載波跟蹤環失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導航解，這樣就會丟失距離和距離變化率的估計值;若不增加載波鎖相環的環路帶寬，則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環的捕獲帶，這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。

　　② 高動態也使得GPS信號的副載波，即偽隨機碼產生動態時延，使得普通接收機的DLL碼延時跟蹤環容易失鎖，而且重新捕獲時間很長，往往使導航解發散。

　　③ 載波跟蹤失鎖也使50 Hz的調制數據無法恢復，相應的衛星星歷無法獲取。

　　1.2　解決高動態環境所帶來問題的典型方法

　　解決高動態環境所帶來的問題，主要是研究如何提高在高動態環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某些算法進行多普勒頻移估計而掌握，或者通過慣性導航系統來提取。

　　1.2.1　高動態環境中多普勒頻移估計方法

　　在高動態環境中對多普勒頻移估計算法的研究最早也是最有成績的是美國JPL實驗室，該實驗室曾經研究過以下算法：

　　①　近似最大似然估計(MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個連續同相和正交采樣值來對頻率及其時間導數進行估計的。

　　②　采用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準最優遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進行載波跟蹤。

　　③　交叉自動頻率控制環(CPAKC)，即一種簡化的估計淹沒于噪聲中正弦信號頻率并有極高動態的準最優算法。

　　④　頻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行叉積，再進行低節次EKF的頻率估計算法。

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

　　1.2.2　通過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行組合可顯著增強普通GPS接收機在高動態環境下的適應能力，且組合的定位精度明顯提高[3]。這是因為將兩個系統的輸出信息通過卡爾曼濾波器進行組合，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接收機碼跟蹤環路和載波跟蹤環路的輔助信號，在高動態環境下，可顯著降低GPS接收機對動態信號跟蹤能力的要求，從而提高其對動態的適應能力和抗干擾能力。