GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用探討

概括地說，國(guó)防高技術(shù)應(yīng)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(chǔ)技術(shù)，如微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)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(duì)武器裝備功能需要的應(yīng)用技術(shù)，如探測(cè)技術(shù)、精確制導(dǎo)技術(shù)、C(U3)I系統(tǒng) 技術(shù)、電子對(duì)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(tǒng)在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用，有重要的軍事價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

　　1　導(dǎo)彈飛行環(huán)境(高動(dòng)態(tài)環(huán)境)給接收GPS信號(hào)帶來的問題及解決方案

　　導(dǎo)彈制導(dǎo)的顯著特點(diǎn)是在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)施軌跡導(dǎo)引和誤差校正。研究GPS在制導(dǎo)中的應(yīng)用必須研究高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號(hào)帶來的影響。GPS系統(tǒng)是由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成的星座。GPS衛(wèi)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(jiān)控站，定期地對(duì)星座的衛(wèi)星進(jìn)行精確的位置和時(shí)間測(cè)定，并向衛(wèi)星發(fā)出星歷信息。用戶使用GPS接收機(jī)同時(shí)接收4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，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(hào)帶來的問題

　　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(hào)帶來了如下問題：

　　①　高動(dòng)態(tài)使GPS載波信號(hào)產(chǎn)生較大的多普勒頻移，若使普通接收機(jī)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(dāng)噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時(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(cè)量導(dǎo)航解，這樣就會(huì)丟失距離和距離變化率的估計(jì)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)超過鎖相環(huán)的捕獲帶，這樣也不能保證對(duì)載波的可靠捕獲和跟蹤。

　　② 高動(dòng)態(tài)也使得GPS信號(hào)的副載波，即偽隨機(jī)碼產(chǎn)生動(dòng)態(tài)時(shí)延，使得普通接收機(jī)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(zhǎng)，往往使導(dǎo)航解發(fā)散。

　　③ 載波跟蹤失鎖也使50 Hz的調(diào)制數(shù)據(jù)無法恢復(fù)，相應(yīng)的衛(wèi)星星歷無法獲取。

　　1.2　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來問題的典型方法

　　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來的問題，主要是研究如何提高在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)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(jìn)行多普勒頻移估計(jì)而掌握，或者通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來提取。

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

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

　　①　近似最大似然估計(jì)(MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個(gè)連續(xù)同相和正交采樣值來對(duì)頻率及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估計(jì)的。

　　②　采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準(zhǔn)最優(yōu)遞推估計(jì)接收的相位及頻率跟蹤算法進(jìn)行載波跟蹤。

　　③　交叉自動(dòng)頻率控制環(huán)(CPAKC)，即一種簡(jiǎn)化的估計(jì)淹沒于噪聲中正弦信號(hào)頻率并有極高動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)最優(yōu)算法。

　　④　頻率擴(kuò)展卡爾曼濾波器(FEKF)，即一種先對(duì)去除相位影響后的數(shù)據(jù)進(jìn)行叉積，再進(jìn)行低節(jié)次EKF的頻率估計(jì)算法。

　　在設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)時(shí)可權(quán)衡工作門限(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(fù)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足接收機(jī)性能和信號(hào)處理復(fù)雜程度的要求。

　　1.2.2　通過慣導(dǎo)輔助而獲取多普勒頻移的方法

　　研究表明，將GPS系統(tǒng)和目前常用慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行組合可顯著增強(qiáng)普通GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的適應(yīng)能力，且組合的定位精度明顯提高[3]。這是因?yàn)閷蓚€(gè)系統(tǒng)的輸出信息通過卡爾曼濾波器進(jìn)行組合，利用慣導(dǎo)加速度計(jì)的速率數(shù)據(jù)(包含多普勒頻移信息)作為GPS接收機(jī)碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信號(hào)，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，可顯著降低GPS接收機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤能力的要求，從而提高其對(duì)動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力和抗干擾能力。