GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用探討

概括地說，國防高技術(shù)應(yīng)包括兩個層次的技術(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)、電子計算機技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源和動力技術(shù)、仿真技術(shù)、先進制造技術(shù)等;二是針對武器裝備功能需要的應(yīng)用技術(shù)，如探測技術(shù)、精確制導(dǎo)技術(shù)、C(U3)I系統(tǒng) 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，有重要的軍事價值和現(xiàn)實意義。

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

　　導(dǎo)彈制導(dǎo)的顯著特點是在高動態(tài)環(huán)境中實施軌跡導(dǎo)引和誤差校正。研究GPS在制導(dǎo)中的應(yīng)用必須研究高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的影響。GPS系統(tǒng)是由分布在6個軌道面上的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。地面上有一個主控站和多個監(jiān)控站，定期地對星座的衛(wèi)星進行精確的位置和時間測定，并向衛(wèi)星發(fā)出星歷信息。用戶使用GPS接收機同時接收4顆以上衛(wèi)星的信號，即可確定自身所在的經(jīng)緯度、高度及精確時間。

　　1.1　高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的問題

　　與中、低動態(tài)環(huán)境相比，高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來了如下問題：

　　①　高動態(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。這樣就會使寬帶噪聲竄入，當(dāng)噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時就會致使載波跟蹤環(huán)失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導(dǎo)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(huán)的環(huán)路帶寬，則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環(huán)的捕獲帶，這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。

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

　?、?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　解決高動態(tài)環(huán)境所帶來問題的典型方法

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

　　1.2.1　高動態(tài)環(huán)境中多普勒頻移估計方法

　　在高動態(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的是美國JPL實驗室，該實驗室曾經(jīng)研究過以下算法：

　?、佟〗谱畲笏迫还烙?MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個連續(xù)同相和正交采樣值來對頻率及其時間導(dǎo)數(shù)進行估計的。

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

　?、邸〗徊孀詣宇l率控制環(huán)(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(tài)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)進行叉積，再進行低節(jié)次EKF的頻率估計算法。

　　在設(shè)計高動態(tài)GPS接收機時可權(quán)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(fù)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(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)進行組合可顯著增強普通GPS接收機在高動態(tài)環(huán)境下的適應(yīng)能力，且組合的定位精度明顯提高[3]。這是因為將兩個系統(tǒng)的輸出信息通過卡爾曼濾波器進行組合，利用慣導(dǎo)加速度計的速率數(shù)據(jù)(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，在高動態(tài)環(huán)境下，可顯著降低GPS接收機對動態(tài)信號跟蹤能力的要求，從而提高其對動態(tài)的適應(yīng)能力和抗干擾能力。

　　 2　設(shè)計高動態(tài)GPS接收機的關(guān)鍵技術(shù)

　　GPS接收機是可以接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號以確定地面空間位置的儀器。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備， 即GPS信號接收機。GPS接收機的第一次開機，或者開機距離里上次關(guān)機地點超過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闊的可見天空下，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，就是說一條路能看出走左邊還是右邊。精度主要依賴于衛(wèi)星的信號接收，和可接收信號的衛(wèi)星在天空的分布情況，如果幾顆衛(wèi)星分布的比較分散，GPS接收機提供的定位精度就會比較高。

　　現(xiàn)以設(shè)計高動態(tài)GPS接收機過程中用到的技術(shù)加以說明。所設(shè)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，從而在高動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)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)來提高定位精度。

　　傳統(tǒng)的GPS接收機在對偽隨機碼進行延時捕獲跟蹤時，其遲早相關(guān)器都用1個碼片的長度作為延遲間隔，但在對C/A碼跟蹤時采用窄相關(guān)間隔(如采用1.0～0.05碼片長度)具有明顯的優(yōu)越性，可在出現(xiàn)噪聲和多徑干擾時減小跟蹤誤差。因為碼相關(guān)器中遲早信號中的噪聲成分是相關(guān)的，在進行遲早處理時兩者趨于抵消;由于PDLL鑒相器中的多徑信號較少扭曲而導(dǎo)致多徑效應(yīng)減小，從而提高定位精度。

　　載波輔助技術(shù)以兩種方式輔助碼環(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(shù)控振蕩器，使之對動態(tài)不敏感，從而提高測碼偽距的精度;另一方面，當(dāng)載波相位正確積分時，其變化正比于衛(wèi)星偽距變化即Δ距離，因此可利用Δ距離來平滑偽距噪聲。

　　多星技術(shù)即多通道技術(shù)。事實上通道數(shù)目的增加可獲得顯著的性能提高，因為不同的衛(wèi)星數(shù)目越多定位精度越高。這主要表現(xiàn)在衛(wèi)星數(shù)目增加一倍時定位噪聲可降低3 dB。另外，12通道系統(tǒng)實質(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簡捷的處理方法，12通道系統(tǒng)在冷啟動模式下還具有一個最大的優(yōu)點，即可對衛(wèi)星信號進行盲搜索。

　　目前我們設(shè)計了一種模塊式并行12通道高動態(tài)GPS接收機，實現(xiàn)框圖如圖1所示。其基本設(shè)計原理是將接收到的GPS射頻信號通過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(nèi)部產(chǎn)生的載波及偽隨機碼相關(guān)，恢復(fù)基帶信號并獲得定位解算所需的偽碼和載波觀測量。該接收機通過采用近似最大似然估算(MLE)方法來估算接收機相對衛(wèi)星的偽距離和距離變化率，以此滿足在高動態(tài)環(huán)境中對偽碼和載波頻率的跟蹤;通過采用DSP技術(shù)設(shè)計了滿足高動態(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保證GPS接收機在較低信噪比下可靠跟蹤衛(wèi)星信號;通過采用并行12通道模塊化設(shè)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有慣導(dǎo)輔助的導(dǎo)彈、軍用飛機等高動態(tài)用戶載體上工作。

　　圖1　高動態(tài)GPS接收機實現(xiàn)框圖

　　3　GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面的應(yīng)用

　　研究表明，理想的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：全球覆蓋;高的相對精度和絕對精度;對高動態(tài)載體具有良好的實時適應(yīng)能力;能夠提供三維位置、三維速度和姿態(tài)數(shù)據(jù);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;可供我方廣大用戶使用;能隨時、自主地進行故障檢測和故障排除;高的可靠性;與現(xiàn)行機載設(shè)備的規(guī)范要求相符;價格適中，為廣大用戶所接受等等。INS全程Inertial Navigation System，即慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，有時也簡稱為慣性系統(tǒng)或慣性導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上的。牛頓定律告訴人們：一個物體如果沒有外力作用，將保持靜止或勻速直線運動;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，那么通過加速度對時間的連續(xù)數(shù)學(xué)積分就可計算得到物體的速度和位置的變化。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置的一個系統(tǒng)。通過陀螺儀和加速度計的測量數(shù)據(jù)，可以確定運載體在慣性參考坐標(biāo)系中的運動，同時也能夠計算出運載體在慣性參考坐標(biāo)系中的位置。3.1　高動態(tài)GPS接收機在導(dǎo)彈制導(dǎo)中應(yīng)用

　　采用新的制導(dǎo)技術(shù)是制導(dǎo)領(lǐng)域一直關(guān)注的問題，隨著GPS這一全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建成，基于GPS系統(tǒng)的新型制導(dǎo)系統(tǒng)可以較好地滿足導(dǎo)彈制導(dǎo)的諸項要求，用GPS制導(dǎo)系統(tǒng)來替換現(xiàn)有的慣導(dǎo)系統(tǒng)，實現(xiàn)導(dǎo)彈的長距離、高精度制導(dǎo)已引起越來越多的關(guān)注。

　　用高動態(tài)GPS接收機進行導(dǎo)彈制導(dǎo)需要解決的兩個關(guān)鍵問題是：GPS全向天線的研究和基于GPS技術(shù)的導(dǎo)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是基于高動態(tài)GPS接收機的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)組成框圖。其基本工作原理是：由GPS接收機測量出導(dǎo)彈的實時位置并與存儲在程序裝置中的預(yù)定軌道參數(shù)進行比較和計算綜合，然后通過姿態(tài)控制系統(tǒng)控制彈體運動;而導(dǎo)彈的姿態(tài)信息也通過GPS接收機實時監(jiān)測，并適時控制導(dǎo)彈進行調(diào)整。

　　圖2　基于高動態(tài)GPS接收機的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)組成框圖

　　3.2　GPS和慣導(dǎo)組合的制導(dǎo)方法

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

　　普通的GPS接收機在高動態(tài)環(huán)境不易捕獲和跟蹤信號，甚至產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象;而慣導(dǎo)系統(tǒng)可實時提供多種導(dǎo)航信息，但其導(dǎo)航誤差會隨時間而積累，影響制導(dǎo)效果。GPS/INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)使得新系統(tǒng)既具有慣導(dǎo)系統(tǒng)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(xù)提供的高精度位置和速度信息可以估計和校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差、速度誤差，從而顯著提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度;而借助慣導(dǎo)系統(tǒng)的加速度計速率信息，可改善GPS接收機的動態(tài)性能，使GPS接收機能夠在高動態(tài)環(huán)境快速捕獲和重新捕獲衛(wèi)星信號。

　　重調(diào)式是簡單的組合方式。實質(zhì)上，這種組合只是GPS向慣導(dǎo)單方向的校準(zhǔn)，雖然有簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但組合的潛能遠沒有發(fā)揮出來。

　　在卡爾曼濾波方式中采用了組合導(dǎo)航濾波器(實質(zhì)上是一種卡爾曼濾波器)，通過估計慣導(dǎo)儀表的誤差改善慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度;如果慣導(dǎo)的速率數(shù)據(jù)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，在高動態(tài)環(huán)境下可降低GPS接收機對動態(tài)信號跟蹤能力的要求，從而提高抗干擾性能。另外，當(dāng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖3　典型的GPS/INS組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

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

　　4　結(jié)論

　　現(xiàn)有的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)不能充分滿足導(dǎo)彈精密制導(dǎo)的需要，而基于GPS技術(shù)的現(xiàn)代制導(dǎo)系統(tǒng)具有許多慣性制導(dǎo)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，有廣闊的發(fā)展前景。