GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用探討

　　GPS接收機(jī)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(jī)。GPS接收機(jī)的第一次開機(jī)，或者開機(jī)距離里上次關(guān)機(jī)地點超過800KM以上，因為接收機(jī)里存儲的星歷都對不上了，所以要在接收機(jī)上重新定位。GPS接收機(jī)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(jī)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(jī)過程中用到的技術(shù)加以說明。所設(shè)計的GPS接收機(jī)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(jī)在對偽隨機(jī)碼進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)，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(jī)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(jī)通過采用近似最大似然估算(MLE)方法來估算接收機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)可以較好地在沒有慣導(dǎo)輔助的導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)等高動態(tài)用戶載體上工作。

　　圖1　高動態(tài)GPS接收機(jī)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(jìn)行故障檢測和故障排除;高的可靠性;與現(xiàn)行機(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)載體上的陀螺儀和加速度計來測定運(yùn)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(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動，同時也能夠計算出運(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的位置。