2-DCCF衛(wèi)星定位信號接收機的設(shè)計

Abstract: In this paper, the beam-forming antenna, SDR ( Software Defined Radio) and FPGA (Field Programable Gate Array) technologies utilized in global navigation satellite system(GNSS) are introduced. In addition, their applications in 2-Dimension Correction Course Fuze(2-DCCF) are discussed in detail. At last, the principle block diagram of 2-DCCF GPS receiver in spinning projectile is given here.

Keywords: 2-DCCF；GNSS Receiver；Spinning Projectile

1 引言

70年代中期，美國人Sanders Associates最早提出彈道修正引信的概念。彈道修正引信（Course Correcting Fuze，CCF）是指在引信中采取相關(guān)措施來實現(xiàn)彈丸飛行彈道的簡易控制、從而達到減小彈丸落點散布目的的一種新概念引信。它通過對傳統(tǒng)引信的改造，使其增加了彈道修正的功能，開拓了一條低成本、高效益的炮兵彈藥精確化之路。彈道修正引信不僅具有傳統(tǒng)引信系統(tǒng)的保證彈藥安全和控制戰(zhàn)斗部起爆的功能，還具有感知及辨識彈道環(huán)境和修正彈道的功能。按修正效能的不同分為一維（1－DCCF）和二維彈道修正引信（2－DCCF）。二維彈道修正引信不僅可以對彈道進行射程修正，而且還可以進行方向修正，因此精度更高。二維彈道修正引信實現(xiàn)的方法是：在原有的炮彈引信中，增加彈道修正模塊，由傳感器探知飛行中的彈丸在某個時刻的空間位置，將此位置與預(yù)定彈道相比較，根據(jù)偏差的大小，產(chǎn)生彈道修正指令并輸出給相應(yīng)的執(zhí)行裝置進行距離和方向的修正。

目前，在旋轉(zhuǎn)載體中主要采用慣性器件、地磁傳感器和GPS來測量彈道及彈丸運動參數(shù)。使用慣性器件測量姿態(tài)是很復(fù)雜的，且積累誤差很大。如小型陀螺儀刻度不準(zhǔn)就會導(dǎo)致每旋轉(zhuǎn)一圈都會產(chǎn)生一個小誤差；在旋轉(zhuǎn)的情況下，這種誤差會很快的積累起來。其它的傳感器例如磁探測器也可以用于測量彈丸旋轉(zhuǎn)速度，但是使用這種器件需要考慮彈道和地磁場的角度幾何關(guān)系，以及彈丸的磁特性。

衛(wèi)星定位接收組件作為二維彈道修正引信的一個重要的彈道參數(shù)敏感元件得到了廣泛的重視。它在引信中的基本功能是用來提供炮彈當(dāng)前的位置信息，并傳送給信息處理機構(gòu)，用以控制引信機構(gòu)進行正確的動作。它的主要優(yōu)點有：

l 全天候工作，沒有地理位置（如高緯度，高海拔）限制；

l 精度高，實時性好。利用差分等手段可以達到米級測量精度；

l 沒有時間誤差累積。

本課題就是將GPS作為二維彈道修正引信的彈道敏感器應(yīng)用到彈道修正引信上，解決二維彈道修正引信用衛(wèi)星定位接收系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)、高速等動態(tài)條件下的定位問題。

2 2－DCCF引信用衛(wèi)星定位信號接收機中的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，GPS接收系統(tǒng)已應(yīng)用到民用和軍用等各個領(lǐng)域。2-DCCF衛(wèi)星定位信號接收系統(tǒng)作為GPS接收系統(tǒng)的特例，其中涉及到了一些關(guān)鍵技術(shù)，主要有一下幾個方面。

（1）多天線信息融合技術(shù)

天線技術(shù)成為GPS接收信號的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外常采用全向天線或自適應(yīng)天線技術(shù)，解決高旋轉(zhuǎn)和高動態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星定位信號的接收問題。前者系統(tǒng)設(shè)計簡單，現(xiàn)有產(chǎn)品多采用該技術(shù)方案；但是由于全向接收無線信號，存在抗干擾能力差的缺點；后者通過選擇性接收衛(wèi)星來波方向信號，一定程度上提高了抗干擾能力，但系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜(尤其是射頻信號處理部分)，對于射頻信號處理技術(shù)落后的我國，不利于無線信號接收系統(tǒng)整體的優(yōu)化設(shè)計和小型化設(shè)計。本課題采用的多天線波束賦形天線技術(shù)（beam-steering）是指在信號的發(fā)射端和/或接收端有多根天線，該陣列的輸出與衛(wèi)星信號接收機的多個輸入相結(jié)合，可提供一個綜合的信號。與單個天線不同的是，天線陣列系統(tǒng)能夠動態(tài)地調(diào)整波束方向，以使其都獲得最大的主瓣，并減小了旁瓣干擾。這樣不僅改善了信號干擾比，還擴大了覆蓋范圍。國外的文獻中介紹較多的是采用4元或8元陣列，來提高抗干擾能力。多天線賦形結(jié)構(gòu)的原理如圖1所示。

圖1

（2）GPS/IMU的信息融合技術(shù)

充分利用GPS和慣性測量組合（IMU）各自的優(yōu)點和應(yīng)用特點，采用GPS/IMU融合的結(jié)構(gòu)。在融合結(jié)構(gòu)上采用多層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2

首先，在傳感器層，慣性傳感器融合了陀螺儀和加速度計等的信息，GPS接收機融合了多個衛(wèi)星和天線的信息；然后，系統(tǒng)對GPS系統(tǒng)的輸出信息和IMU的輸出信息進行融合，得到準(zhǔn)確的方位信息，從而提高了打擊精度。在算法上，采用卡爾曼濾波法。該方法大大減少了計算量，融合方法簡單有效；并且由于信息分配因子的引入，使得系統(tǒng)的容錯性得到很大改善。當(dāng)然，在以后的研究中還可以考慮采用卡爾曼濾波法與其他算法如人工智能等組合的算法，以提高效率。

（3）軟件無線電技術(shù)

高性能DSP技術(shù)的發(fā)展，使得GPS接收機的一些功能可通過軟件來實現(xiàn)。這里，為減小體積、適應(yīng)引信的要求，在GPS接收機中采用了軟件無線電技術(shù)，如圖3所示。右側(cè)的虛線框內(nèi)表示的就是DSP實現(xiàn)的軟件無線電技術(shù)。

圖3

信號的處理和控制功能都由DSP的軟件來實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)變得簡單。通過軟件無線電技術(shù)（SDR）實現(xiàn)衛(wèi)星定位信號處理算法的通用性和靈活性設(shè)計。由于其對實時性的要求不是很高，可以在后續(xù)的處理當(dāng)中進行進一步的優(yōu)化和功能的增強，以進一步提高其抗干擾等能力。

基于軟件實現(xiàn)的GPS接收系統(tǒng)主要完成如下功能：

利用信號特點選擇性接收衛(wèi)星來波方向信號，去掉智能天線的加權(quán)微波網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)字技術(shù)替代模擬技術(shù)完成對多路信號加權(quán)融合。簡化了接收機高頻部分的設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性和通用性。

在一個DSP芯片中完成實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)解調(diào)，環(huán)路跟蹤和抗干擾等算法；還可根據(jù)情況，在硬件平臺不變的情況下，進行適時修改，提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性；同時，可更加靈活有效地采用抗干擾技術(shù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

（4）FPGA技術(shù)的應(yīng)用

隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，GPS接收機的很多解決方案可通過FPGA中來實現(xiàn)。為提高GPS的捕獲和跟蹤速度，如圖3所示的左側(cè)虛線框內(nèi)的功能由FPGA來實現(xiàn)。在GPS接收機的信息處理過程中，有相當(dāng)一部分工作可由FPGA來完成，從而大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。圖4所示的是其中最常見的相關(guān)運算及其FPGA實現(xiàn)。

圖4

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

在射頻（RF）部分，選用2或4片貼片式指向性（directional）天線接收信號，利用信號特點選擇性接收衛(wèi)星來波方向信號，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的不同，采用軟件技術(shù)動態(tài)地對信號加權(quán)融合。簡單來講，就是當(dāng)天線正對著衛(wèi)星時，信噪比最大，此時加大加權(quán)系數(shù)；當(dāng)天線背對著衛(wèi)星時，信噪比最差，此時取加權(quán)系數(shù)為0。這樣，既簡化了接收機高頻部分的設(shè)計，又較好地實現(xiàn)了抗干擾性能。而經(jīng)典的設(shè)計中往往多采用全向天線，它們在所有的角度上都受到噪聲和干擾信號的影響，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。由于采用了指向性天線，使得旋轉(zhuǎn)對衛(wèi)星信號的調(diào)制效果更加明顯，因而也容易進行旋轉(zhuǎn)的解調(diào)。所謂旋轉(zhuǎn)解調(diào)，實際上就是從受旋轉(zhuǎn)“污染”的信號中提取有用的數(shù)據(jù)信號；同時，還可以從中獲取旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)信號（或者說進行旋轉(zhuǎn)跟蹤）。GPS接收系統(tǒng)的組成框圖如圖5所示。

圖5

系統(tǒng)的工作原理與過程是：信號在由天線接收后，經(jīng)過前置放大后傳給射頻前端，在射頻前端進行下變頻，將信號變?yōu)橹蓄l，在中頻上進行A/D變換，變?yōu)閿?shù)字中頻后傳送到數(shù)字接收機通道進行處理。輸入信號的FFT對應(yīng)地與本地產(chǎn)生的偽隨機碼的復(fù)共軛FFT相乘，最后對乘積進行逆變換IFFT，從而得到了所有碼片間隔上的相關(guān)值。若所有相位上的信號都比預(yù)設(shè)的門限值小，調(diào)整本地的調(diào)制信號繼續(xù)搜索；否則，停止搜索轉(zhuǎn)入跟蹤。通過載波和相位的跟蹤環(huán)路將信號中的偽距信息提取出來送給接收機處理器，計算出三維坐標(biāo)信息。

4 結(jié)語

2－DCCF引信用衛(wèi)星定位信號接收系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。簡化了天線和射頻信號處理部分設(shè)計，為研制高速旋轉(zhuǎn)彈引信用微小型衛(wèi)星定位信號接收機創(chuàng)造條件。

軟件GPS接收機的軟件功能強大。與傳統(tǒng)的GPS接收機相比，它的信號處理能力更強，尤其在惡劣條件下通過信息的存儲和再處理，可實現(xiàn)增強的信息處理。

可靠性高，抗干擾能力強。采用數(shù)字信號處理技術(shù)和抗干擾技術(shù)，選擇性接收衛(wèi)星來波方向信號，既可保證高速旋轉(zhuǎn)和高動態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星定位信號的可靠獲取，又能有效屏蔽地面干擾，提高接收機適應(yīng)戰(zhàn)場電磁環(huán)境的能力。

IMU輔助的GPS接收技術(shù)使得導(dǎo)航精度更高。GPS將GPS測量的空間（三維）位置信息、速度信息和時間信息（PVT）送入信號處理器，對測量數(shù)據(jù)進行處理和計算，辨識實際彈道；從而產(chǎn)生導(dǎo)航解，為彈道修正引信進行簡易制導(dǎo)提供依據(jù)；同時，融合慣性組合（加速度計、陀螺儀）提供的測量信息，更好地實現(xiàn)了二維彈道修正引信的彈道辨識。

本文的創(chuàng)新點在于：旨在解決二維彈道修正引信用衛(wèi)星定位接收系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)、高速條件下的穩(wěn)定定位問題。在引信系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究了旋轉(zhuǎn)條件下可靠接收衛(wèi)星定位信號的電路設(shè)計，提出了基于軟件無線電技術(shù)的旋轉(zhuǎn)彈引信用衛(wèi)星定位信號處理算法，以及GPS/IMU信息融合的二維彈道修正引信彈道辨識方法。

參考文獻

[1] James H. Doty, Advanced Spinning-Vehicle Navigation―A New Technique in Navigation of Munitions. Rockwell Collins, Inc. ION 57th Annual Meeting/CIGTF 20th Biennial Guidance Test Symposium, 11-13 June 2001, Albuquerque, NM

[2] 張劍. 旋轉(zhuǎn)彈彈道修正引信用衛(wèi)星定位接收系統(tǒng)原理研究，北京理工大學(xué)博士論文，2005

[3] 伍蔡倫. GPS信號的捕獲與跟蹤方案研究. 北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2006

[4] 張欣. 擴頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及其VLSI實現(xiàn). 科學(xué)出版社, 2004

[5] 楊躍忠等. 自適應(yīng)LMS濾波器在FPGA中的實現(xiàn)[J]. 微計算機信息，2006.4-2

[6] Alison Brown, NAVSYS Corporation. Benefits of Software GPS Receivers for Enhanced Signal Processing. Published in GPS SOLUTIONS 4(1) Summer, 2000, pages 56-66.

[7] 安建平. 擴頻通信講義. 北京理工大學(xué). 2006