GPS在導彈制導中的應用探討

　　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)以設計高動態(tài)GPS接收機過程中用到的技術加以說明。所設計的GPS接收機除了采用近似最大似然估計(MLE)技術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，還采用了窄帶相關器技術、多星技術、載波輔助技術、卡爾曼濾波技術和差分技術來提高定位精度。

　　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。因為碼相關器中遲早信號中的噪聲成分是相關的，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致多徑效應減小，從而提高定位精度。

　　載波輔助技術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。

　　多星技術即多通道技術。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部產(chǎn)生的載波及偽隨機碼相關，恢復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技術設計了滿足高動態(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通道模塊化設計及提高定位精度的相關技術，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輔助的導彈、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在導彈制導方面的應用

　　研究表明，理想的導彈制導系統(tǒng)應滿足如下要求：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，即慣性導航系統(tǒng)，有時也簡稱為慣性系統(tǒng)或慣性導航。慣性導航系統(tǒng)的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學的基礎上的。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)學積分就可計算得到物體的速度和位置的變化。慣性導航系統(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系中的運動，同時也能夠計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置。