GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用

隨著國(guó)防技術(shù)的飛速發(fā)展，要求導(dǎo)彈等經(jīng)常工作在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下武器的性能不斷改進(jìn)。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈制導(dǎo)手段不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)導(dǎo)彈提出的高精度、高可靠性和具有強(qiáng)大戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的要求。例如傳統(tǒng)的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)［1］大都采用慣導(dǎo)系統(tǒng)，由于不斷提高的改進(jìn)陀螺儀和加速度計(jì)的要求很難得到滿足，慣導(dǎo)系統(tǒng)定位誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)越來(lái)越限制其進(jìn)一步應(yīng)用。目前，純慣導(dǎo)系統(tǒng)雖能初步滿足中近程導(dǎo)彈飛行的點(diǎn)與點(diǎn)之間導(dǎo)航精度要求，但不能滿足遠(yuǎn)程、長(zhǎng)時(shí)間航行及武器投擲、偵察、變軌控制等更高精度的制導(dǎo)要求［2］。因此，很有必要研究新的制導(dǎo)手段來(lái)滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。隨著GPS這一全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，特別是由于該系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力以及良好的抗干擾性和保密性，該系統(tǒng)被迅速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的各個(gè)方面，并已取得了可觀的軍事效益。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(lái)的問(wèn)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(lái)的影響。雖然GPS系統(tǒng)具有比以往導(dǎo)航定位系統(tǒng)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，但是與靜態(tài)、中低動(dòng)態(tài)環(huán)境相比，高動(dòng)態(tài)環(huán)境使GPS信號(hào)產(chǎn)生了較大的多普勒頻移，給接收機(jī)可靠捕獲和跟蹤信號(hào)帶來(lái)了較大的困難。普通GPS接收機(jī)在沒(méi)有慣導(dǎo)系統(tǒng)速率輔助的條件下很難在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可靠地工作。

1.1　高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號(hào)帶來(lái)的問(wèn)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(lái)了如下問(wèn)題：

　?、佟「邉?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(guò)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(guò)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［1］，而且重新捕獲時(shí)間很長(zhǎng)，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(wú)法恢復(fù)，相應(yīng)的衛(wèi)星星歷無(wú)法獲取。

　　普通的GPS接收機(jī)大都采用載波鎖相環(huán)進(jìn)行載波跟蹤、碼延遲鎖定環(huán)進(jìn)行碼跟蹤，如果沒(méi)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的速率輔助（即提供有關(guān)多普勒頻移的先驗(yàn)知識(shí)），是很難在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可靠工作的。

1.2　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來(lái)問(wèn)題的典型方法

　　解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的問(wèn)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(guò)某些算法進(jìn)行多普勒頻移估計(jì)而掌握，或者通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)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(guò)以下算法［1］：

　?、佟〗谱畲笏迫还烙?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(lái)對(duì)頻率及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估計(jì)的。
　?、凇〔捎脭U(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(méi)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(guò)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(guò)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。另外，當(dāng)因干擾和姿態(tài)變化而丟失GPS信號(hào)時(shí)，此組合方式還具有快速重捕能力。

2　設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

　　 現(xiàn)以設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)過(guò)程中用到的技術(shù)加以說(shuō)明。所設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)除了采用近似最大似然估計(jì)（MLE）技術(shù)估算距離和距離變化率，從而在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)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)［3］、卡爾曼濾波技術(shù)和差分技術(shù)來(lái)提高定位精度。下文主要分析窄帶相關(guān)器技術(shù)、載波輔助技術(shù)和多星技術(shù)，其他技術(shù)已多有論述，這里不再涉及。

　　傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)在對(duì)偽隨機(jī)碼進(jìn)行延時(shí)捕獲跟蹤時(shí)，其遲早相關(guān)器都用1個(gè)碼片的長(zhǎng)度作為延遲間隔［4］，但在對(duì)C/A碼跟蹤時(shí)采用窄相關(guān)間隔（如采用1.0～0.05碼片長(zhǎng)度）具有明顯的優(yōu)越性，可在出現(xiàn)噪聲和多徑干擾時(shí)減小跟蹤誤差。因?yàn)榇a相關(guān)器中遲早信號(hào)中的噪聲成分是相關(guān)的，在進(jìn)行遲早處理時(shí)兩者趨于抵消；由于PDLL鑒相器中的多徑信號(hào)較少扭曲而導(dǎo)致多徑效應(yīng)減小，從而提高定位精度。實(shí)驗(yàn)表明［4］，在C/A碼跟蹤環(huán)路中采用窄間隔相關(guān)器（間隔為0.1碼片），僅靠偽距求解的實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到＜1 m；載波相位平滑下的碼偽距解精度達(dá)0.5 m水平。在本課題方案中采用的碼片間距是0.5碼片而不是通常的1碼片間隔。

　　載波輔助技術(shù)以兩種方式輔助碼環(huán)跟蹤［3］。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(duì)動(dòng)態(tài)不敏感，從而提高測(cè)碼偽距的精度；另一方面，當(dāng)載波相位正確積分時(shí)，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(lái)平滑偽距噪聲。

　　多星技術(shù)即多通道技術(shù)。事實(shí)上通道數(shù)目的增加可獲得顯著的性能提高［3］，因?yàn)椴煌男l(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(shí)定位噪聲可降低3 dB。另外，12通道系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上清除了優(yōu)化選星的煩瑣，并為偶然的信號(hào)丟失提供了一個(gè)簡(jiǎn)捷的處理方法，12通道系統(tǒng)在冷啟動(dòng)模式下還具有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，即可對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行盲搜索。

　　目前我們?cè)O(shè)計(jì)了一種模塊式并行12通道高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。其基本設(shè)計(jì)原理是將接收到的GPS射頻信號(hào)通過(guò)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(hào)，再在信號(hào)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(hào)并獲得定位解算所需的偽碼和載波觀測(cè)量。該接收機(jī)通過(guò)采用近似最大似然估算（MLE）方法來(lái)估算接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的偽距離和距離變化率，以此滿足在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)偽碼和載波頻率的跟蹤；通過(guò)采用DSP技術(shù)設(shè)計(jì)了滿足高動(dòng)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(lái)保證GPS接收機(jī)在較低信噪比下可靠跟蹤衛(wèi)星信號(hào)；通過(guò)采用并行12通道模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)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(méi)有慣導(dǎo)輔助的導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)等高動(dòng)態(tài)用戶載體上工作。

圖1　高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)實(shí)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［3］：全球覆蓋；高的相對(duì)精度和絕對(duì)精度；對(duì)高動(dòng)態(tài)載體具有良好的實(shí)時(shí)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(shí)、自主地進(jìn)行故障檢測(cè)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(jià)格適中，為廣大用戶所接受等等。目前，導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)大都采用慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（INS），這種系統(tǒng)由于存在誤差隨時(shí)間而積累的固有缺點(diǎn)，所以很難滿足高精度、高可靠性等制導(dǎo)系統(tǒng)的要求。研究表明，在影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度的誤差因素中，慣導(dǎo)儀表的測(cè)量誤差是主要誤差源［3］。鑒于制導(dǎo)系統(tǒng)的要求以及慣導(dǎo)系統(tǒng)的固有缺陷，目前提高制導(dǎo)系統(tǒng)精度一般有兩條途徑：采用新的制導(dǎo)系統(tǒng)和完善現(xiàn)有的慣導(dǎo)系統(tǒng)。

3.1　高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)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(wèn)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(xiàng)要求，用GPS制導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)替換現(xiàn)有的慣導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的長(zhǎng)距離、高精度制導(dǎo)已引起越來(lái)越多的關(guān)注。

　　用高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)彈制導(dǎo)需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(cè)量方法研究。這兩項(xiàng)研究已有所突破［3］，這里不再贅述。圖2是基于高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)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(jī)測(cè)量出導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)位置并與存儲(chǔ)在程序裝置中的預(yù)定軌道參數(shù)進(jìn)行比較和計(jì)算綜合，然后通過(guò)姿態(tài)控制系統(tǒng)控制彈體運(yùn)動(dòng)；而導(dǎo)彈的姿態(tài)信息也通過(guò)GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并適時(shí)控制導(dǎo)彈進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，最終將導(dǎo)彈引向目標(biāo)。

圖2　基于高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)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(guò)提高慣導(dǎo)儀表質(zhì)量而減小工具誤差的方法越來(lái)越困難［3］；而采用組合制導(dǎo)技術(shù)來(lái)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(lái)越受到重視。

　　普通的GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境不易捕獲和跟蹤信號(hào)，甚至產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象；而慣導(dǎo)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)提供多種導(dǎo)航信息，但其導(dǎo)航誤差會(huì)隨時(shí)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(duì)精度，又具有GPS較高的絕對(duì)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(jì)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(jì)速率信息，可改善GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，使GPS接收機(jī)能夠在高動(dòng)態(tài)環(huán)境快速捕獲和重新捕獲衛(wèi)星信號(hào)。因此，GPS和INS的組合可以構(gòu)成真正理想的制導(dǎo)系統(tǒng)。慣導(dǎo)與GPS的組合方式一般可以分為兩大類［3］：重調(diào)式和卡爾曼濾波方式。

　　重調(diào)式是簡(jiǎn)單的組合方式。實(shí)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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但組合的潛能遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

　　在卡爾曼濾波方式中采用了組合導(dǎo)航濾波器（實(shí)質(zhì)上是一種卡爾曼濾波器），通過(guò)估計(jì)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(jī)碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信息，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可降低GPS接收機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤能力的要求，從而提高抗干擾性能。另外，當(dāng)因干擾和姿態(tài)變化丟失了GPS信號(hào)，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(diǎn)，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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。