GPS在导弹制导中的应用

随着国防技术的飞速发展，要求导弹等经常工作在高动态环境下武器的性能不断改进。传统的导弹制导手段不能满足现代战争对导弹提出的高精度、高可靠性和具有强大战场生存能力的要求。例如传统的导弹制导系统［1］大都采用惯导系统，由于不断提高的改进陀螺仪和加速度计的要求很难得到满足，惯导系统定位误差随时间积累的缺点越来越限制其进一步应用。目前，纯惯导系统虽能初步满足中近程导弹飞行的点与点之间导航精度要求，但不能满足远程、长时间航行及武器投掷、侦察、变轨控制等更高精度的制导要求［2］。因此，很有必要研究新的制导手段来满足现代战争的需要。随着GPS这一全球卫星定位系统的发展，特别是由于该系统具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力以及良好的抗干扰性和保密性，该系统被迅速应用于军事领域的各个方面，并已取得了可观的军事效益。本课题正是在这种背景下，研究GPS这一全新的全球定位系统在导弹制导中的应用，有重要的军事价值和现实意义。

1　导弹飞行环境（高动态环境）给接收GPS信号带来的问题及解决方案

　　导弹制导的显著特点是在高动态环境中实施轨迹导引和误差校正。研究GPS在制导中的应用必须研究高动态环境给接收GPS信号带来的影响。虽然GPS系统具有比以往导航定位系统无法比拟的许多优点，但是与静态、中低动态环境相比，高动态环境使GPS信号产生了较大的多普勒频移，给接收机可靠捕获和跟踪信号带来了较大的困难。普通GPS接收机在没有惯导系统速率辅助的条件下很难在高动态环境下可靠地工作。

1.1　高动态环境给接收GPS信号带来的问题

　　与中、低动态环境相比，高动态环境给接收GPS信号带来了如下问题：

　　①　高动态使GPS载波信号产生较大的多普勒频移，若使普通接收机的载波锁相环PLL（常用costas 环）能够保持锁定，就必须增加环路滤波器的带宽。这样就会使宽带噪声窜入，当噪声电平增大到超过环路门限时就会致使载波跟踪环失锁。而载波跟踪提供精确的距离变化率测量导航解，这样就会丢失距离和距离变化率的估计值；若不增加载波锁相环的环路带宽，则载波多普勒频移常常会超过锁相环的捕获带，这样也不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。

　　② 高动态也使得GPS信号的副载波，即伪随机码产生动态时延，使得普通接收机的DLL码延时跟踪环容易失锁［1］，而且重新捕获时间很长，往往使导航解发散。

　　③ 载波跟踪失锁也使50 Hz的调制数据无法恢复，相应的卫星星历无法获取。

　　普通的GPS接收机大都采用载波锁相环进行载波跟踪、码延迟锁定环进行码跟踪，如果没有惯性导航系统的速率辅助（即提供有关多普勒频移的先验知识），是很难在高动态环境下可靠工作的。

1.2　解决高动态环境所带来问题的典型方法

　　解决高动态环境所带来的问题，主要是研究如何提高在高动态环境中对多普勒频移的了解程度。研究表明，多普勒频移一般可通过某些算法进行多普勒频移估计而掌握，或者通过惯性导航系统来提取。

1.2.1　高动态环境中多普勒频移估计方法

　　在高动态环境中对多普勒频移估计算法的研究最早也是最有成绩的是美国JPL实验室，该实验室曾经研究过以下算法［1］：

　　①　近似最大似然估计（MLE）的跟踪和捕获算法，该算法是基于N个连续同相和正交采样值来对频率及其时间导数进行估计的。
　　②　采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF），即一种使用准最优递推估计接收的相位及频率跟踪算法进行载波跟踪。
　　③　交叉自动频率控制环（CPAKC），即一种简化的估计淹没于噪声中正弦信号频率并有极高动态的准最优算法。
　　④　频率扩展卡尔曼滤波器（FEKF），即一种先对去除相位影响后的数据进行叉积，再进行低节次EKF的频率估计算法。

　　在设计高动态GPS接收机时可权衡工作门限（频率失锁概率为10％时的信噪比）、不同信噪比时的频率误差、算法复杂程度以及需求特点等因素，选择合适的载波捕获跟踪算法以满足接收机性能和信号处理复杂程度的要求。

1.2.2　通过惯导辅助而获取多普勒频移的方法

　　研究表明，将GPS系统和目前常用惯导系统进行组合可显著增强普通GPS接收机在高动态环境下的适应能力，且组合的定位精度明显提高［3］。这是因为将两个系统的输出信息通过卡尔曼滤波器进行组合，利用惯导加速度计的速率数据（包含多普勒频移信息）作为GPS接收机码跟踪环路和载波跟踪环路的辅助信号，在高动态环境下，可显著降低GPS接收机对动态信号跟踪能力的要求，从而提高其对动态的适应能力和抗干扰能力。另外，当因干扰和姿态变化而丢失GPS信号时，此组合方式还具有快速重捕能力。