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GPS在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用探討

2011年08月30日 18:18 本站整理 作者:網(wǎng)絡(luò) 用戶評論(0

  概括地說,國防高技術(shù)應(yīng)包括兩個(gè)層次的技術(shù)。一是支撐高技術(shù)武器裝備研制的共性基礎(chǔ)技術(shù),如微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源和動(dòng)力技術(shù)、仿真技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)等;二是針對武器裝備功能需要的應(yīng)用技術(shù),如探測技術(shù)、精確制導(dǎo)技術(shù)、C(U3)I系統(tǒng) 技術(shù)、電子對抗技術(shù)、隱身技術(shù)、反隱身技術(shù)、航天技術(shù)、核武器技術(shù)和先進(jìn)防御技術(shù)等。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信號帶來的問題及解決方案

  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信號帶來的影響。GPS系統(tǒng)是由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成的星座。GPS衛(wèi)星的軌道高度為20000km,星上裝有10-13高精確度的原子鐘。地面上有一個(gè)主控站和多個(gè)監(jiān)控站,定期地對星座的衛(wèi)星進(jìn)行精確的位置和時(shí)間測定,并向衛(wèi)星發(fā)出星歷信息。用戶使用GPS接收機(jī)同時(shí)接收4顆以上衛(wèi)星的信號,即可確定自身所在的經(jīng)緯度、高度及精確時(shí)間。

  1.1 高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的問題

  與中、低動(dòng)態(tài)環(huán)境相比,高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來了如下問題:

  ① 高動(dòng)態(tài)使GPS載波信號產(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。這樣就會使寬帶噪聲竄入,當(dāng)噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時(shí)就會致使載波跟蹤環(huán)失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導(dǎo)航解,這樣就會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超過鎖相環(huán)的捕獲帶,這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。

 ?、?高動(dòng)態(tài)也使得GPS信號的副載波,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,而且重新捕獲時(shí)間很長,往往使導(dǎo)航解發(fā)散。

  ③ 載波跟蹤失鎖也使50 Hz的調(diào)制數(shù)據(jù)無法恢復(fù),相應(yīng)的衛(wèi)星星歷無法獲取。

  1.2 解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來問題的典型方法

  解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境所帶來的問題,主要是研究如何提高在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中對多普勒頻移的了解程度。研究表明,多普勒頻移一般可通過某些算法進(jìn)行多普勒頻移估計(jì)而掌握,或者通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來提取。

  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)境中對多普勒頻移估計(jì)算法的研究最早也是最有成績的是美國JPL實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)研究過以下算法:

 ?、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對頻率及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估計(jì)的。

  ② 采用擴(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。

 ?、邸〗徊孀詣?dòng)頻率控制環(huán)(CPAKC),即一種簡化的估計(jì)淹沒于噪聲中正弦信號頻率并有極高動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)最優(yōu)算法。

 ?、堋☆l率擴(kuò)展卡爾曼濾波器(FEKF),即一種先對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)性能和信號處理復(fù)雜程度的要求。

  1.2.2 通過慣導(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,在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,可顯著降低GPS接收機(jī)對動(dòng)態(tài)信號跟蹤能力的要求,從而提高其對動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力和抗干擾能力。

  

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( 發(fā)表人:小蘭 )

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