隨著國防技術的飛速發展，要求導彈等經常工作在高動態環境下武器的性能不斷改進。傳統的導彈制導手段不能滿足現代戰爭對導彈提出的高精度、高可靠性和具有強大戰場生存能力的要求。例如傳統的導彈制導系統大都采用慣導系統，由于不斷提高的改進陀螺儀和加速度計的要求很難得到滿足，慣導系統定位誤差隨時間積累的缺點越來越限制其進一步應用。目前，純慣導系統雖能初步滿足中近程導彈飛行的點與點之間導航精度要求，但不能滿足遠程、長時間航行及武器投擲、偵察、變軌控制等更高精度的制導要求。因此，很有必要研究新的制導手段來滿足現代戰爭的需要。隨著GPS這一全球衛星定位系統的發展，特別是由于該系統具有全球性、全天候、連續的精密三維導航與定位能力以及良好的抗干擾性和保密性，該系統被迅速應用于軍事領域的各個方面，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在導彈制導中的應用，有重要的軍事價值和現實意義。
1 導彈飛行環境(高動態環境)給接收GPS信號帶來的問題及解決方案
導彈制導的顯著特點是在高動態環境中實施軌跡導引和誤差校正。研究GPS在制導中的應用必須研究高動態環境給接收GPS信號帶來的影響。雖然GPS系統具有比以往導航定位系統無法比擬的許多優點，但是與靜態、中低動態環境相比，高動態環境使GPS信號產生了較大的多普勒頻移，給接收機可靠捕獲和跟蹤信號帶來了較大的困難。普通GPS接收機在沒有慣導系統速率輔助的條件下很難在高動態環境下可靠地工作。
1.1 高動態環境給接收GPS信號帶來的問題
與中、低動態環境相比，高動態環境給接收GPS信號帶來了如下問題：
①高動態使GPS載波信號產生較大的多普勒頻移，若使普通接收機的載波鎖相環PLL(常用costas環)能夠保持鎖定，就必須增加環路濾波器的帶寬。這樣就會使寬帶噪聲竄入，當噪聲電平增大到超過環路門限時就會致使載波跟蹤環失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導航解，這樣就會丟失距離和距離變化率的估計值；若不增加載波鎖相環的環路帶寬，則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環的捕獲帶，這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。
②高動態也使得GPS信號的副載波，即偽隨機碼產生動態時延，使得普通接收機的DLL碼延時跟蹤環容易失鎖，而且重新捕獲時間很長，往往使導航解發散。
③載波跟蹤失鎖也使50Hz的調制數據無法恢復，相應的衛星星歷無法獲取。
普通的GPS接收機大都采用載波鎖相環進行載波跟蹤、碼延遲鎖定環進行碼跟蹤，如果沒有慣性導航系統的速率輔助(即提供有關多普勒頻移的先驗知識)，是很難在高動態環境下可靠工作的。
1.2 解決高動態環境所帶來問題的典型方法
解決高動態環境所帶來的問題，主要是研究如何提高在高動態環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行多普勒頻移估計而掌握，或者通過慣性導航系統來提取。
1.2.1 高動態環境中多普勒頻移估計方法
在高動態環境中對多普勒頻移估計算法的研究最早也是最有成績的是美國JPL實驗室，該實驗室曾經研究過以下算法：
①近似最大似然估計(MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個連續同相和正交采樣值來對頻率及其時間導數進行估計的。
②采用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準最優遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進行載波跟蹤。
③交叉自動頻率控制環(CPAKC)，即一種簡化的估計淹沒于噪聲中正弦信號頻率并有極高動態的準最優算法。
④頻率擴展卡爾曼濾波器(FEKF)，即一種先對去除相位影響后的數據進行叉積，再進行低節次EKF的頻率估計算法。
在設計高動態GPS接收機時可權衡工作門限(頻率失鎖概率為10%時的信噪比)、不同信噪比時的頻率誤差、算法復雜程度以及需求特點等因素，選擇合適的載波捕獲跟蹤算法以滿足接收機性能和信號處理復雜程度的要求。
1.2.2 通過慣導輔助而獲取多普勒頻移的方法
研究表明，將GPS系統和目前常用慣導系統進行組合可顯著增強普通GPS接收機在高動態環境下的適應能力，且組合的定位精度明顯提高。這是因為將兩個系統的輸出信息通過卡爾曼濾波器進行組合，利用慣導加速度計的速率數據(包含多普勒頻移信息)作為GPS接收機碼跟蹤環路和載波跟蹤環路的輔助信號，在高動態環境下，可顯著降低GPS接收機對動態信號跟蹤能力的要求，從而提高其對動態的適應能力和抗干擾能力。另外，當因干擾和姿態變化而丟失GPS信號時，此組合方式還具有快速重捕能力。
2 設計高動態GPS接收機的關鍵技術
現以設計高動態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，從而在高動態環境中實現載波跟蹤外，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。下文主要分析窄帶相關器技術、載波輔助技術和多星技術，其他技術已多有論述，這里不再涉及。
傳統的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)具有明顯的優越性，可在出現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。實驗表明，在C/A碼跟蹤環路中采用窄間隔相關器(間隔為0.1碼片)，僅靠偽距求解的實時定位精度可達到＜1m；載波相位平滑下的碼偽距解精度達0.5m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。
載波輔助技術以兩種方式輔助碼環跟蹤。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碼的數控振蕩器，使之對動態不敏感，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。事實上通道數目的增加可獲得顯著的性能提高，因為不同的衛星數目越多定位精度越高。這主要表現在衛星數目增加一倍時定位噪聲可降低3dB。另外，12通道系統實質上清除了優化選星的煩瑣，并為偶然的信號丟失提供了一個簡捷的處理方法，12通道系統在冷啟動模式下還具有一個最大的優點，即可對衛星信號進行盲搜索。
目前我們設計了一種模塊式并行12通道高動態GPS接收機，實現框圖如圖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星的偽距離和距離變化率，以此滿足在高動態環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、軍用飛機等高動態用戶載體上工作。
圖1 高動態GPS接收機實現框圖
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、三維速度和姿態數據；工作不受外部環境影響；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；與現行機載設備的規范要求相符；價格適中，為廣大用戶所接受等等。目前，導彈制導系統大都采用慣性制導系統(INS)，這種系統由于存在誤差隨時間而積累的固有缺點，所以很難滿足高精度、高可靠性等制導系統的要求。研究表明，在影響導彈制導精度的誤差因素中，慣導儀表的測量誤差是主要誤差源。鑒于制導系統的要求以及慣導系統的固有缺陷，目前提高制導系統精度一般有兩條途徑：采用新的制導系統和完善現有的慣導系統。
3.1 高動態GPS接收機在導彈制導中應用
采用新的制導技術是制導領域一直關注的問題，隨著GPS這一全球衛星定位系統的建成，基于GPS系統的新型制導系統可以較好地滿足導彈制導的諸項要求，用GPS制導系統來替換現有的慣導系統，實現導彈的長距離、高精度制導已引起越來越多的關注。
用高動態GPS接收機進行導彈制導需要解決的兩個關鍵問題是：GPS全向天線的研究和基于GPS技術的導彈姿態測量方法研究。這兩項研究已有所突破，這里不再贅述。圖2是基于高動態GPS接收機的導彈制導系統組成框圖。其基本工作原理是：由GPS接收機測量出導彈的實時位置并與存儲在程序裝置中的預定軌道參數進行比較和計算綜合，然后通過姿態控制系統控制彈體運動；而導彈的姿態信息也通過GPS接收機實時監測，并適時控制導彈進行調整，整個制導系統是一個閉環系統，最終將導彈引向目標。
圖2 基于高動態GPS接收機的導彈制導系統組成框圖
3.2 GPS和慣導組合的制導方法
完善現有的慣導系統就必須減小慣導儀表的工具誤差。目前通過提高慣導儀表質量而減小工具誤差的方法越來越困難；而采用組合制導技術來修正工具誤差的方法周期短、成本低，隨著GPS技術的出現，這種方法越來越受到重視。
普通的GPS接收機在高動態環境不易捕獲和跟蹤信號，甚至產生整周跳變現象；而慣導系統可實時提供多種導航信息，但其導航誤差會隨時間而積累，影響制導效果。GPS/INS組合制導系統使得新系統既具有慣導系統較高的相對精度，又具有GPS較高的絕對精度，并容易提供載體的姿態信息。用GPS連續提供的高精度位置和速度信息可以估計和校正慣導系統的位置誤差、速度誤差，從而顯著提高慣導系統的定位精度；而借助慣導系統的加速度計速率信息，可改善GPS接收機的動態性能，使GPS接收機能夠在高動態環境快速捕獲和重新捕獲衛星信號。因此，GPS和INS的組合可以構成真正理想的制導系統。慣導與GPS的組合方式一般可以分為兩大類：重調式和卡爾曼濾波方式。
重調式是簡單的組合方式。實質上，這種組合只是GPS向慣導單方向的校準，雖然有簡單、易于實現的優點，但組合的潛能遠沒有發揮出來。
在卡爾曼濾波方式中采用了組合導航濾波器(實質上是一種卡爾曼濾波器)，通過估計慣導儀表的誤差改善慣導系統的定位精度；如果慣導的速率數據作為GPS接收機碼跟蹤環路和載波跟蹤環路的輔助信息，在高動態環境下可降低GPS接收機對動態信號跟蹤能力的要求，從而提高抗干擾性能。另外，當因干擾和姿態變化丟失了GPS信號，此組合方式還具有快速重捕能力。圖3為典型的GPS/INS組合系統的結構圖。
圖3 典型的GPS/INS組合系統的結構圖
GPS和INS組合制導(導航)系統，兼顧了兩系統的優點，抑制了兩分系統的不足，且增加了系統的冗余度，相應提高了載體的導航或制導精度，是較為理想的組合制導(導航)系統。
4 結論
現有的慣性制導系統不能充分滿足導彈精密制導的需要，而基于GPS技術的現代制導系統具有許多慣性制導系統無法比擬的優點，有廣闊的發展前景。
