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(mǎn)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)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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。因此，很有必要研究新的制導(dǎo)手段來(lái)滿(mǎn)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：
①高動(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(mén)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，而且重新捕獲時(shí)間很長(zhǎng)，往往使導(dǎo)航解發(fā)散。
③載波跟蹤失鎖也使50Hz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近似最大似然估計(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。
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。
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。