概括地說，國防高技術應包括兩個層次的技術。一是支撐高技術武器裝備研制的共性基礎技術，如微電子技術、光電子技術、電子計算機技術、新材料技術、新能源和動力技術、仿真技術、先進制造技術等;二是針對武器裝備功能需要的應用技術，如探測技術、精確制導技術、C(U3)I系統 技術、電子對抗技術、隱身技術、反隱身技術、航天技術、核武器技術和先進防御技術等。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(huán)境(高動態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的影響。GPS系統是由分布在6個軌道面上的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。地面上有一個主控站和多個監(jiān)控站，定期地對星座的衛(wèi)星進行精確的位置和時間測定，并向衛(wèi)星發(fā)出星歷信息。用戶使用GPS接收機同時接收4顆以上衛(wèi)星的信號，即可確定自身所在的經緯度、高度及精確時間。
1.1 高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的問題
與中、低動態(tài)環(huán)境相比，高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來了如下問題：
?、佟「邉討B(tài)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(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，當噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時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(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。
?、?高動態(tài)也使得GPS信號的副載波，即偽隨機碼產生動態(tài)時延，使得普通接收機的DLL碼延時跟蹤環(huán)容易失鎖，而且重新捕獲時間很長，往往使導航解發(fā)散。
?、?載波跟蹤失鎖也使50 Hz的調制數據無法恢復，相應的衛(wèi)星星歷無法獲取。
1.2 解決高動態(tài)環(huán)境所帶來問題的典型方法
解決高動態(tài)環(huán)境所帶來的問題，主要是研究如何提高在高動態(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(tài)環(huán)境中多普勒頻移估計方法
在高動態(tài)環(huán)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：
?、佟〗谱畲笏迫还烙?MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個連續(xù)同相和正交采樣值來對頻率及其時間導數進行估計的。
?、凇〔捎脭U展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準最優(yōu)遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進行載波跟蹤。
?、邸〗徊孀詣宇l率控制環(huán)(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(tài)的準最優(yōu)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(jié)次EKF的頻率估計算法。
在設計高動態(tài)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(tài)環(huán)境下的適應能力，且組合的定位精度明顯提高[3]。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(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信號，在高動態(tài)環(huán)境下，可顯著降低GPS接收機對動態(tài)信號跟蹤能力的要求，從而提高其對動態(tài)的適應能力和抗干擾能力。
2 設計高動態(tài)GPS接收機的關鍵技術
GPS接收機是可以接收全球定位系統衛(wèi)星信號以確定地面空間位置的儀器。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。GPS接收機的第一次開機，或者開機距離里上次關機地點超過800KM以上，因為接收機里存儲的星歷都對不上了，所以要在接收機上重新定位。GPS接收機的使用要在開闊的可見天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的精度一般是誤差在10米左右，就是說一條路能看出走左邊還是右邊。精度主要依賴于衛(wèi)星的信號接收，和可接收信號的衛(wèi)星在天空的分布情況，如果幾顆衛(wèi)星分布的比較分散，GPS接收機提供的定位精度就會比較高。
現以設計高動態(tài)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(tài)環(huán)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。
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(yōu)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。
載波輔助技術以兩種方式輔助碼環(huán)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(tài)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(wèi)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(wèi)星數目越多定位精度越高。這主要表現在衛(wèi)星數目增加一倍時定位噪聲可降低3 dB。另外，12通道系統實質上清除了優(yōu)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(yōu)點，即可對衛(wèi)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(tài)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(wèi)星的偽距離和距離變化率，以此滿足在高動態(tài)環(huán)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(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保證GPS接收機在較低信噪比下可靠跟蹤衛(wèi)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(tài)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(tài)用戶載體上工作。
圖1 高動態(tài)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(tài)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(tài)數據;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、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(guī)范要求相符;價格適中，為廣大用戶所接受等等。INS全程Inertial Navigation System，即慣性導航系統，有時也簡稱為慣性系統或慣性導航。慣性導航系統的工作機理是建立在牛頓經典力學的基礎上的。牛頓定律告訴人們：一個物體如果沒有外力作用，將保持靜止或勻速直線運動;而且，物體的加速度正比于作用在物體上的外力。如果能夠測量得到加速度，那么通過加速度對時間的連續(xù)數學積分就可計算得到物體的速度和位置的變化。慣性導航系統是一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置的一個系統。通過陀螺儀和加速度計的測量數據，可以確定運載體在慣性參考坐標系中的運動，同時也能夠計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置。3.1 高動態(tài)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(wèi)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(tài)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(tài)測量方法研究。這兩項研究已有所突破[3]，這里不再贅述。圖2是基于高動態(tài)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(tài)控制系統控制彈體運動;而導彈的姿態(tài)信息也通過GPS接收機實時監(jiān)測，并適時控制導彈進行調整。
圖2 基于高動態(tài)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[3];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(tài)環(huán)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(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(tài)性能，使GPS接收機能夠在高動態(tài)環(huán)境快速捕獲和重新捕獲衛(wèi)星信號。
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(yōu)點，但組合的潛能遠沒有發(fā)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(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的輔助信息，在高動態(tài)環(huán)境下可降低GPS接收機對動態(tài)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(tài)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(yōu)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(yōu)點，有廣闊的發(fā)展前景。