GPS轉發技術在飛行器外測中的應用

慕鵬

摘要：GPS轉發外測技術具有動態特性好、作用距離遠、全天候、精度高等特點，是滿足未來靶場的外彈道測量的可選方法之一。本文主要介紹了該技術的主要工作原理、以及在靶場遙測裝備上的應用設計及采用的關鍵技術，最后對采用該技術所達到的定位精度和測速精度進行了分析。

關鍵詞：轉發GPS 外測遙測 精度分析

中圖分類號： P228 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）05（c）-0000-00

由于開展一次空間目標飛行試驗十分昂貴，所以，在系統設計中需要考慮的首要因素就是要獲得可靠的、有價值的測量數據，對這種飛行時間短，動態變化范圍大的飛行器來說，使用轉發器則能較好地解決信號的初始捕獲、跟蹤容易引起接收機失鎖，很短時間內完成信號重捕困難的難題。

1 工作原理

GPS轉發外測主要是在飛行器GPS轉發器的配合下，通過地面站接收機捕獲、定位，精密測量飛行器動態目標的飛行軌跡。飛行器轉發器將GPS天線接收到的L頻段GPS衛星信號變頻至S頻段后轉發回地面，地面設備接收轉發的GPS信號，并對其進行捕獲、跟蹤，獲取各顆GPS衛星信號的原始測量數據，實時和事后給出目標的彈道信息。轉發外測的特點是：除了實時測軌外，還可以將轉發的GPS信號與差分的GPS信號進行檢前記錄處理，方便事后進行精密計算處理。便于實現各種算法，獲取更完整的高精度外測數據。

2 在遙測裝備上的應用設計

如圖1所示，GPS轉發分系統系統利用整個系統的天伺饋、S波段信道與它共用。遙測站的S頻道的天線在收到無線電遙測信號后，輸出的左右旋2路射頻信號能經過低噪聲放大器放大，然后通過電纜送到射頻分路組合中，經過射頻分路組合后，會隨即輸出大約4組的左右旋信號，其中的1組會進入電盤輸出然后送至轉發外測分系統內。轉發外測分系統中s頻段下面的變頻器再將接收到的GPS信號變頻至70MHz

工作原理是將中頻信號送給目標接收機然后進行跟蹤與解調，接收機能夠調解出偽距變化率、星-飛行器-地偽距、導頻多卜勒還有載波相位等一些信息。在L波段下變頻器通過基準站的天線后，能夠直接接收空中的GPS衛星信號變頻至70M送GPS基準接收機解調、定位，再通過RS232串口，以NMEA0183標準協議格式將基準定位信息傳至轉發外測計算機對轉發外測GPS定位信息進行差分定位和存儲。S頻段下的變頻器能輸出2路一樣的70MHz信號，其中一路是給目標接收機，另一路是給GPS檢前記錄器；與S頻段下變頻器不同，GPS下的變頻器能輸出3路完全一致的信號，且都是70MHz，其中一路給基準機接收，另一路給GPS檢前記錄器，還有一路給S頻段上的變頻器，在輸出S頻段信號后送轉發信道，射前是利用基準接收機的信道和天線檢查目標接收機的軟件、硬件工作狀態，從而完成系統的自檢。另外，轉發外測計算機能根據目標接收測量的原始信號進行實時定位解算，其中包括對偽距、偽距率、導航電文等，還可以依據基準接收機的差分修正信息對目標測量數據進行差分修正處理。此外，系統還配有校飛用的標校轉發設備，能將由天線接收到的GPS信號進行低噪聲放大后再上變頻為S頻段信號發出，完成對系統的動態測試處理。

3遙測設備上的關鍵技術

3.1能夠快速定位技術

在遙測設備上，目標信號出現后，目標接收機經過捕獲和跟蹤，直到能給目標定位信息為止，所花的時間是非常短的，這就是目標接收機的快速定位。目前來說，快速定位也是轉發外測系統的難點和重點之一。

一般來說，GPS衛星的信號體制是以碼分址多為主，偽碼碼長是有1023的Gold序列，碼率是1.023MHz，但是轉發外測信號動態卻大的多，例如多卜勒指標能達到±110kHz，那么如何才能在8秒內，即短時間內捕獲到像多卜勒這么大范圍的目標信號，這又是一項關鍵技術。

目標接收機的首次定位條件是至少要有四顆以上的衛星碼與載波環鎖定，所以定位時間基本上是要由載波捕獲時間與偽碼所決定的。載波的捕獲時間可以很大程度上縮短，主要是GPS偽碼的捕獲時間，如果按照步進速率進行單通道搜素偽碼，搜素一個碼長周期的時間大約為2秒，假設要搜素3個頻率點，那么捕獲的時間就為6秒，也是能達到技術指標中8秒內的要求。

3.2 事后處理技術

事后處理技術是對檢前數據記錄進行事后處理，其中，檢前記錄的數據，也就是記錄的中頻信號，可以采用純軟件的方法進行處理，也可以由軟件回放。由軟件模擬硬件所有功能，純軟件無線電技術，包括相關器、同步邏輯、NCO等都可以用軟件實現。

3.3 遙感設備中載波相位測量技術

假設在衛星S上發出一個載波信號，在任一時間t內，信號在衛星處的相位為s，此時經過一段距離傳播到接收機K上，它的相位為k，那么由S到K的相位變化就是（s-k），包括整周數和不足一整周的小數部分，那么衛星到接收機上的距離就是：

=（s-k）

但是在實際操作中，我們無法測量到數據s，解決這類問題的辦法有：假設接收機的振蕩器能產生出一個初相和頻率與衛星處載波信號完全一樣的基準信號，那么任一時間ti在接收機的基準信號的位移與衛星處載波信號的位移就是一樣的。所以只要測定接收機基準信號的相位就行了。

4 結束語

綜上所述，基于GPS轉發技術構建的外測分系統，具有技術成熟、結構簡單、定位速度快、便于事后的高精度處理等特點，不但適用于飛行器的軌跡測量，更適合脫靶量測量。相信該技術能在飛行器軌跡測量中必將發揮更大的作用。

參考文獻

[1] 劉基余 GPS衛星導航定位原理與方法科學出版社 2003

[2] 徐紹銓等 GPS測量原理及其應用武漢測繪科技大學出版社 2003