GPS和慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的導(dǎo)彈遙測系統(tǒng)

胡穎娟

（中科芯集成電路有限公司，西安 710065）

1 引言

GPS全球定位系統(tǒng)是由美國國防部控制的星基無線電定位和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳送系統(tǒng)。GPS能在全球范圍、全天候地為陸地、航海、航空和航天用戶提供精確的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS）簡稱慣導(dǎo)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，它利用慣性儀表（陀螺儀和加速度計(jì)）測量運(yùn)動載體在慣性空間中的角運(yùn)功和線運(yùn)動，根據(jù)載體運(yùn)動微分方程組實(shí)時(shí)精確地解算出運(yùn)動載體的位置、速度和姿態(tài)角。GPS和慣導(dǎo)的組合能夠互補(bǔ)地給導(dǎo)彈提供三維位置、三維速度、飛行姿態(tài)和時(shí)間信息。有了這些導(dǎo)航定位的手段，導(dǎo)彈才可能精確打擊目標(biāo)。

對相隔一定距離的對象的參量進(jìn)行檢測并把測得結(jié)果傳送到接收地點(diǎn)的過程稱之為遙測。因?yàn)閷?dǎo)彈飛行的時(shí)間短，而且在導(dǎo)彈工作時(shí)無法進(jìn)行接觸測試，遙測就是一種非常合適的獲得導(dǎo)彈參數(shù)的方式。

本文所述的是GPS和慣導(dǎo)組合的導(dǎo)彈的遙測系統(tǒng)，它的功能有測量導(dǎo)彈速度、位置、姿態(tài)、飛行時(shí)間、彈體溫度、飛行過程中彈體內(nèi)壓力等參數(shù)，并且能夠在監(jiān)測臺顯示這些遙測參數(shù)。

2 GPS/慣導(dǎo)組合系統(tǒng)

將GPS長期高精度和慣導(dǎo)短期精度高的性能結(jié)合起來，可以使組合后的導(dǎo)航性能比任一個系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)都有較大提高。當(dāng)機(jī)動、干擾或遮擋使GPS信號丟失時(shí)，慣導(dǎo)對GPS的輔助能夠幫助接收機(jī)快速重新捕獲GPS信號。而經(jīng)過GPS校準(zhǔn)的慣導(dǎo)在GPS信號中斷期間的誤差增長率比沒有校準(zhǔn)、自由狀態(tài)下慣導(dǎo)的誤差增長率低。GPS數(shù)據(jù)對慣導(dǎo)的輔助可使慣導(dǎo)在運(yùn)動中進(jìn)行初始對準(zhǔn)，提高快速反應(yīng)能力。上面所述的兩個系統(tǒng)的組合不僅能優(yōu)勢互補(bǔ)并能消除各自的缺點(diǎn)，使得GPS/慣導(dǎo)的組合系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。

本方案中GPS和慣導(dǎo)的組合結(jié)構(gòu)采用松耦合方式，原理圖如圖1所示。

圖1 GPS和慣導(dǎo)的組合模式

上圖中，上半部分是一部完整的GPS接收機(jī)，下半部分是一部捷聯(lián)式慣導(dǎo)外加一個用作實(shí)現(xiàn)組合的導(dǎo)航卡爾曼濾波器。捷聯(lián)慣導(dǎo)的導(dǎo)航解算器從慣性測量裝置接受加速度和角速率傳感器數(shù)據(jù)，解捷聯(lián)方程，再根據(jù)平臺的初始位置與速度推算當(dāng)前的位置和速度，然后將這些數(shù)據(jù)輸出到導(dǎo)航卡爾曼濾波器。導(dǎo)航卡爾曼濾波器把它們與來自GPS接收機(jī)的位置與速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，導(dǎo)出慣導(dǎo)各種誤差狀態(tài)變量的更新估計(jì)值。這些狀態(tài)變量包括陀螺和加速度計(jì)的傳感器的誤差。這些狀態(tài)變量的更新值用以校正慣導(dǎo)的位置和速度輸出，使慣導(dǎo)的精度達(dá)到GPS的水平。

由于一直在用GPS校準(zhǔn)慣導(dǎo)，使慣導(dǎo)的輸出精度保持與GPS相當(dāng)?shù)乃健Ｒ坏〨PS接收機(jī)受到干擾不能工作，慣導(dǎo)的漂移會越來越大，不過在短時(shí)期內(nèi)仍有較高精度。

這種組合導(dǎo)航方式提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力，但是GPS接收機(jī)的抗干擾能力沒有得到提高。如果想要進(jìn)一步提高GPS的抗干擾能力，提高整個系統(tǒng)的性能，可以采用緊耦合或者超緊耦合的方式。松耦合的優(yōu)點(diǎn)是保留了GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)設(shè)備的完整性，它們可以采用標(biāo)準(zhǔn)型號的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)起來比較方便。

如果導(dǎo)彈在發(fā)射井中發(fā)射，發(fā)射前導(dǎo)彈中的GPS接收機(jī)可能接收不到信號，此時(shí)由慣導(dǎo)算出初始經(jīng)緯度（發(fā)射井深度已知），作為系統(tǒng)輸出，待導(dǎo)彈發(fā)射出去GPS接收機(jī)接收到信號后，開始由GPS對慣導(dǎo)進(jìn)行校正。但是因?yàn)閼T導(dǎo)工作時(shí)首先都需要在地面上作初始對準(zhǔn)，初始對準(zhǔn)時(shí)間需要幾分鐘到幾十分鐘，那么處于發(fā)射井中的導(dǎo)航系統(tǒng)需要提前啟動，使慣導(dǎo)有足夠的時(shí)間進(jìn)行初始對準(zhǔn)。

3 遙測的基本原理

航空航天遙測（包括導(dǎo)彈遙測）系統(tǒng)可分為飛行器遙測系統(tǒng)和地面遙測系統(tǒng)，前者主要由傳感器、多路組合調(diào)制器、發(fā)射機(jī)和天線組成，后者主要由接收機(jī)和天線、分路解調(diào)器等組成（圖2）。傳感器的功能是感受被測參量并轉(zhuǎn)換成電信號。各傳感器的輸出信號同時(shí)送入多路組合調(diào)制器，各路信號按一定體制組合起來，互不干擾地通過同一個無線電信道傳送出去。多路組合調(diào)制器輸出的信號調(diào)制發(fā)射機(jī)的載波，通過天線發(fā)射出去。接收端天線接收信號后送入接收機(jī)。接收機(jī)把組合信號解調(diào)出來，再經(jīng)分路解調(diào)器恢復(fù)各路原始信息，加以記錄、處理和顯示。

4 GPS/慣導(dǎo)導(dǎo)彈遙測系統(tǒng)組成

如果要在載波上同時(shí)調(diào)制多路信號，需要對每一路參數(shù)進(jìn)行副載波調(diào)制，各路副載波組合之后再去調(diào)制主載波，最后將調(diào)制后的主載波發(fā)射出去。但是各路信號對副載波進(jìn)行調(diào)制，電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，而且需要利用較多的資源。本文通過數(shù)字處理的方式，規(guī)定通訊協(xié)議將幾種遙測參數(shù)同時(shí)調(diào)制在一個載波上，在接收端根據(jù)協(xié)議解釋不同參數(shù)。此系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖2 遙測基本原理

圖 3 遙測系統(tǒng)組成

5 遙測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于上面的系統(tǒng)組成中包含兩個數(shù)字信號處理的過程，在DSP中需要有軟件支持。彈體內(nèi)的軟件和地面處理軟件流程如圖4和圖5所示。

圖4 彈體內(nèi)的軟件處理流程

6 結(jié)論

本文論述了GPS/慣導(dǎo)的導(dǎo)彈遙測原理及實(shí)現(xiàn)方法，其中，GPS和慣導(dǎo)模塊為成熟的技術(shù)，彈體內(nèi)的遙測系統(tǒng)與地面遙測系統(tǒng)之間的通訊可以用通訊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這樣的系統(tǒng)組成使導(dǎo)彈設(shè)計(jì)者能清楚地獲得飛行中導(dǎo)彈的參數(shù)，以此來評價(jià)導(dǎo)彈性能，為進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)彈性能提供良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和改進(jìn)依據(jù)。

圖5 地面接收系統(tǒng)軟件流程圖

[1] 李躍. 導(dǎo)航與定位. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[2] 孫立新. CDMA(碼分多址)移動通信術(shù). 北京: 人民郵電出版社, 2000.

[3] 章云. DSP控制器及其應(yīng)用. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2001.