用全球定位系统对导弹进行实时跟踪

本文将介绍一套利用全球定位系统(GPS)对远程导弹进行实时跟踪的系统。全球定位系统全面投入工作后(八十年代后期),用它来跟踪导弹、飞机和地面车船正是其英雄用武之地。为了充分利用该系统,必须要有一种高经济效率的跟踪方案。在跟踪导弹这样一些非回收性试验体时,尤其要注意这一点。本文所介绍的这些技术就是跟踪非回收性试验导弹的一种经济实惠的方法。其基本方案是被试导弹接收多个GPS信号,将这些混合信号的频率变换到一个新的S波段频率上、然后再将混合的S波段信号发送到地面接收站。地面站接收经转发的GPS信号,并加以处理,得到该导弹的正常伪距和伪距离率测量值。用卡尔曼滤波器计算出位置和速度解。除了能独立工作之外,本文所介绍的系统还能与现有跟踪系统相结合,提高跟踪精度。     

GPS在弹道导弹跟踪中的应用

在弹道导弹的试验和鉴定过程中,需要精确测定时空信息(TSPI)。出于靶场安全考虑,试验时要对弹道导弹进行跟踪,炸毁失灵的导弹;为鉴定导弹的制导系统,要精确地确定导弹的弹道。过去,用测量雷达跟踪的TSPI精度不够,对弹道的确定更是如此。如果导弹从远海发射,或是同时要跟踪多个目标,那么,雷达用于靶场安全也会力不从心。对于外测跟踪或精密弹道确定,GPS转发跟踪系统可以记录全程飞行情况,供事后分析,而且还可以根据需要多次重放,以使跟踪滤波器最佳化。     

一种测定精密惯性制导系统性能的方法

本文介绍一种先进的方法,即采用一套附加的惯性测量装置(以下用IMU表示)——高级惯性参考球(AIRS)来提供高质量速度数据,用以测定民兵导弹惯性制导系统的性能。文章简要介绍了先前用陆上雷达的外测数据来鉴定民兵制导系统的方法,并闸述了双套IMU方案的演变。文章介绍了方案、校准方法、所需的弹上和地面保障设备以及分析方法;还讨论了随后进行的火箭橇试验计划,在这里可以基本不经改动即能使用弹上设备和地面保障设备。     

一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题,提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF),通过灵活设置过程噪声方差阵,实现跟踪通道的耦合与解耦;采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量;利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO),实现环路的闭合。仿真结果表明,本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅助的基础上,避免了衰减通道误差在通道间的传播,可以对被遮挡信号保持稳定跟踪,鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。     

多飞航导弹目标协同跟踪技术研究

针对多飞航导弹对目标协同跟踪精度较低的问题,提出了一种基于弹载雷达组网和GPS/INS组合导航的无偏不敏自适应融合跟踪算法。首先,通过领弹和攻击弹的优化布站,以有效提高多飞航导弹对目标的定位跟踪精度和突防能力;在时空协同的基础上,利用无偏不敏转换对各飞航导弹的目标量测进行预处理,以减小因旋转、平移和线性化误差所带来的影响;最后,结合统计双门限判决机制,利用自适应融合跟踪算法来有效实现多飞航导弹目标协同跟踪精度的提高。仿真结果表明,与现有的弹载雷达跟踪算法相比,该算法具有较高的定位跟踪精度。     

通过事后分析提高GPS的外测精度

通过事后分析可以提高GPS的外测精度。为了试验和鉴定目的,欲测量被试验体的时间空间位置信息(TSPI),现在已有不少方法。如果使用GPS,可考虑两种方案。一是在被试验体上装载GPS接收机,在运功体上测定TSPI,再通过遥测将数据送到地面。二是在运动体上装载一个GPS变频转发器,传送宽带GPS信息到地面。在地面站完成TSPI测量。本文指出,与装载接收机相比,装载GPS转发器的方案可以获得更高的测量精度。精度的提高来自两点:装载GPS接收机时仅处理来自4颗卫星的距离,得到运动体的位置。在某一位置上,所选用的4颗GPS卫星的GDOP值,可能是,也可能不是最佳。在转发方案中,运动体视场内所有信息都转送到地面进行处理。来自所有卫星的宽带数据都加以记录,以便作事后处理。作节后分析时,可按最佳GDOP选择最有利的卫星,或处理视场内所有卫星的数据,得到最高精度。记录宽带数据的能力还带来另外一些重要的事后处理好处。在飞行试验之前,只能估计试验体的飞行动态。飞行体上接收机跟踪滤波器参数依此作调整。如果飞行体运动异常(试验飞行中完全有可能这样),接收机就有可能对卫星失锁,所有的TSPI数据都会丢失。如果用GPS转发器,在地面站记录所有卫星的数据,在事后分析中重放该数据,可根据实际飞行动态,将滤波器最佳化,不会丢失TSPJ数据。此外,还可由数据处理来填补丢失的数据。     

基于极大似然估计器的GNSS矢量跟踪算法

矢量跟踪是一种将全球导航卫星系统(GNSS)接收机的信号跟踪与导航解算融为一体的跟踪算法。传统的基于矢量延迟/频率锁定环(VDFLL)的跟踪算法普遍采用延迟锁定环(DLL)和锁频环(FLL)鉴别器计算伪距和伪距率偏差观测量,由于锁频环鉴别器存在近似误差和一步延迟效应,在高动态环境下容易造成环路失锁。从直接估计卫星信号特征参数的角度出发,基于中频信号模型构建码相位和载波多普勒的极大似然代价函数,采用非迭代估计算法得到各通道码相位和多普勒频移的估计偏差,转换为卡尔曼滤波器的观测矢量,提出一种基于极大似然估计器(MLE)的矢量跟踪算法。理论分析和仿真结果表明:新算法结合了极大似然估计和矢量跟踪的优点,克服了FLL的延迟效应,与基于VDFLL的矢量环路相比,高动态环境下的跟踪稳定性更好,可以对被遮挡的卫星保持持续的跟踪。     

全球定位系统用作洲际导弹制导系统鉴定工具的测量性能

八十年代初期,在两次民兵Ⅲ型导弹发射中(编号为PVM-18,19),试飞了一种四信道全球定位系统(GPS)接收机——弹载接收设备(MBRS)。这两次发射试验是称为“飞-2”系列飞行中的一部分。每次带两个NS20惯性测量装置。这两次试验的主要目的是在洲际导弹实际飞行环境中验证、测定全球定位系统的性能。本文概括了这两次飞行中GPS性能的分析结果。由此验证了如何利用这种质量的数据来高精度地鉴定制导误差,并用该数据来识别出飞行过程中各种制导误差。这两次试飞所得到的GPS数据证实了短期精度达到了预期能力。典型的随机误差为2英尺~*和0.01英尺/秒(一秒平均)。有了这一精度就可利用GPS作为外部测量仪器,对自由段中摆式积分陀螺加速度表(PIGA)的磁敏感效应进行直接观测。实现这种观测还是第一次。由于缺乏合适的标准,尚不容易进行绝对精度鉴定。显然,GPS的精度比同时参与导弹跟踪的雷达(多台)的好,拟合后残差非常一致,说明总精度很高。因此可得出结论,GPS的总精度达到了预期性能指标。 (本文常用缩略语AIRS——高级惯性基准球,BREW——民兵导弹上装的第二惯性测量装置,CSDL——Charles Stark Draper实验室,ECI——地心惯性座标系,GPS——全球定位系统,MBRS——导弹装载的GPS接收机,MISTRAM——米斯特拉姆,高精度无线电外测系统,PIGA——摆式积分陀螺加速度表,PVB——民兵导弹试验编号,TI——德克萨斯仪器公司)     

GPS目标接收机中伪距与载波相位数据的互补及其导航定位测速方法

针对空中或地面GPS(动、静态)目标接收机,简要介绍了(C/A)伪距与(L_1)多卜勒距离增量的测量原理;给出了完整的数学模型与传播时延修正方法;通过伪距与增量数据的互补,构造了“无电离层折射影响的新距离增量”、“降低噪声的新伪距”、“固化电离层折射影响的新伪距”等,概括了本文提供的三种伪距、两种多卜勒距离(小或大)增量、不同待估状态参数等所派生的各种组合,研究了它们的典型模式及状态参数估计方法;最后扼要研究了无码定位问题,并设想了一种针对星历数据中故意注入系统性干扰以降低系统精度的对抗办法。本文对改进现行GPS导航方法;提高确定舰船或大地点位的位置精度;改善飞行器测量及数据综合利用;GPS基准接收机的设计、联调、开发利用等,均有重要参考价值。     

一种经济效益很高的校准无线电外测系统的方法——卫星校准法

一、鉴定和校准的重要性和紧迫性导弹武器系统和航天器的运载火箭在研制过程中,需要经过靶场飞行试验的全面鉴定。弹道式导弹(运载火箭)制导系统的鉴定,航天器的指挥控制,都需要靶场测量设备和跟踪网站提供精确的位置和速度数据。可以说,导弹武器系统和航天器的实际效能在很大程度上取决于靶场外测数据的质量。而高精度的外测数据在很大程度上又取决于外测系统本身的鉴定和校准工作。因为,确保规定的测量精度,是对外测系统提出的最重要的要求之一,而对一切     

伪距解除相关法在GPS/SINS紧组合系统中的应用研究

介绍了伪距解除相关法的原理 ,设计了一种加权平均跟踪误差估计器 ,用以估计 GPS接收机码环跟踪误差。研究结果表明 ,与未对伪距测量值进行修正时相比 ,应用伪距解除相关技术可以减小组合系统的导航误差 ,提高系统的导航精度     

三叉戟Ⅰ型导弹利用转发GPS信号进行实时跟踪的现场试验结果

GPS接收机可以用来跟踪和确定单兵、轰炸机和洲际导弹等一切物体的位置。当体积和成本问题而不宜使用弹载接收机的场合,常利用转发GPS跟踪方案。三叉戟Ⅱ型潜射导弹提出的靶场安全跟踪问题正是这种情况。美国海军签订了一项合同,研制一套验证转发GPS跟踪方案的系统,以此来评价GPS用于靶场安全的技术风险,并检验其跟踪精度。利用预定的三叉戟Ⅰ型(C-4)试验发射,对整个系统进行了现场试验。本文叙述了转发GPS跟踪系统方案,所做的现场试验及其结果。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。     

地空靶场实时GPS伪距差分测量系统的应用研究

地空靶场实时GPS差分高精度测量系统是当代飞机飞行试验中解决火控系统标校、测控系统校飞或导弹武器系统精度试验等问题的有效手段,是地空靶场测控系统的重要组成部分。本文基于伪距观测量的GPS实时差分定位的原理以及对数学模型的分析,论述了将GPS实时定位技术应用于地空靶场中机载或弹载导航系统的实现方法。文中详细的规划了基准站...     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小，重量轻，适用于低轨道航天器的GPS接收机，这项计划由国防预预研规划局（DARPA）发起，空军菲利普斯实验室监督，这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成，这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术（TAOS）”卫星上。这种接收机有六个通道，可连续跟踪四颗主用的GPS卫星，第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星，它可以完成伪距，连续载波，距离变化量的测量；用八态护展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速率，洛克韦尔公司的这种接收机重8磅，使用28伏直流电源，功耗12瓦，本文将介绍该接收机的设计和验收测试，并给出利用“多通道星载GPS仿真评估系统”（SEVS）得到的性能测试结果，该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L1和L2频段的射频信号，模拟低轨道航天器的信号环境。     

利用卡尔曼滤波器将伪距和载波连续相位相结合的GPS导航

GPS伪距信息加载波相位测量值辅助的想法由来已久。这两种互补形式数据相结合可实现高精密定位,而高频误差很小,特别有利于高动态场合应用。本文给出了两种基于卡尔曼滤波的方法,能有效地将GPS伪距和载波测量值结合起来。其中一种是两种测量值的常用组合方式,这里载体的运动描写成随机过程。另一种,则由连续载波相位测量值给出一条精确反映动态的基准轨迹,与惯性系统的方式非常相似,再借助卡尔曼滤波器利用伪距数据来更新这一基准轨迹。这种综合法看起来特别有吸引力,因其动态响应好,同时又可保留伪距数据滤波的好处。     

飞行试验鉴定用的测量、控制和估计的新方法

现代导弹武器系统飞行试验鉴定中所用的制导系统的精度不断提高,促使西部导弹航天试验中心关心和要求采用新的测量、控制和精度估计方案。由于采用了在相位(即距离)域采集和处理雷达多卜勒测量值的方法,外测精度和估计精度比起传统的在频率(即距离变化率)域进行测量有了很大的提高。这种多卜勒技术已经用到了C波段雷达上,但也可以应用到其它系统,尤其是GPS系统。通过应用测量噪声去相关方法,消除了控制和估计功能间的相互影响,从而实现了每一种功能的各自独立优化。采用了在数字计算中具有极好数值特性的平方根估计算法,确保了充分发挥愈益精确的测量设备和制导系统的潜力。这里所介绍的已在西试验中心得到了检验的方法,预期在未来的试验鉴定工作中将发挥重大的作用。     

弹道辅助的弹载接收机伪卫星信号快速捕获方案

 为实现导航式弹道修正弹在高动态环境下对导航信号的快速捕获且摆脱全球定位系统(GPS)的限制,提出了一个完整的基于伪卫星区域定位系统的弹载接收机信号快速捕获方案。首先利用期望弹道辅助获得多普勒频移初始值以缩小多普勒频移搜索范围,然后采用改进的搜索策略进一步减小多普勒频移搜索时间,最后利用三次样条插值法处理相关谱谱峰及邻近采样点的数据以提高低频采样下粗捕获(C/A)码相位的测量精度。算法分析及仿真结果表明,所提方案能有效缩短多普勒频移搜索时间,提高PN码相位测量精度。     

GPS转发记录和接口系统

15年来,一直在用GPS转发信号跟踪美国海军的三叉戟导弹的试验发射。经检验其实时绝对定位精度总在20米以内,事后在8米以内。为美国陆军“大气层外再入体拦截器分系统”(ERIS)计划已研制出一种40立方英寸的弹载GPS转发器,现已可供美国以及北约盟国政府的各种试验靶场使用。但是,目前用来接收GPS转发信号、计算目标位置和速度的用户地面设备,体积大而昂贵。这就限制了GPS转发器的更广泛使用。为此,美国空军西靶场与“3S”公司订合同,投资设计一种主要利用商品化遥测设备的廉价GPS转发处理器。本文介绍了如何构成工作样机,以验证这种“转发记录和接口系统”(TRIS)的可行性。样机表明该系统可以由下列部件构成,即现有商品化遥测设奋、为美国空军靶场应用联合计划办公室开发的GPS设备以及少量用户设备配件。     

GPS高动态接收机跟踪的演示结果

本文给出了高动态GPS接收机的演示实验结果。被试接收机是一台实验板设备,它能在伪距离及其变化率上跟踪一颗卫星的仿真信号。接收机每20ms做一次伪距离及其变化率的近似最大似然估计,利用一个时间常数为0.14秒的三阶滤波器跟踪这些观测量。由于不跟踪载波相位,这就避免了锁相环在高动态下的失锁问题。当接收机处于仿真的50g转弯,加加速度峰值达40g/s时,其伪距跟踪滞后误差小于0.06m。在载波功率与噪声谱密度比为34dB-Hz时,仅由噪声造成的伪距离误差为0.6m(均方根)。接收机信噪比跟踪门限为28dB-Hz,相对于最小卫星信号强度指标,0dBi天线增益,3.5dB系统噪声系数条件下的40dB-Hz信噪比,该门限有12dB的余量。