用于GPS外测的数字转发器

目前,在许多导弹跟踪测量中,例如三叉导弹和ERLS(大气层外再入体拦截器系统)试验,使用几种模拟转发器。安装在导弹上的转发器将接收到的L波段信号变为S波段再发送到地面的转发处理系统(TPS),对飞行器进行定位。这种方法较之使用GPS靶场测量吊仓分系统的优点在于飞行硬件体积小、重量轻以及造价低。此外,在TPS中采用专门的跟踪环,可以在50g加速度和50g/s加加速度这样极高动态条件下跟踪GPS信号。此外,在TPS中使用用户专门研究的信号处理技术可在几秒钟之内快速捕获转发信号。靶场应用计划联合办公室的弹道导弹转发器体积为655立方厘米,重量为2.27公斤。以现有技术采用数字转发器设计方案完全可生产出体积更小巧的设备。正如本文所指出的那样,对于某些应用,数字方案可大大改善跟踪性能,并增加许多其它功能,例如保密计划中可对信号加密。用现行技术制造的数字转发器可以封装于一个82立方厘米的模块中。本文叙述了这种设备的设计,讨论了在追求比模拟设计方案体积更小、性能更好场合的应用。     

利用转发的GPS信号测定弹道

本文研究了这样一种试验飞行器弹道测定技术的性能,即GPS信号不在飞行器上处理,而经转发器中继到一个或多个远方接收站,随后再作信号和数据处理。在这种场合,弹道测定性能将取决于转发器的设计方案,接收站设备配备和布局,以及用于弹道估计的技术。这里研究的基本处理技术使用沿 NAVSTAR-转发器-接收站路径上的距离和或者距离差测量值。理论上讲距离和处理技术的性能一般较好,总不会比距离差处理技术的性能差。本文给出了计算结果,结果表明在转发方案中,这两种处理技术之间的性能差别可能会相当大。成功地开发这种性能差别将取决于系统设计方案,特别取决于转发器延时和接收机定时误差的控制和消除,而且还必须使接收站的布局相对于试验飞行器轨道的相对几何最佳化。     

先进转发处理系统的试验结果

在商业小革新研究奖金的支持下,研制了一种先进的转发处理系统(ATPS)。这是一种低成本跟踪转发GPS信号的方法。它与目前正在ERLS(大气层外再入体拦截器系统)试验计划中使用的弹道导弹转发器(BMT)后向兼容。NAVSYS公司还研制了一种BMT兼容转发器,正按此计划进行测试。该ATPS的关键部件是前置放大器/下变频器(P/DC)模块。该模块由NAVSYS公司研制,用来调节接收到的转发信号,以便用常规C/A码接收机进行跟踪。该P/DC由装在IBM PC机内的高速数字信号处理卡控制,该PC机还为操作人员提供接口并完成数据采集与分析。目前正在用XR3-PC/A码接收机跟踪转发的GPS信号。然而,本ATPS的设计方案与多种GPS接收机相兼容。按照RAYPO(靶场应用计划联合办公室)弹道导弹和转发处理系统指标对ATPS和NAVSYS公司转发器作了测试。本文报导了这些测试结果,验证了在不同工作条件下转发器和ATPS的性能。     

用于靶场安全的GPS转发跟踪系统性能的实时评价

GPS转发跟踪系统用作靶场安全的主跟踪系统越来越普遍。这种系统的费用低于C波段雷达系统,并且试验场地的选择更加灵活。用于靶场安全,在飞行器上接收GPS信号,变换到S频段,转发到地面站。地面站处理该信号,估计出飞行器的位置和速度。利用该信息评价飞行器是否在靶场上空安全飞行。在靶场安全判决过程中必须知道所估计飞行弹道的精度。本文介绍了一种软件包一性能实时评价(PAR),它能计算出GPS转发跟踪系统状态矢量(位置和速度)估计精度的实时边界。该PAR已安装到一台GPS转发跟踪系统内,现已投入运行。本文介绍了几次靶场安全跟踪的结果。     

利用GPS的射弹跟踪装置

借助射弹跟踪和弹道模型预测落点,可以大大提高火炮的精度和威力。作为陆军和人机工程实验室及弹道研究实验室合作计划的一部分,Harry Diamond实验室正在研究一种基于GPS的转发器,从此提供射弹跟踪数据。该研究项目包括二项研制任务:安装在射弹上的GPS转发器,确定射弹位置数据的专用接收设备。 Harry Diamond实验室已在对GPS转发器和接收设备的设计和实施方案进行研究。转发器的设计问题有:仔细考虑干扰信号,天线设计要求,元件小型化,高加速度。系统增益极高(120dB)使自干扰问题很突出。选择系统频率,尽量减小来自主频和谐波频率的潜在干扰。为简化系统硬件实施方案也需要作频率选择。转发器设计中首先要考虑高加速度环境下的生存能力。选用合适的主振荡器主要考虑了在16000g(最高)炮射环境下各种振荡器的特性。要在下列因素之间折衷考虑:频率精度及其对系统功率和频带需求的影响,在高8条件下振荡器的特性。这种转发器方案已作成试验电路板并进行了鉴定,然后做了两个样机,于1991年10月试射。需用转发接收设备来处理转发的GPS信号,给出位置数据。由软件完成相关、跟踪和位置求解。飞行时间很短(小于2分钟),可使用随机存取存贮器(RAM)的数据贮存设备。相对于现用系统这种独特的方法大大简化了数据记录系统。做了一套转发接收机试验设备,用来处理现场试验所获得的数据。     

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。     

转发式GPS外测系统的接收站设备

在高级拦截器技术计划中利用GPS卫星导航系统来精确测定两种飞行器的弹道。在每个飞行器上安装一个弹道导弹GPS转发器(BMT)咸一个GPS遥测发射机(GTT)。接收站布在现有遥测站上,安装了所需的专门设备,负责接收、记录和处理来BMT和GTT的信号。     

分布式单星转发的定位测速模型及其应用

在城市峡谷中通过接收导航卫星信号以实现连续的定位与测速一直是卫星导航应用中的一个难题。针对此问题,借鉴卫星导航对抗中转发式欺骗干扰的定位控制基本原理,提出了通过分布式单星转发来解决城市峡谷中实现连续卫星导航的新方法,并构建了分布式单星转发的定位测速模型。在此基础上详细讨论了转发器天线对被遮挡卫星的指向跟踪、转发器相关参数的获取、转发器收发之间的有效隔离、直达信号与转发信号的同时利用等应用性问题。所提出方法的可行性得到了仿真试验的有效验证,从而为城市峡谷中的卫星导航应用提供了新的参考。     

转发式GPS外测系统的接收站设备

在高级拦截器技术计划中利用ＧＰＳ卫星导航系统来精确测定两种飞行器的弹道。在每个飞行器上安装一个弹道导弹ＧＰＳ转发器（ＢＭＴ）或一个ＧＰＳ遥测发射机（ＧＴＴ）。接收站布在现有遥测站上，安装了所需的专门设备，负责接收、记录和处理来自ＢＭＴ和ＧＴＴ的信号。     

用于GPS转发跟踪的双模卡尔曼滤波器

自1984年以来,用转发GPS方案对高动态飞行器进行高精度、高效费比跟踪,为导弹飞行近实时提供良好的位置、速度和加速度估计。在东靶场,正用第一代设备对三叉戟导弹飞行进行靶场安全跟踪。第二代设备被称为转发处理系统(TPS),已经部署在马歇尔群岛的USAKA站(夸加林再入场区),目前正用来跟踪各种飞行目标。现正在规划研制第三代新系统。本文主要讨论安装于TPS中的卡尔曼滤波器的设计和调试。这种滤波器的独特之处在于它有两种工作模式,一种用来跟踪动态飞行器,另一种特殊模式用来跟踪弹道飞行器。当滤波器确认飞行器的加速度接近弹道加速度时,模式切换逻辑电路就选择弹道方式。而当探测到非弹道加速度时,滤波器就返回到动态方式。本文综述了近期任务所获得的跟踪数据,证明用双模滤波器所获得的跟踪精度是卓越非凡的。     

旋转飞行器应答式速度测量研究

由于受单天线的方向性限制,采用传统的天线模式不能实现对旋转飞行器连续跟踪测量。通过多天线分集和合成2种模式,可以实现信号的全向接收和转发,但同时带来接收信号阶跃以及信号干涉区等新问题,这些问题会导致信号变化剧烈,能否正确描述信号动态下的特征,并分析其对设备多普勒回路的影响是实现连续高精度跟踪的关键。本文推导了多天线动态下的双程应答多普勒测速方程,详细分析了分集、合成2种天线模式下信号的特征及信号对多普勒回路的影响,并根据分析结果对多普勒回路提出改进建议。     

红外成像导引头跟踪丢失状态下的控制策略研究

针对红外成像导引头跟踪丢失后无导引信号输出的情况,提出了一种飞行控制策略:即在导引头稳定跟踪过程中通过目标被动定位算法实时估算其相对位置信息,当导引头跟踪丢失后,根据估算得到的相对位置信息和惯导输出的飞行器实时位置、速度信息解算理论导引信号,以及该信号生成控制指令控制飞行器朝目标飞行。对导引头跟踪丢失后的控制效果进行了数学仿真验证。结果表明,目标被动定位结果收敛,跟踪丢失情况下飞行器飞行控制稳定,命中精度较高,具有一定的工程应用价值。     

美国TDRSS的发展及其新应用

本文将以１９９６年第二届ＴＤＲＳＳ专题研讨会的内容为主，介绍美国ＴＤＲＳＳ的现状，新研制星ＴＤＲＳ－Ｈ，Ｉ，Ｊ的主要技术指标改进，高精度定轨技术，ＴＤＲＳＳ工作频段向Ｋａ波段的过渡，几代有 转发器的发展情况，并较全面地介绍了近几年来试验成功的若干ＴＤＲＳＳ新应用，例如用于极区数据采集站高速数据中继，长期气球，无人飞行器和海上浮标的数据采集，运载火箭全程遥测数据的转发，遥感飞机高速图象数据和前向信息     

《飞行器测控技术》1988年总目录

测控总体 美国国防部有关GPS在试验和训练靶场的应用计划(一)P .1一4 GPS在弹道导弹跟踪中的应用(一)P .5一8 未来的小型机动式GFS靶场测量设备(一)P .9一10 全球定位系统用于空间超高动态飞行器的跟踪(一)P .11一13 GPS用于试验和训练靶场的误差估算、精度及其有关系问题(一)P .14一66 SATRACK一I和SATRACK一l导弹跟踪系统的工作经验与设计指标(一)P .6了一73 GPS用于MX导弹飞行试验的实时跟踪(一)P .74一80 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(一)P .81一86 跟踪和数据中继卫星系统的近期发展(三)…     

美国TDRSS的发展及其新应用

本文将以1996年第二届TDRSS专题研讨会的内容为主,介绍美国TDRSS的现状,新研制星TDRS—H,I,J的主要技术指标改进,高精度定轨技术,TDRSS工作频段向Ka波段的过渡,几代用户转发器的发展情况,并较全面地介绍近几年来试验成功的若干TDRSS新应用,例如用于极区数据采集站高速数据中继,长期气球、无人飞行器和海上浮标的数据采集,运载火箭全程遥测数据的转发,遥感飞机高速图象数据和前向信息的传递以及正在研究的利用TDRSS对运载火箭发送靶场安全指令,为小卫星服务的按需接址业务等。     

等离子体鞘套对高超声速飞行器影响研究

临近空间高超声速飞行器周围的等离子体鞘套对无线电波的衰减会导致地面与飞行器的通信中断,严重影响对飞行器的捕获与跟踪。在分析飞行器表面等离子体鞘套构成以及造成射频信号衰减因素的基础上,对处于不同高度和采用不同频率通信的高超声速飞行器射频信号衰减和相移特性进行仿真,结果表明,当通信频率提高到Ka频段时,等离子体鞘套对信号的衰减明显减小,但是频率的提高并不能改善等离子体鞘套对信号相移的影响。建议在工程设计时进一步研究相移对跟踪接收的影响。     

基于飞行器图像的目标跟踪方法研究

提出了一种利用飞行器图像进行目标跟踪的方法，建立了飞行器图像跟踪系统。该系统利用一种云台控制算法搜索飞行器的图像，通过对飞行器图像的边缘检测、图像中心点提取等处理，实现了飞行器图像定位。理论计算和实际应用表明，该系统可以对低马赫数和高马赫数飞行器进行图像跟踪。     

空间飞行器大角度姿态跟踪机动问题研究

研究了姿态跟踪机动问题。通过引入视线坐标系,将时变终端条件的控制问题转化为定边界的控制问题。建立了飞行器相对于视线坐标系的四元数姿态运动学模型,提供了由已知信息计算姿态四元数的函数关系,引入了气度欧拉角变换,基于拟欧拉角信号设计了跟踪机动控制律。通过对空间预警卫星监视低轨道飞行器问题的仿真,验证了设计的正确性。     

基于软件的GNSS转发式欺骗系统的仿真实现

根据软件接收机与转发式欺骗系统的基本理论,基于软件设计了GNSS转发式欺骗系统,生成了单通道的真实、欺骗和混合信号,设置了不同的干信比和延时距离,并合成了多通道信号.通过仿真,分别在捕获阶段、跟踪阶段与定位结果阶段验证了该基于软件的GNSS转发式欺骗系统的正确性与可靠性.     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制

针对存在模型参数不确定和外部干扰的高超声速飞行器（HFV）跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping方法的抗饱和非线性控制器。将飞行器纵向动力学模型分为速度子系统和航迹倾角子系统,然后针对每个子系统单独设计控制器。设计跟踪微分器获得信号的一阶导数,用以估计系统中的不确定干扰项和避免"微分项膨胀"问题。控制器设计过程考虑了控制量发生饱和的情况。基于Lyapunov理论证明了闭环系统信号的稳定性。与传统高超声速飞行器Backstepping方法相比,所设计的控制器采用待跟踪状态与理想控制指令之间的实际误差作为反馈量,放宽了对系统干扰项的限制,提高了控制器对控制增益变化的适应性,进而提高了闭环系统的跟踪控制性能。对比仿真结果验证了所设计方法的有效性。