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。     

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。     

GPS信号的检前记录技术

使用和研制能接收GPS这种频谱扩展信号设备的部门,都希望将这种信号进行检波前记录(GPS用户设备的研制经历很长时间,在这个过程中,信号仿真器仅起部分作用)。借助于重放设备,同种或改型接收机又可使用这些GPS信号,这时可改变捕获、处理、检波和跟踪环路,使接收机参数最佳化。实际上,扩频信号检前记录系统很难研制成功。因为该系统不仅要求适当的相位线性度,以保持欲提取的信息量,而且有时还必须保持记录信号的严格信噪比特征。由于频谱扩展信号的信噪比为负,难于用现有的一般测试设备对检波前记录系统的输出质量作出有效的评定。鉴于此,本文指出有可能使用许多试验靶场现有的磁带记录仪,配合相应的辅助设备而工作。这种辅助设备类似于为美国海军“三叉戟”计划设计的设备(记录经飞行中导弹转发的C/A码信号)。文中较详细地叙述了基本技术,以使潜在用户了解必要的设备组成,并根据其使用情况评价本文作者所使用的方法。     

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。     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。     

IEC六年来的全数字化GPS接收机

本文介绍了州际电子公司(IEC)六年来在GPS信号全数字化基带相关处理方面取得的进展。最初,这种技术随着离散型数字式中规模集成电路而发展起来的。此后,在半定制门阵技术和最近的专用集成电路(ASIC)方面取得了进展,小型、低功耗全数字式GPS接收机得到高度发展。本文介绍了几代全数字化GPS接收机的设计方案。回顾了全数字GPS接收机技术,包括该技术出现以来所取得的进展。本文还介绍了12抽头并行数字式相关器的实施方案,最新研制的接收机中就用这种相关器完成快速捕获和跟踪。还介绍了数控振荡器和伪码产生器门阵。还设计了一种能在1ms以内快速初始化的P码产生器门阵,这样不需要旋动编码装置即可方便快速地多路复用。     

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。     

GPS/GLONASS双卫星接收机

本文介绍一种GPS/GLONASS双卫星接收机的设计和制造。该接收机从数字化跟踪的L波段(1.6GHz)-130dBm卫星信号提取数据。利用数字Costas环及全时早一晚码跟踪环跟踪输入信号并对扩频信号解码。对卫星数据解码并将用于定位和时间传递的各种必要参数记录下来。     

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。     

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。     

NovAtel通信公司GPS接收机——未来的高性能OEM接收机板

本文介绍一种10通道NovAtel GPS单板接收机。这种接收机是一种价格低廉高性能的GPS接收机扳,它具有支持所有OEM应用的特性和能力。位于Calgary的NovAtel是一家蜂窝系统和用户设备制造厂,已被立研制了一种全新的GPS接收机。接收机每一级主要部件的设计部采用了先进技术,包括天线、射频下变频器、低噪声放大器、ASIC信号处理器、CPU和可用软件配置的接口。这种接收机有十个专用通道,可进行精密的C/A码和L_1载波相位跟踪。本文叙述了已获专利的采用宽带多比特采样方法(能满足P码精度)的C/A码跟踪方案。NovAtel的GPS接收机板既能输出原始数据又能输出最终位置数据,其输出速率能满足最高要求的应用。     

INS辅助GPS接收机及抗干扰能力的分析

针对高动态或低信噪比条件下GPS卫星信号容易失锁的特点,根据GPS接收机码／载波跟踪环特性,研究分析了惯性导航（INS）辅助GPS接收机原理及其抗干扰能力。在复杂电磁环境下,INS辅助GPS接收机（特别是紧耦合GPS/INS组合模式）是组合导航的发展方向。     

基于MAX2769B的多系统兼容GNSS中频采样器设计与实现

GNSS软件接收机具有算法灵活性高、更新方便等特点,逐步发展为一种较为流行的卫星导航研究与应用平台。从处理多频多系统的角度出发,介绍射频前端的基本结构,对比了几款单芯片GNSS射频解决方案,详细介绍一套基于MAX2769B的多频多系统兼容中频采集系统的设计与实现过程,给出了多系统兼容的参数配置方法。对于采样器研制过程中与性能关系较为密切的部分,提供了设计参考建议与测试流程。针对设计的采样器,测试了其采集GPS系统L1频点信号的性能,并通过后端的软件接收机处理得到了信号捕获、跟踪、测量与定位结果,基于这些结果对中频采样系统的基本功能、多频处理能力等进行了分析和评估。     

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。     

惯导速度辅助下GPS接收机码环的噪声响应和动态跟踪性能分析

 本文推导了C/A码信号相干和非相干接收的GPS接收机码环的动力学方程,分析了码环的噪声响应和动态跟踪性能对码环带宽的矛盾要求,并提出了解决矛盾的方法:惯导速度辅助。分析结果表明:窄带宽码环经精度为1nmile/h的惯导系统速度辅助后,动态跟踪误差为无辅助时的1/1000,接收机将兼有抗强干扰和跟踪高动态的性能。     

一种兼容GPS和BD系统的跟踪环路相干积分方法

在城市、峡谷等复杂环境下,卫星导航信号衰减严重,接收机导航定位性能变差,甚至不能工作,给国民生产生活带来诸多不便.提高接收机弱信号的跟踪能力,研究高性能的卫星导航接收机具有重要的意义和价值.在研究分析GPS、北斗D1导航电文的调制方式和相干积分方法的基础上,构建了一种改进直方图的位同步方法,该方法借鉴直方图的思想,通过设定比特跳变的统计门限上限和多组门限下限找到比特跳变边沿.在此基础上设计实现了一种长时间相干积分方法,该方法兼容GPS电文和北斗D1导航电文,可以有效地消除导航电文跳变或者NH码跳变带来的比特翻转.最后,在FPGA平台验证了该方法可以有效提高信号信噪比,以及接收机在弱信号环境下的跟踪能力.     

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。     

《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)…     

用于NASA局TDRSS第二地面终端站的综合接收机的设计与性能

Interstate电子公司正在开发一种综合接收机,准备用于TDRSS第二地面终端站(STGT,NASA天基测控网的一个重要组成部分)的S波段多址、S波段单址、K波段单址、S波段航天飞机返向链路(SSHR)和K波段航天飞机返向链路(KSHR)。广泛采用甚大规模集成/专用集成电路(VLSI/VSIC)设计方案,该综合接收机(IR)将解调器、符号同步器、伪码跟踪、载波恢复和数据提取功能结合到一个集成单元内。本文介绍该接收机的总体设计及研制,突出了解调和跟踪环的功能。给出了实验室测量结果,证明了良好的误码率特性。