利用GPS提高研制、试验和鉴定靶场的能力

一、引言本文介绍了以研究GPS靶场测量设备为唯一目的的一项三军计划。首先介绍背景,接着是GPS用于靶场外测的优点,靶场测量设备系列,目前在各靶场的装备情况,最后是该计划的现状。二、背景为什么要将GPS用于靶场?图1说明了GPS给靶场部门带来的好处。国防部长办公室负     

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。     

利用GPS进行近地轨道确定和会合导航

本文介绍了GPS用于近地轨道确定和会合导航的性能研究结果。目前为陆地、海上和空中导航开发的一些技术正在扩展到空间环境。对两个近地航天器上的GPS接收机系统的实际工作情况进行了仿真研究,以此评价了GPS系统的相对和绝对导航精度。为该性能仿真研究提供一个逼真的基础,拟制了一些动力学和环境模型。仿真研究获得了两项重要结论:1)轨道上用一台GPS差分基准接收机给其附近另一些GPS接收机提供信息,可以将这些接收机的绝对定位精度提高到基准站所能达到的精度。2)从同4颗GPS卫星测得测量值的两台同型号接收机,其相对定位精度(1σ)每轴向可以达到1.8m(P码)和20m(C/A码)。相对速度误差每轴小于0.04m/s。当接收机拉开相当距离时,差分GPS和相对导航技术的精度下降不明显。     

用于试验靶场的全球定位系统外测设备

为了给三军靶场部门开发一个NAVSTAR GPS靶场设备系列,组建了靶场应用联合计划办公室(RAJPO)。分析科学公司协助该办公室分析了在试验和训练靶场业务中使用GPS测量时间、空间和位置信息(TSPI)的潜力,研究了GPS靶场设备系列的功能和性能参数,并帮助解决了若干技术问题。本文给出了有关GPS用于靶场的重要研究成果—成本/性能比,这有助于说明GPS在靶场中的作用。文章着重阐述了所建议的GPS靶场设备系列的功能,叙述了每种设备,以及与其它设备的关系。此外,还点出了目前计划中存在的技术问题。     

用距离游标法提高外测能力

本报告系有关西靶场相干信号处理雷达所用距离游标方案的综述。这种距离游标方法相当新颖,是从1976年下半年才发展起来的。在一定实际条件下,这种方法可提供精密的径向距离测量值,其均方根噪声值小于波长,系统误差分量可模型化。这种质量的测量值可以大大提高西靶场外测能力。本资料介绍了距离游标技术、距离测量值的数学公式、方案实施的技术和要求以及误差模型。同时还介绍了应用潜力和可行性试验。     

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。     

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。     

使商用GPS接收机达到空间质量

GPS技术可以获得高于以往的导航精度,其商业和军事应用快速增长,但GPS的空间应用刚开始出现。GPS技术空间应用的第一步是使GPS接收机具备空间质量,并且能以有竞争力的价格买到。Barnes工程部与Ashtech公司合作,将使现有的Ashtech商用GPS接收机改造得具备空间质量。该机性能超过大多数现有的GPS接收机,不仅导航精度高,而且能测量姿态。 以商用GPS接收机设计方案为基础,对其进行改造使之具备空间质量,相对于从头开始有许多好处。达到空间质量的工艺包括辐射屏蔽、散热分析和承受严酷空间环境能力的测试。本文中,我们将说明改造商用设计方案达到空间质量的好处及达到空间质量所涉及的内容,还讨论星载GPS接收机的总体性能要求。     

GPS用于MX导弹飞行试验的实时跟踪

霍普金斯大学应用物理实验室最近完成了一项MX导弹(和平卫士)试验飞行的实时GPS跟踪研究。因为飞向夸贾林环礁所需靶场安全提出了严格的精度要求,故分析了各种跟踪方案。本文简述了导弹跟踪的经验之后,介绍了各种系统方案。讨论了各种远站处理方案,接着专门研究了电离层误差修正方法和接收机锁相环路热噪声。最后,叙述了瞬时落点(IIP)时间协方差仿真结果。     

用GPS引导电影经纬仪、激光雷达和威胁发射机

三军GPS靶场应用计划中开发的GPS设备已投入使用。在试验和训练靶场一项很有希望的应用就是电影经纬仪、激光雷达和威胁发射机的指向控制。电影经纬仪和激光雷达用于靶场外测精度极高,可是波束捕获范围极窄,需要外部引导。无人值守威胁发射机也需要外部指向信息。在这一应用领域,在被试或训练飞行体上装GPS接收机或转发器,飞行体的位置经下行链路发到跟踪站,在跟踪站上计算出指向角,用来引导或控制电影经纬仪、激光雷达或威胁发射机。由于差分GPS的精度很高,所以这种引导方法很精确。利用高速率直接下行数据链路,指向信息的时间延迟很小,对高动态飞行器仍能提供高精度引导信息。这种方法不需要在跟踪站上配值守人员,所以这种方法是控制这些设备的高效费比方法。     

《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)…     

利用GPS遥控链路的天基停飞系统

本文研究了利用L波段遥控专利方案实现基于GPS靶场的真正综合式靶场测量系统必须解决的问题。着重讨论硬件及从单音调制遥控系统变换成采用加密和扩频的数字系统需解决的问题。还将谈到将该系统纳入美国空军靶场标准化和自动化(RAS)结构作为一种可能的GPS靶场方案所需费用和时间安排的一些想法,并讨论如果采用该方法将带来比现用系统的优越之处。     

用于靶机控制的RAJPO GPS设备

将在佛罗里达州的海湾靶场靶机控制系统(GRDCUS)设施验证靶场应用计划联合办公室(RAJPO)的GPS高动态测量设备(HDLS)和五通道定位组件(PLM-5)对靶机的控制。来自靶机上GPS接收机装置的下行导航数据将取代现行的多R(距离)系统的时空信息(TSPI),这是地基控制环的输入信息。随后从纵向、横向以及高度控制定律导出的控制指令将利用现行操作方案上行发送。数据链中的误码率(BER)和数据丢失以及GPS信号等都是控制系统总体设计中需要考虑的重要问题。本文讨论了IRU辅助/无辅助的HDIS(10g动态)和仅用L_1的PLM-5(4g动态)的性能对于靶机编队控制的意义。本文提出了一种利用靶机惯性测量装置(IMU)以10Hz速率传播1Hz PLM-5数据的方法,及其误差分析。分析并比较了自主和半自主靶机控制方案。最后介绍了一种最佳双环控制方案(靶机上有一个主环,地面有一个副环)的细节及优点。     

射电干涉测量的动基应用

本文研究了与移动接收机有关的射电干涉测量误差源。结合已发表的数据,经独立研究给出了接收机噪声、时钟抖动、定时漂移、多路径误差、电离层和对流层折射效应引起的各种误差的均方根值。动基射电干涉测量系统仿真中,加进了有显著影响的统计误差模型,以评价接收机运动状态的测量精度。假设这个系统由两台配有原子钟的双频接收机组成。在记录的GPS信号相位的事后处理中,应用多普勒频移检测技术和互相关算法来确定基线距离和飞行器的运动参数。初步分析结果表明:动基射电干涉测量将提供与目前惯导技术同等的导航精度,甚至更高。     

用于GPS接收机模拟和仿真的数字化基带信号处理器

全球定位系统(GPS)接收机可作成数学模型并由软件完成,接收机数字基带信号处理器完成GPS观测量的最大似然估计。本文讨论:1)数字化GPS接收机的原理;2)数字化基带信号处理器的模拟;3)模拟接收机静态和动态性能。在GPS接收机设计和系统性能分析过程中,软件接收机较之硬件接收机具有更强的灵活性,价格便宜,而且更为精确。     

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...     

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。     

电离层对GPS相对大地测量的影响

本文分析了对 GPS 相对大地测量有重要影响的电离层误差特性。电离层误差、星历预报误差和对流层延迟误差是影响 GPS 测地精度的三个主要误差源。借助高精度数字式 GPS 接收机(如 T14100GPS 导航接收机),星历估计和预报技术在日益改善。现在正在研究精确的对流层延迟修正技术,例如使用便携式水汽辐射计测量大气中水汽含量对 GPS 信号延迟的影响。为了获得相应的 GPS 测地精度还必须重视电离层误差的修正。本文讨论了三维基线精度,它随电离层条件、电离层修正精度、基线间隔、定向和事后处理方法而变化,给出了使用 T14100GPS 导航接收机和德克萨斯仪器公司 Geomark 事后处理软件包的实际测量结果。     

用于GPS接收机模拟和仿真的数字化基带信号处理器

全球定位系统（GPS）接收机可作成数学模型并由软件完成，接收机数学基带信号处理器完成GPS观测量的最大似然估计，本文讨论：1）数字化GPS接收机的原理，2）数字化基带信号处理器的模拟；3）模拟接收机静态和动态性能，在GPS接收机设计和系统性能分析过程中，软件接收机较之硬件接收机具有更强的灵活性，价格便宜，而且更为准确。     

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。