隨著國防技術(shù)的飛速發(fā)展，要求導(dǎo)彈等經(jīng)常工作在高動態(tài)環(huán)境下武器的性能不斷改進(jìn)。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈制導(dǎo)手段不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈提出的高精度、高可靠性和具有強大戰(zhàn)場生存能力的要求。例如傳統(tǒng)的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)大都采用慣導(dǎo)系統(tǒng)，由于不斷提高的改進(jìn)陀螺儀和加速度計的要求很難得到滿足，慣導(dǎo)系統(tǒng)定位誤差隨時間積累的缺點越來越限制其進(jìn)一步應(yīng)用。目前，純慣導(dǎo)系統(tǒng)雖能初步滿足中近程導(dǎo)彈飛行的點與點之間導(dǎo)航精度要求，但不能滿足遠(yuǎn)程、長時間航行及武器投擲、偵察、變軌控制等更高精度的制導(dǎo)要求。因此，很有必要研究新的制導(dǎo)手段來滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。隨著GPS這一全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，特別是由于該系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力以及良好的抗干擾性和保密性，該系統(tǒng)被迅速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的各個方面，并已取得了可觀的軍事效益。本課題正是在這種背景下，研究GPS這一全新的全球定位系統(tǒng)在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用，有重要的軍事價值和現(xiàn)實意義。
1 導(dǎo)彈飛行環(huán)境(高動態(tài)環(huán)境)給接收GPS信號帶來的問題及解決方案
導(dǎo)彈制導(dǎo)的顯著特點是在高動態(tài)環(huán)境中實施軌跡導(dǎo)引和誤差校正。研究GPS在制導(dǎo)中的應(yīng)用必須研究高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的影響。雖然GPS系統(tǒng)具有比以往導(dǎo)航定位系統(tǒng)無法比擬的許多優(yōu)點，但是與靜態(tài)、中低動態(tài)環(huán)境相比，高動態(tài)環(huán)境使GPS信號產(chǎn)生了較大的多普勒頻移，給接收機可靠捕獲和跟蹤信號帶來了較大的困難。普通GPS接收機在沒有慣導(dǎo)系統(tǒng)速率輔助的條件下很難在高動態(tài)環(huán)境下可靠地工作。
1.1 高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來的問題
與中、低動態(tài)環(huán)境相比，高動態(tài)環(huán)境給接收GPS信號帶來了如下問題：
①高動態(tài)使GPS載波信號產(chǎn)生較大的多普勒頻移，若使普通接收機的載波鎖相環(huán)PLL(常用costas環(huán))能夠保持鎖定，就必須增加環(huán)路濾波器的帶寬。這樣就會使寬帶噪聲竄入，當(dāng)噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時就會致使載波跟蹤環(huán)失鎖。而載波跟蹤提供精確的距離變化率測量導(dǎo)航解，這樣就會丟失距離和距離變化率的估計值；若不增加載波鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環(huán)的捕獲帶，這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。
②高動態(tài)也使得GPS信號的副載波，即偽隨機碼產(chǎn)生動態(tài)時延，使得普通接收機的DLL碼延時跟蹤環(huán)容易失鎖，而且重新捕獲時間很長，往往使導(dǎo)航解發(fā)散。
③載波跟蹤失鎖也使50Hz的調(diào)制數(shù)據(jù)無法恢復(fù)，相應(yīng)的衛(wèi)星星歷無法獲取。
普通的GPS接收機大都采用載波鎖相環(huán)進(jìn)行載波跟蹤、碼延遲鎖定環(huán)進(jìn)行碼跟蹤，如果沒有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的速率輔助(即提供有關(guān)多普勒頻移的先驗知識)，是很難在高動態(tài)環(huán)境下可靠工作的。
1.2 解決高動態(tài)環(huán)境所帶來問題的典型方法
解決高動態(tài)環(huán)境所帶來的問題，主要是研究如何提高在高動態(tài)環(huán)境中對多普勒頻移的了解程度。研究表明，多普勒頻移一般可通過某些算法進(jìn)行多普勒頻移估計而掌握，或者通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來提取。
1.2.1 高動態(tài)環(huán)境中多普勒頻移估計方法
在高動態(tài)環(huán)境中對多普勒頻移估計算法的研究最早也是最有成績的是美國JPL實驗室，該實驗室曾經(jīng)研究過以下算法：
①近似最大似然估計(MLE)的跟蹤和捕獲算法，該算法是基于N個連續(xù)同相和正交采樣值來對頻率及其時間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估計的。
②采用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準(zhǔn)最優(yōu)遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進(jìn)行載波跟蹤。
③交叉自動頻率控制環(huán)(CPAKC)，即一種簡化的估計淹沒于噪聲中正弦信號頻率并有極高動態(tài)的準(zhǔn)最優(yōu)算法。