GPS轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)在飛行器外測中的應(yīng)用

慕鵬

摘要：GPS轉(zhuǎn)發(fā)外測技術(shù)具有動態(tài)特性好、作用距離遠、全天候、精度高等特點，是滿足未來靶場的外彈道測量的可選方法之一。本文主要介紹了該技術(shù)的主要工作原理、以及在靶場遙測裝備上的應(yīng)用設(shè)計及采用的關(guān)鍵技術(shù)，最后對采用該技術(shù)所達到的定位精度和測速精度進行了分析。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)發(fā)GPS 外測遙測 精度分析

中圖分類號： P228 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）05（c）-0000-00

由于開展一次空間目標飛行試驗十分昂貴，所以，在系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的首要因素就是要獲得可靠的、有價值的測量數(shù)據(jù)，對這種飛行時間短，動態(tài)變化范圍大的飛行器來說，使用轉(zhuǎn)發(fā)器則能較好地解決信號的初始捕獲、跟蹤容易引起接收機失鎖，很短時間內(nèi)完成信號重捕困難的難題。

1 工作原理

GPS轉(zhuǎn)發(fā)外測主要是在飛行器GPS轉(zhuǎn)發(fā)器的配合下，通過地面站接收機捕獲、定位，精密測量飛行器動態(tài)目標的飛行軌跡。飛行器轉(zhuǎn)發(fā)器將GPS天線接收到的L頻段GPS衛(wèi)星信號變頻至S頻段后轉(zhuǎn)發(fā)回地面，地面設(shè)備接收轉(zhuǎn)發(fā)的GPS信號，并對其進行捕獲、跟蹤，獲取各顆GPS衛(wèi)星信號的原始測量數(shù)據(jù)，實時和事后給出目標的彈道信息。轉(zhuǎn)發(fā)外測的特點是：除了實時測軌外，還可以將轉(zhuǎn)發(fā)的GPS信號與差分的GPS信號進行檢前記錄處理，方便事后進行精密計算處理。便于實現(xiàn)各種算法，獲取更完整的高精度外測數(shù)據(jù)。

2 在遙測裝備上的應(yīng)用設(shè)計

如圖1所示，GPS轉(zhuǎn)發(fā)分系統(tǒng)系統(tǒng)利用整個系統(tǒng)的天伺饋、S波段信道與它共用。遙測站的S頻道的天線在收到無線電遙測信號后，輸出的左右旋2路射頻信號能經(jīng)過低噪聲放大器放大，然后通過電纜送到射頻分路組合中，經(jīng)過射頻分路組合后，會隨即輸出大約4組的左右旋信號，其中的1組會進入電盤輸出然后送至轉(zhuǎn)發(fā)外測分系統(tǒng)內(nèi)。轉(zhuǎn)發(fā)外測分系統(tǒng)中s頻段下面的變頻器再將接收到的GPS信號變頻至70MHz

工作原理是將中頻信號送給目標接收機然后進行跟蹤與解調(diào)，接收機能夠調(diào)解出偽距變化率、星-飛行器-地偽距、導頻多卜勒還有載波相位等一些信息。在L波段下變頻器通過基準站的天線后，能夠直接接收空中的GPS衛(wèi)星信號變頻至70M送GPS基準接收機解調(diào)、定位，再通過RS232串口，以NMEA0183標準協(xié)議格式將基準定位信息傳至轉(zhuǎn)發(fā)外測計算機對轉(zhuǎn)發(fā)外測GPS定位信息進行差分定位和存儲。S頻段下的變頻器能輸出2路一樣的70MHz信號，其中一路是給目標接收機，另一路是給GPS檢前記錄器；與S頻段下變頻器不同，GPS下的變頻器能輸出3路完全一致的信號，且都是70MHz，其中一路給基準機接收，另一路給GPS檢前記錄器，還有一路給S頻段上的變頻器，在輸出S頻段信號后送轉(zhuǎn)發(fā)信道，射前是利用基準接收機的信道和天線檢查目標接收機的軟件、硬件工作狀態(tài)，從而完成系統(tǒng)的自檢。另外，轉(zhuǎn)發(fā)外測計算機能根據(jù)目標接收測量的原始信號進行實時定位解算，其中包括對偽距、偽距率、導航電文等，還可以依據(jù)基準接收機的差分修正信息對目標測量數(shù)據(jù)進行差分修正處理。此外，系統(tǒng)還配有校飛用的標校轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，能將由天線接收到的GPS信號進行低噪聲放大后再上變頻為S頻段信號發(fā)出，完成對系統(tǒng)的動態(tài)測試處理。

3遙測設(shè)備上的關(guān)鍵技術(shù)

3.1能夠快速定位技術(shù)

在遙測設(shè)備上，目標信號出現(xiàn)后，目標接收機經(jīng)過捕獲和跟蹤，直到能給目標定位信息為止，所花的時間是非常短的，這就是目標接收機的快速定位。目前來說，快速定位也是轉(zhuǎn)發(fā)外測系統(tǒng)的難點和重點之一。

一般來說，GPS衛(wèi)星的信號體制是以碼分址多為主，偽碼碼長是有1023的Gold序列，碼率是1.023MHz，但是轉(zhuǎn)發(fā)外測信號動態(tài)卻大的多，例如多卜勒指標能達到±110kHz，那么如何才能在8秒內(nèi)，即短時間內(nèi)捕獲到像多卜勒這么大范圍的目標信號，這又是一項關(guān)鍵技術(shù)。

目標接收機的首次定位條件是至少要有四顆以上的衛(wèi)星碼與載波環(huán)鎖定，所以定位時間基本上是要由載波捕獲時間與偽碼所決定的。載波的捕獲時間可以很大程度上縮短，主要是GPS偽碼的捕獲時間，如果按照步進速率進行單通道搜素偽碼，搜素一個碼長周期的時間大約為2秒，假設(shè)要搜素3個頻率點，那么捕獲的時間就為6秒，也是能達到技術(shù)指標中8秒內(nèi)的要求。

3.2 事后處理技術(shù)

事后處理技術(shù)是對檢前數(shù)據(jù)記錄進行事后處理，其中，檢前記錄的數(shù)據(jù)，也就是記錄的中頻信號，可以采用純軟件的方法進行處理，也可以由軟件回放。由軟件模擬硬件所有功能，純軟件無線電技術(shù)，包括相關(guān)器、同步邏輯、NCO等都可以用軟件實現(xiàn)。

3.3 遙感設(shè)備中載波相位測量技術(shù)

假設(shè)在衛(wèi)星S上發(fā)出一個載波信號，在任一時間t內(nèi)，信號在衛(wèi)星處的相位為s，此時經(jīng)過一段距離傳播到接收機K上，它的相位為k，那么由S到K的相位變化就是（s-k），包括整周數(shù)和不足一整周的小數(shù)部分，那么衛(wèi)星到接收機上的距離就是：

=（s-k）

但是在實際操作中，我們無法測量到數(shù)據(jù)s，解決這類問題的辦法有：假設(shè)接收機的振蕩器能產(chǎn)生出一個初相和頻率與衛(wèi)星處載波信號完全一樣的基準信號，那么任一時間ti在接收機的基準信號的位移與衛(wèi)星處載波信號的位移就是一樣的。所以只要測定接收機基準信號的相位就行了。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于GPS轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)構(gòu)建的外測分系統(tǒng)，具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、定位速度快、便于事后的高精度處理等特點，不但適用于飛行器的軌跡測量，更適合脫靶量測量。相信該技術(shù)能在飛行器軌跡測量中必將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

[1] 劉基余 GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法科學出版社 2003

[2] 徐紹銓等 GPS測量原理及其應(yīng)用武漢測繪科技大學出版社 2003