GPS和惯导组合系统的导弹遥测系统

胡颖娟

（中科芯集成电路有限公司，西安 710065）

1 引言

GPS全球定位系统是由美国国防部控制的星基无线电定位和标准时间传送系统。GPS能在全球范围、全天候地为陆地、航海、航空和航天用户提供精确的三维位置、三维速度和时间信息。惯性导航系统(INS）简称惯导，是一种自主式导航系统，它利用惯性仪表（陀螺仪和加速度计）测量运动载体在惯性空间中的角运功和线运动，根据载体运动微分方程组实时精确地解算出运动载体的位置、速度和姿态角。GPS和惯导的组合能够互补地给导弹提供三维位置、三维速度、飞行姿态和时间信息。有了这些导航定位的手段，导弹才可能精确打击目标。

对相隔一定距离的对象的参量进行检测并把测得结果传送到接收地点的过程称之为遥测。因为导弹飞行的时间短，而且在导弹工作时无法进行接触测试，遥测就是一种非常合适的获得导弹参数的方式。

本文所述的是GPS和惯导组合的导弹的遥测系统，它的功能有测量导弹速度、位置、姿态、飞行时间、弹体温度、飞行过程中弹体内压力等参数，并且能够在监测台显示这些遥测参数。

2 GPS/惯导组合系统

将GPS长期高精度和惯导短期精度高的性能结合起来，可以使组合后的导航性能比任一个系统单独使用时都有较大提高。当机动、干扰或遮挡使GPS信号丢失时，惯导对GPS的辅助能够帮助接收机快速重新捕获GPS信号。而经过GPS校准的惯导在GPS信号中断期间的误差增长率比没有校准、自由状态下惯导的误差增长率低。GPS数据对惯导的辅助可使惯导在运动中进行初始对准，提高快速反应能力。上面所述的两个系统的组合不仅能优势互补并能消除各自的缺点，使得GPS/惯导的组合系统应用越来越广泛。

本方案中GPS和惯导的组合结构采用松耦合方式，原理图如图1所示。

图1 GPS和惯导的组合模式

上图中，上半部分是一部完整的GPS接收机，下半部分是一部捷联式惯导外加一个用作实现组合的导航卡尔曼滤波器。捷联惯导的导航解算器从惯性测量装置接受加速度和角速率传感器数据，解捷联方程，再根据平台的初始位置与速度推算当前的位置和速度，然后将这些数据输出到导航卡尔曼滤波器。导航卡尔曼滤波器把它们与来自GPS接收机的位置与速度数据进行比较，导出惯导各种误差状态变量的更新估计值。这些状态变量包括陀螺和加速度计的传感器的误差。这些状态变量的更新值用以校正惯导的位置和速度输出，使惯导的精度达到GPS的水平。

由于一直在用GPS校准惯导，使惯导的输出精度保持与GPS相当的水平。一旦GPS接收机受到干扰不能工作，惯导的漂移会越来越大，不过在短时期内仍有较高精度。

这种组合导航方式提高了整个系统的抗干扰能力，但是GPS接收机的抗干扰能力没有得到提高。如果想要进一步提高GPS的抗干扰能力，提高整个系统的性能，可以采用紧耦合或者超紧耦合的方式。松耦合的优点是保留了GPS接收机和惯导设备的完整性，它们可以采用标准型号的产品，实现起来比较方便。

如果导弹在发射井中发射，发射前导弹中的GPS接收机可能接收不到信号，此时由惯导算出初始经纬度（发射井深度已知），作为系统输出，待导弹发射出去GPS接收机接收到信号后，开始由GPS对惯导进行校正。但是因为惯导工作时首先都需要在地面上作初始对准，初始对准时间需要几分钟到几十分钟，那么处于发射井中的导航系统需要提前启动，使惯导有足够的时间进行初始对准。

3 遥测的基本原理

航空航天遥测（包括导弹遥测）系统可分为飞行器遥测系统和地面遥测系统，前者主要由传感器、多路组合调制器、发射机和天线组成，后者主要由接收机和天线、分路解调器等组成（图2）。传感器的功能是感受被测参量并转换成电信号。各传感器的输出信号同时送入多路组合调制器，各路信号按一定体制组合起来，互不干扰地通过同一个无线电信道传送出去。多路组合调制器输出的信号调制发射机的载波，通过天线发射出去。接收端天线接收信号后送入接收机。接收机把组合信号解调出来，再经分路解调器恢复各路原始信息，加以记录、处理和显示。

4 GPS/惯导导弹遥测系统组成

如果要在载波上同时调制多路信号，需要对每一路参数进行副载波调制，各路副载波组合之后再去调制主载波，最后将调制后的主载波发射出去。但是各路信号对副载波进行调制，电路实现起来比较复杂，而且需要利用较多的资源。本文通过数字处理的方式，规定通讯协议将几种遥测参数同时调制在一个载波上，在接收端根据协议解释不同参数。此系统组成如图3所示。

图2 遥测基本原理

图 3 遥测系统组成

5 遥测系统软件设计

由于上面的系统组成中包含两个数字信号处理的过程，在DSP中需要有软件支持。弹体内的软件和地面处理软件流程如图4和图5所示。

图4 弹体内的软件处理流程

6 结论

本文论述了GPS/惯导的导弹遥测原理及实现方法，其中，GPS和惯导模块为成熟的技术，弹体内的遥测系统与地面遥测系统之间的通讯可以用通讯系统来实现。这样的系统组成使导弹设计者能清楚地获得飞行中导弹的参数，以此来评价导弹性能，为进一步改进导弹性能提供良好的试验数据和改进依据。

图5 地面接收系统软件流程图

[1] 李跃. 导航与定位. 北京: 国防工业出版社, 2008.

[2] 孙立新. CDMA(码分多址)移动通信术. 北京: 人民邮电出版社, 2000.

[3] 章云. DSP控制器及其应用. 北京: 机械工业出版社,2001.