GPS转发技术在飞行器外测中的应用

慕鹏

摘要：GPS转发外测技术具有动态特性好、作用距离远、全天候、精度高等特点，是满足未来靶场的外弹道测量的可选方法之一。本文主要介绍了该技术的主要工作原理、以及在靶场遥测装备上的应用设计及采用的关键技术，最后对采用该技术所达到的定位精度和测速精度进行了分析。

关键词：转发GPS 外测遥测 精度分析

中图分类号： P228 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）05（c）-0000-00

由于开展一次空间目标飞行试验十分昂贵，所以，在系统设计中需要考虑的首要因素就是要获得可靠的、有价值的测量数据，对这种飞行时间短，动态变化范围大的飞行器来说，使用转发器则能较好地解决信号的初始捕获、跟踪容易引起接收机失锁，很短时间内完成信号重捕困难的难题。

1 工作原理

GPS轉发外测主要是在飞行器GPS转发器的配合下，通过地面站接收机捕获、定位，精密测量飞行器动态目标的飞行轨迹。飞行器转发器将GPS天线接收到的L频段GPS卫星信号变频至S频段后转发回地面，地面设备接收转发的GPS信号，并对其进行捕获、跟踪，获取各颗GPS卫星信号的原始测量数据，实时和事后给出目标的弹道信息。转发外测的特点是：除了实时测轨外，还可以将转发的GPS信号与差分的GPS信号进行检前记录处理，方便事后进行精密计算处理。便于实现各种算法，获取更完整的高精度外测数据。

2 在遥测装备上的应用设计

如图1所示，GPS转发分系统系统利用整个系统的天伺馈、S波段信道与它共用。遥测站的S频道的天线在收到无线电遥测信号后，输出的左右旋2路射频信号能经过低噪声放大器放大，然后通过电缆送到射频分路组合中，经过射频分路组合后，会随即输出大约4组的左右旋信号，其中的1组会进入电盘输出然后送至转发外测分系统内。转发外测分系统中s频段下面的变频器再将接收到的GPS信号变频至70MHz

工作原理是将中频信号送给目标接收机然后进行跟踪与解调，接收机能够调解出伪距变化率、星-飞行器-地伪距、导频多卜勒还有载波相位等一些信息。在L波段下变频器通过基准站的天线后，能够直接接收空中的GPS卫星信号变频至70M送GPS基准接收机解调、定位，再通过RS232串口，以NMEA0183标准协议格式将基准定位信息传至转发外测计算机对转发外测GPS定位信息进行差分定位和存储。S频段下的变频器能输出2路一样的70MHz信号，其中一路是给目标接收机，另一路是给GPS检前记录器；与S频段下变频器不同，GPS下的变频器能输出3路完全一致的信号，且都是70MHz，其中一路给基准机接收，另一路给GPS检前记录器，还有一路给S频段上的变频器，在输出S频段信号后送转发信道，射前是利用基准接收机的信道和天线检查目标接收机的软件、硬件工作状态，从而完成系统的自检。另外，转发外测计算机能根据目标接收测量的原始信号进行实时定位解算，其中包括对伪距、伪距率、导航电文等，还可以依据基准接收机的差分修正信息对目标测量数据进行差分修正处理。此外，系统还配有校飞用的标校转发设备，能将由天线接收到的GPS信号进行低噪声放大后再上变频为S频段信号发出，完成对系统的动态测试处理。

3遥测设备上的关键技术

3.1能够快速定位技术

在遥测设备上，目标信号出现后，目标接收机经过捕获和跟踪，直到能给目标定位信息为止，所花的时间是非常短的，这就是目标接收机的快速定位。目前来说，快速定位也是转发外测系统的难点和重点之一。

一般来说，GPS卫星的信号体制是以码分址多为主，伪码码长是有1023的Gold序列，码率是1.023MHz，但是转发外测信号动态却大的多，例如多卜勒指标能达到±110kHz，那么如何才能在8秒内，即短时间内捕获到像多卜勒这么大范围的目标信号，这又是一项关键技术。

目标接收机的首次定位条件是至少要有四颗以上的卫星码与载波环锁定，所以定位时间基本上是要由载波捕获时间与伪码所决定的。载波的捕获时间可以很大程度上缩短，主要是GPS伪码的捕获时间，如果按照步进速率进行单通道搜素伪码，搜素一个码长周期的时间大约为2秒，假设要搜素3个频率点，那么捕获的时间就为6秒，也是能达到技术指标中8秒内的要求。

3.2 事后处理技术

事后处理技术是对检前数据记录进行事后处理，其中，检前记录的数据，也就是记录的中频信号，可以采用纯软件的方法进行处理，也可以由软件回放。由软件模拟硬件所有功能，纯软件无线电技术，包括相关器、同步逻辑、NCO等都可以用软件实现。

3.3 遥感设备中载波相位测量技术

假设在卫星S上发出一个载波信号，在任一时间t内，信号在卫星处的相位为s，此时经过一段距离传播到接收机K上，它的相位为k，那么由S到K的相位变化就是（s-k），包括整周数和不足一整周的小数部分，那么卫星到接收机上的距离就是：

=（s-k）

但是在实际操作中，我们无法测量到数据s，解决这类问题的办法有：假设接收机的振荡器能产生出一个初相和频率与卫星处载波信号完全一样的基准信号，那么任一时间ti在接收机的基准信号的位移与卫星处载波信号的位移就是一样的。所以只要测定接收机基准信号的相位就行了。

4 结束语

综上所述，基于GPS转发技术构建的外测分系统，具有技术成熟、结构简单、定位速度快、便于事后的高精度处理等特点，不但适用于飞行器的轨迹测量，更适合脱靶量测量。相信该技术能在飞行器轨迹测量中必将发挥更大的作用。

参考文献

[1] 刘基余 GPS卫星导航定位原理与方法科学出版社 2003

[2] 徐绍铨等 GPS测量原理及其应用武汉测绘科技大学出版社 2003