【摘要】：精確制導(dǎo)彈藥在現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用越來(lái)越突出,是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要標(biāo)志。衛(wèi)星制導(dǎo)憑借其全天候、低成本等優(yōu)勢(shì)已發(fā)展成為制導(dǎo)彈藥主要的制導(dǎo)方式之一。與常規(guī)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellites System,GNSS)接收機(jī)相比,彈載GNSS接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)具有更大的動(dòng)態(tài)、更低的載噪比,甚至可能出現(xiàn)信號(hào)中斷等情況,從而對(duì)接收機(jī)的核心技術(shù)——基帶信號(hào)處理,提出了更高的要求。對(duì)于信號(hào)捕獲,由于彈丸飛行時(shí)間僅為數(shù)十秒,因此捕獲速度性能非常關(guān)鍵。而捕獲精度影響跟蹤環(huán)路到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間,從而影響接收機(jī)首次定位時(shí)間,因此捕獲精度也是重要的捕獲性能之一。對(duì)于信號(hào)跟蹤,高動(dòng)態(tài)要求環(huán)路增大帶寬,但會(huì)導(dǎo)致更多的噪聲,因此如何平衡環(huán)路動(dòng)態(tài)性能和噪聲性能是彈載接收機(jī)高動(dòng)態(tài)、低載噪比條件下載波跟蹤的難點(diǎn)。隨著新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)陸續(xù)出現(xiàn),以及接收機(jī)基帶信號(hào)處理算法的不斷改進(jìn),接收機(jī)必須不斷地更新?lián)Q代。軟件接收機(jī)能在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上快速地更新算法功能,現(xiàn)已成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。基于上述精確制導(dǎo)彈藥的應(yīng)用背景和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),本文重點(diǎn)研究了彈載GNSS軟件接收機(jī)的基帶信號(hào)處理相關(guān)技術(shù),開(kāi)展的主要工作及取得的研究成果如下:(1)開(kāi)展了衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)數(shù)字中頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)工作,為后續(xù)研究接收機(jī)基帶信號(hào)處理算法提供參數(shù)可靈活設(shè)置的信號(hào)源。具體工作包括以下三個(gè)內(nèi)容:第一,研究了目前世界上主要的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)體制,分析其異同點(diǎn),得出盡管各系統(tǒng)信號(hào)體制不盡相同,但基帶信號(hào)算法具有一定相似性的結(jié)論。為此,后續(xù)工作均在GPS L1信號(hào)基礎(chǔ)上展開(kāi);第二,基于Matlab/Simulink開(kāi)發(fā)了GPS L1軟件模擬器;第三,基于DSP+FPGA研制了一臺(tái)GPS L1偽衛(wèi)星原理樣機(jī)。經(jīng)測(cè)試,所設(shè)計(jì)的信號(hào)源參數(shù)可控,滿足設(shè)計(jì)要求。(2)以精確制導(dǎo)炮彈為應(yīng)用背景,提出了一種能同時(shí)顧及精度與速度的信號(hào)捕獲算法。該算法借助炮彈發(fā)射前初始化輔助信息對(duì)碼相位和載波頻偏進(jìn)行預(yù)估,縮小參數(shù)搜索范圍,提高捕獲速度。在此基礎(chǔ)上,利用Chirp-Z變換實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)化,提高捕獲精度。為提高算法效率,借鑒了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)基帶信號(hào)處理中的相干積分清零思想,對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降采樣,從而降低運(yùn)算量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,降采樣在顯著提高捕獲速度的同時(shí),能保持較高的頻率精度。為進(jìn)一步提高算法的精度和靈敏度,提出加長(zhǎng)相干積分時(shí)間和降采樣相結(jié)合的方法。結(jié)果表明,當(dāng)相干積分時(shí)間為10ms時(shí),所提算法能捕獲載噪比低至22dB-Hz的信號(hào);對(duì)于25dB-Hz的信號(hào),捕獲誤差僅為5.9Hz。(3)開(kāi)展了彈載GNSS軟件接收機(jī)矢量跟蹤算法研究工作。重點(diǎn)研究了矢量跟蹤環(huán)在彈載GPS接收機(jī)高動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤中的應(yīng)用,建立了彈載接收機(jī)數(shù)字中頻信號(hào)仿真電路模型,并對(duì)傳統(tǒng)的固定帶寬環(huán)路、基于Kalman濾波器的鎖相環(huán)及矢量跟蹤環(huán)在頻率跟蹤方面的性能進(jìn)行了比較,結(jié)果表明矢量跟蹤環(huán)具有更好的噪聲性能和動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)矢量跟蹤環(huán)存在的可見(jiàn)星數(shù)目減小和導(dǎo)航解精度下降將導(dǎo)致環(huán)路跟蹤精度下降甚至環(huán)路失鎖的問(wèn)題,提出了一種利用彈丸期望彈道輔助的矢量頻率跟蹤算法,有效抑制了信號(hào)短時(shí)中斷情況下誤差的發(fā)散,并且在信號(hào)恢復(fù)時(shí),能實(shí)現(xiàn)環(huán)路的快速重鎖。(4)由于彈丸空間狹小,彈載GNSS接收機(jī)通常使用體積較小的溫補(bǔ)晶振(Temperature Compensated Crystal Oscillator,TCXO)作為頻率參考源,而TCXO的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度較差。考慮到振蕩器對(duì)接收機(jī)信號(hào)處理有重要影響,開(kāi)展了接收機(jī)振蕩器對(duì)基帶信號(hào)算法性能的影響研究。為給軟件接收機(jī)提供更接近實(shí)際情況的信號(hào)源,需要模擬接收機(jī)振蕩器的相位噪聲。為此,提出了一種低成本、滿足精度要求的振蕩器相位噪聲測(cè)量方法。該方法基于自主研制的偽衛(wèi)星發(fā)射與接收系統(tǒng),信號(hào)載噪比可靈活設(shè)置。利用較高的載噪比,可有效降低熱噪聲的影響,從而可使環(huán)路帶寬盡可能加大。使用該方法,可測(cè)量平均時(shí)間低至1 ms的短期頻率穩(wěn)定度,測(cè)量誤差僅為2.22%。利用模擬得到的信號(hào)源,分析了接收機(jī)振蕩器相位噪聲對(duì)鎖相環(huán)以及接收機(jī)鐘差、碼相位預(yù)測(cè)的影響。此外,考慮到彈載接收機(jī)印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)元器件密度高,易導(dǎo)致發(fā)熱現(xiàn)象,進(jìn)而影響振蕩器的頻率穩(wěn)定性,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和分析了接收機(jī)工作時(shí)PCB溫度變化對(duì)鎖相環(huán)的影響。本文開(kāi)展的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)基帶信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)于彈載GNSS軟件接收機(jī)的工程化實(shí)現(xiàn)具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

邐博士學(xué)位論文逡逑武器主要的研究方向之一［３，４］。圖１．１是美國(guó)＼＼１９８２式“神劍”１５５１１１１１１制導(dǎo)炮彈。逡逑該彈是美軍第’？型全球定位系統(tǒng)／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ／Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＧＰＳ／ＩＮＳ）制導(dǎo)彈藥，也是美軍實(shí)現(xiàn)火炮系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和增強(qiáng)精確打擊逡逑能力的重點(diǎn)項(xiàng)目。“神劍”制導(dǎo)炮彈在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上得到了充分的檢驗(yàn)。逡逑（ａ）邋“神劍”精確制導(dǎo)炮彈邐（ｂ）邋“神劍”內(nèi)部的ＧＰＳ接收機(jī)逡逑圖１．邋１邋“神劍”精確制導(dǎo)炮彈及其內(nèi)部ＧＰＳ接收機(jī)ｍ逡逑隨著ＧＰＳ現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，ＧＰＳ系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展和完善，新增加的逡逑軍用信號(hào)Ｍ碼，將使ＧＰＳ制導(dǎo)彈藥的性能得到進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，其他衛(wèi)星導(dǎo)逡逑航系統(tǒng)也在組網(wǎng)或現(xiàn)代化改造當(dāng)中。俄羅斯的格洛納斯（ＧＬＯＮＡＳＳ）系統(tǒng)是與ＧＰＳ逡逑同時(shí)期發(fā)展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，并在１９９６年初建成。早在１９９３年９月，，俄羅斯總逡逑統(tǒng)就宣布，ＧＬＯＮＡＳＳ將是俄羅斯武庫(kù)的一部分。歐洲的伽利略（Ｇａｌｉｌｅｏ）系統(tǒng)是歐逡逑盟研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)�；冢牵幔欤椋欤澹铮瑲W洲可建立自己的軍事體系，從而擺脫逡逑對(duì)ＧＰＳ的依賴。我國(guó)的北斗（ＢＤＳ）系統(tǒng)目前己實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋，正處于全球逡逑組網(wǎng)進(jìn)程當(dāng)中

飛行過(guò)程中高動(dòng)態(tài)、低載噪比和信號(hào)中斷等惡劣條件均會(huì)使跟蹤誤差增大，因此增強(qiáng)逡逑環(huán)路跟蹤性能對(duì)于提高彈丸命中精度極為關(guān)鍵。逡逑此外，如圖１．２所示，振蕩器為射頻前端模塊提供頻率源，同時(shí)為基帶信號(hào)處理逡逑模塊提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，可見(jiàn)振蕩器的性能直接影響信號(hào)的捕獲與跟蹤性能。然而，彈丸逡逑提供的空間有限，彈載接收機(jī)通常使用體積較小的溫補(bǔ)晶振（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＴＣＸＯ）。溫補(bǔ)晶振受外界因素（溫度、壓力等）影響逡逑較大［１２］，其輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度性能也較差［１３］，后續(xù)的基帶信號(hào)處理勢(shì)逡逑必受到影響。逡逑在傳統(tǒng)的硬件接收機(jī)中，基帶信號(hào)算法通常由專用集成電路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｐｅｃｉｆｉｃ逡逑Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ，邋ＡＳＩＣ）實(shí)現(xiàn)，如圖１．１（ｂ）所示。盡管ＡＳＩＣ具有強(qiáng)大、高速的運(yùn)算逡逑能力，但它沒(méi)有可編程性，缺乏靈活性，對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)不同功能的基帶信號(hào)算法不逡逑利。軟件接收機(jī)的出現(xiàn)則打破了以硬件為核心的傳統(tǒng)接收機(jī)功能單一、可擴(kuò)展性差的逡逑設(shè)計(jì)局限。所謂軟件接收機(jī)
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TJ410.3

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本文編號(hào)：2675389