隨著國防技術的飛速發(fā)展，要求導彈等經(jīng)常工作在高動態(tài)環(huán)境下武器的性能不斷改進。傳統(tǒng)的導彈制導手段不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對導彈提出的高精度、高可靠性和具有強大戰(zhàn)場生存能力的要求。例如傳統(tǒng)的導彈制導系統(tǒng)大都采用慣導系統(tǒng)，由于不斷提高的改進陀螺儀和加速度計的要求很難得到滿足，慣導系統(tǒng)定位誤差隨時間積累的缺點越來越限制其進一步應用。目前，純慣導系統(tǒng)雖能初步滿足中近程導彈飛行的點與點之間導航精度要求，但不能滿足遠程、長時間航行及武器投擲、偵察、變軌控制等更高精度的制導要求。因此，很有必要研究新的制導手段來滿足現(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)被迅速應用于軍事領域的各個方面，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)在導彈制導中的應用，有重要的軍事價值和現(xiàn)實意義。

1 導彈飛行環(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

導彈制導的顯著特點是在高動態(tài)環(huán)境中實施軌跡導引和誤差校正。研究GPS在制導中的應用必須研究高動態(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，往往使導航解發(fā)散。

③載波跟蹤失鎖也使50Hz的調制數(shù)據(jù)無法恢復，相應的衛(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)進行載波跟蹤、碼延遲鎖定環(huán)進行碼跟蹤，如果沒有慣性導航系統(tǒng)的速率輔助(即提供有關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行多普勒頻移估計而掌握，或者通過慣性導航系統(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數(shù)進行估計的。

②采用擴展卡爾曼濾波算法(EKF)，即一種使用準最優(yōu)遞推估計接收的相位及頻率跟蹤算法進行載波跟蹤。

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)的準最優(yōu)算法。