1 、引言

70年代中期，美國人Sanders Associates最早提出彈道修正引信的概念。彈道修正引信（Course Correcting Fuze，CCF）是指在引信中采取相關措施來實現彈丸飛行彈道的簡易控制、從而達到減小彈丸落點散布目的的一種新概念引信。它通過對傳統引信的改造，使其增加了彈道修正的功能，開拓了一條低成本、高效益的炮兵彈藥精確化之路。彈道修正引信不僅具有傳統引信系統的保證彈藥安全和控制戰斗部起爆的功能，還具有感知及辨識彈道環境和修正彈道的功能。按修正效能的不同分為一維（1－DCCF）和二維彈道修正引信（2－DCCF）。二維彈道修正引信不僅可以對彈道進行射程修正，而且還可以進行方向修正，因此精度更高。二維彈道修正引信實現的方法是：在原有的炮彈引信中，增加彈道修正模塊，由傳感器探知飛行中的彈丸在某個時刻的空間位置，將此位置與預定彈道相比較，根據偏差的大小，產生彈道修正指令并輸出給相應的執行裝置進行距離和方向的修正。

目前，在旋轉載體中主要采用慣性器件、地磁傳感器和GPS來測量彈道及彈丸運動參數。使用慣性器件測量姿態是很復雜的，且積累誤差很大。如小型陀螺儀刻度不準就會導致每旋轉一圈都會產生一個小誤差；在旋轉的情況下，這種誤差會很快的積累起來。其它的傳感器例如磁探測器也可以用于測量彈丸旋轉速度，但是使用這種器件需要考慮彈道和地磁場的角度幾何關系，以及彈丸的磁特性。

衛星定位接收組件作為二維彈道修正引信的一個重要的彈道參數敏感元件得到了廣泛的重視。它在引信中的基本功能是用來提供炮彈當前的位置信息，并傳送給信息處理機構，用以控制引信機構進行正確的動作。它的主要優點有：

l 全天候工作，沒有地理位置（如高緯度，高海拔）限制；

l 精度高，實時性好。利用差分等手段可以達到米級測量精度；

l 沒有時間誤差累積。

本課題就是將GPS作為二維彈道修正引信的彈道敏感器應用到彈道修正引信上，解決二維彈道修正引信用衛星定位接收系統在旋轉、高速等動態條件下的定位問題。

2 、2－DCCF引信用衛星定位信號接收機中的關鍵技術

眾所周知，GPS接收系統已應用到民用和軍用等各個領域。2-DCCF衛星定位信號接收系統作為GPS接收系統的特例，其中涉及到了一些關鍵技術，主要有一下幾個方面。

（1）多天線信息融合技術

天線技術成為GPS接收信號的關鍵。目前國內外常采用全向天線或自適應天線技術，解決高旋轉和高動態環境下衛星定位信號的接收問題。前者系統設計簡單，現有產品多采用該技術方案；但是由于全向接收無線信號，存在抗干擾能力差的缺點；后者通過選擇性接收衛星來波方向信號，一定程度上提高了抗干擾能力，但系統設計復雜（尤其是射頻信號處理部分），對于射頻信號處理技術落后的我國，不利于無線信號接收系統整體的優化設計和小型化設計。本課題采用的多天線波束賦形天線技術（beam-steering）是指在信號的發射端和/或接收端有多根天線，該陣列的輸出與衛星信號接收機的多個輸入相結合，可提供一個綜合的信號。與單個天線不同的是，天線陣列系統能夠動態地調整波束方向，以使其都獲得最大的主瓣，并減小了旁瓣干擾。這樣不僅改善了信號干擾比，還擴大了覆蓋范圍。國外的文獻中介紹較多的是采用4元或8元陣列，來提高抗干擾能力。多天線賦形結構的原理如圖1所示。

圖1

（2）GPS/IMU的信息融合技術

充分利用GPS和慣性測量組合（IMU）各自的優點和應用特點，采用GPS/IMU融合的結構。在融合結構上采用多層次結構，如圖2所示。

圖2

首先，在傳感器層，慣性傳感器融合了陀螺儀和加速度計等的信息，GPS接收機融合了多個衛星和天線的信息；然后，系統對GPS系統的輸出信息和IMU的輸出信息進行融合，得到準確的方位信息，從而提高了打擊精度。在算法上，采用卡爾曼濾波法。該方法大大減少了計算量，融合方法簡單有效；并且由于信息分配因子的引入，使得系統的容錯性得到很大改善。當然，在以后的研究中還可以考慮采用卡爾曼濾波法與其他算法如人工智能等組合的算法，以提高效率。

（3）軟件無線電技術

高性能DSP技術的發展，使得GPS接收機的一些功能可通過軟件來實現。這里，為減小體積、適應引信的要求，在GPS接收機中采用了軟件無線電技術，如圖3所示。右側的虛線框內表示的就是DSP實現的軟件無線電技術。

圖3

信號的處理和控制功能都由DSP的軟件來實現，從而使系統硬件結構變得簡單。通過軟件無線電技術（SDR）實現衛星定位信號處理算法的通用性和靈活性設計。由于其對實時性的要求不是很高，可以在后續的處理當中進行進一步的優化和功能的增強，以進一步提高其抗干擾等能力。

基于軟件實現的GPS接收系統主要完成如下功能：

利用信號特點選擇性接收衛星來波方向信號，去掉智能天線的加權微波網絡，采用數字技術替代模擬技術完成對多路信號加權融合。簡化了接收機高頻部分的設計，提高了系統可靠性和通用性。

在一個DSP芯片中完成實現旋轉解調，環路跟蹤和抗干擾等算法；還可根據情況，在硬件平臺不變的情況下，進行適時修改，提高了系統的通用性和靈活性；同時，可更加靈活有效地采用抗干擾技術，提高了系統的抗干擾能力。

（4）FPGA技術的應用

隨著FPGA技術的發展，GPS接收機的很多解決方案可通過FPGA中來實現。為提高GPS的捕獲和跟蹤速度，如圖3所示的左側虛線框內的功能由FPGA來實現。在GPS接收機的信息處理過程中，有相當一部分工作可由FPGA來完成，從而大大提高系統的響應速度。圖4所示的是其中最常見的相關運算及其FPGA實現。

圖4

3 、系統總體設計

在射頻（RF）部分，選用2或4片貼片式指向性（directional）天線接收信號，利用信號特點選擇性接收衛星來波方向信號，根據旋轉角度的不同，采用軟件技術動態地對信號加權融合。簡單來講，就是當天線正對著衛星時，信噪比最大，此時加大加權系數；當天線背對著衛星時，信噪比最差，此時取加權系數為0。這樣，既簡化了接收機高頻部分的設計，又較好地實現了抗干擾性能。而經典的設計中往往多采用全向天線，它們在所有的角度上都受到噪聲和干擾信號的影響，系統的抗干擾能力較差。由于采用了指向性天線，使得旋轉對衛星信號的調制效果更加明顯，因而也容易進行旋轉的解調。所謂旋轉解調，實際上就是從受旋轉“污染”的信號中提取有用的數據信號；同時，還可以從中獲取旋轉的姿態信號（或者說進行旋轉跟蹤）。GPS接收系統的組成框圖如圖5所示。

圖5

系統的工作原理與過程是：信號在由天線接收后，經過前置放大后傳給射頻前端，在射頻前端進行下變頻，將信號變為中頻，在中頻上進行A/D變換，變為數字中頻后傳送到數字接收機通道進行處理。輸入信號的FFT對應地與本地產生的偽隨機碼的復共軛FFT相乘，最后對乘積進行逆變換IFFT，從而得到了所有碼片間隔上的相關值。若所有相位上的信號都比預設的門限值小，調整本地的調制信號繼續搜索；否則，停止搜索轉入跟蹤。通過載波和相位的跟蹤環路將信號中的偽距信息提取出來送給接收機處理器，計算出三維坐標信息。

4 、結語

2－DCCF引信用衛星定位信號接收系統具有如下優點：

接收機系統結構簡單。簡化了天線和射頻信號處理部分設計，為研制高速旋轉彈引信用微小型衛星定位信號接收機創造條件。

軟件GPS接收機的軟件功能強大。與傳統的GPS接收機相比，它的信號處理能力更強，尤其在惡劣條件下通過信息的存儲和再處理，可實現增強的信息處理。

可靠性高，抗干擾能力強。采用數字信號處理技術和抗干擾技術，選擇性接收衛星來波方向信號，既可保證高速旋轉和高動態環境下衛星定位信號的可靠獲取，又能有效屏蔽地面干擾，提高接收機適應戰場電磁環境的能力。

IMU輔助的GPS接收技術使得導航精度更高。GPS將GPS測量的空間（三維）位置信息、速度信息和時間信息（PVT）送入信號處理器，對測量數據進行處理和計算，辨識實際彈道；從而產生導航解，為彈道修正引信進行簡易制導提供依據；同時，融合慣性組合（加速度計、陀螺儀）提供的測量信息，更好地實現了二維彈道修正引信的彈道辨識。

本文的創新點在于：旨在解決二維彈道修正引信用衛星定位接收系統在旋轉、高速條件下的穩定定位問題。在引信系統分析的基礎上，研究了旋轉條件下可靠接收衛星定位信號的電路設計，提出了基于軟件無線電技術的旋轉彈引信用衛星定位信號處理算法，以及GPS/IMU信息融合的二維彈道修正引信彈道辨識方法。

責任編輯：gt