浅析美国炮弹GPS接收机应用组件及反欺骗模块

来源 :中国科技博览 | 被引量 : 0次 | 上传用户:YINGWU2008
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  [摘 要]本文以美国研制的增程制导炮弹(ERGM)和“神剑” (XM982)为例,介绍了最新的GPS接收机,为了战场保密性,还介绍了GPS接收机应用组件(GRAM)必须配备选择可用性/反欺骗模块(SAASM),并讨论了Y-向捕获问题,包括捕获相关器和基准振荡器的考虑。同时描述了耐人为干扰的特性及其如何影响捕获及追踪能力。
  [关键词]炮弹;GPS;反欺骗模块
  中图分类号:TN972.4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0330-02
  引言
  在美国,削减国防预算迫使军方探寻增强战斗力的手段,采用“智能弹药”便是其中之一。随着技术进步,小型化弹药正成为飞行制导的新宠。海军的增程制导炮弹(ERGM)和陆军的“神剑”(XM982)项目便是这方面的两个主要实例。ERGM是5’甲板炮弹,而“神剑”是十字军坦克和圣骑士坦克之类155 mm平台用炮弹。这两种弹药均面临一系列类似的难题,那就是用于飞行制导的炮弹GPS接收机设计。接收机应用组件设计需考虑到耐干扰、与IMU紧耦合、快速捕获、精确追踪以及低功耗低成本等难题。这些要求要求中,有些相互关联,例如,快速捕获、高度耐人为干扰能力和耦合IMU。有些则互相矛盾,例如,既需要低功耗和低成本,而同时又满足其它任务要求。
  炮弹发射程序
  在下面图1中,描绘了陆军的XM982 155 mm炮弹。这种炮弹长度约一米。尾部的鳍翼用于炮弹消自旋,而前段的鸭翼用于空气动力操纵控制。包含GPS接收机的仪表舱,位于头部。
  从炮弹发射程序的情况观察时,GPS接收机设计引出的隐含问题就更明显。从外部基准(“炮载”)GPS接收机获取初始化过程用数据。当炮弹即将发射时,会按以下顺序进行:①从弹药库取出待发射炮弹;②将炮弹放入初始化站。这样便对炮弹接收机施加基本动力。于是,在≤2秒的时间由炮载接收机传递所有可见卫星的最新精度情况,锁上SAASM,利用炮载接收机的时标传递GPS时间,并利用炮载接收机的时标校准基准振荡器,传递大炮状态,同时传递目标信息;③从初始化站卸下炮弹。这样便消除了炮弹接收机的基本动力,但始终有残留动力。然后,保存炮弹,直到准备将其装填到炮中为止。该保存时间可从数秒到20分钟不等。在此间隔期间,接收机保存初始化数据集和密钥,同时传播GPS时间;④将炮弹装填到炮中并发射。炮弹主蓄电池开始重新向接收机施加基本动力;⑥炮弹接收机的设计软件,执行加电自检,然后报告“准备捕获”;⑦ 根据“起动捕获”指令,接收机开始搜寻卫星信号的Y向码;⑧探测并俘获信号后,接收机输出伪测距和增量测距值;⑨在弹药洒布前或干扰电平方案追踪前,利用IMU辅助进行连续追踪。
  快速捕获
  在炮管处所获得的初速度限制了炮弹的飞行持续时间。GPS接收机必须捕获并追踪,以对齐IMU,从而开始制导。显然,飞行中进行捕获和追踪越早,可用于制导操纵的间隔时间就越长。此外,要是存在干扰发射机,它们很可能就在目标处或附近。在此情况下,干扰将随着炮弹接近目标而增强。由于捕获需要的信噪比(SNR)显著大于追踪所需的SNR,或前者需要的J/S(干扰/信号)比显著小于后者,所以,飞行中尽可能早地发生捕获极为重要。
  首次测量时间(TTFM)为探测、俘获及追踪四颗GPS卫星所需的时间。如图 2所示,搜索用于探测和捕获的GPS信号,是一种时间和频率的二维处理。图形边界反映了时间和频率的总范围(Ttotal和Ftotal)。为了确保搜索边界内包含了实际信号状态与接收机时间和频率误差相组合的最不利情况,必须搜索该时间总范围Ttotal和频率总范围Ftotal。
  将搜索区域分成网格单元。Tcell和Fcell网格单元的尺寸,就是接收机可搜索的时间(代码元)及频率范围。这些范围由接收机捕获相关器所能搜索的时间和频率范围决定。必须搜索总时间与总频率不确定度的所有组合。于是,总搜索时间(Tsearch)为:
  Tsearch=××Tdwell秒
  前两项界定了网格单元中的搜索矩阵。其乘积便是待搜索网格单元的总数。Tdwell是每个网格单元的驻留时间,并由信号积分时间间隔确定,为了在给顶GPS信号电平和干扰的条件下检测信号,必须保证该时间间隔。显然,只要最小化方程式中的Ttotal、Ftotal和Tdwell,同时最大化Tcell和Fcell,便可缩短TTFM。
  对于捕获时的Ftotal,炮弹速度(载波多普勒)的不确定和接收机基准振荡器的频率不确定,是两个主要是影响因素。通过利用初始化期间所接收的所有可用信息,包括炮的状态、发射方位角和仰角、预期初速度、阻力、既定飞行弹道,以及自发射至估计炮弹速度所花时间,减小炮弹速度不确定性。接收机振荡器频率的标定过程,是初始化过程中减小其频率不确定性的一部分。为了无需维修并储存20年,计划将炮弹放于“木制”圆筒中,所以,初始化是十分必要的。该过程可消除晶片老化效应。
  对于捕获时的Ttotal,炮弹的位置不确定和接收机时间相对于GPS时间的偏差不确定,是两个主要影响因素。利用对待炮弹速度的相同方法,使炮弹位置不确定性保持在最低限度。通常,炮射时Ttotal的主要部分是接收机时间的偏差不确定性。将接收机时钟设定到初始化期间GPS的10微秒时间内。于是,接收机时钟以实际接收机振荡器频率误差所决定的速度漂移。炮射时的接收机时钟不确定度,等于接收机振荡器频率不确定度与占用时间(达到20分钟)之积。显然,接收机振荡器在整个占用时间的频率稳定性,是缩短TTFM的主要因素。
  缩短TTFM的第二个重要因素,是最大化反欺騙模块(SAASM)中内置捕获相关器的Tcell和Fcell范围。在大频率范围和成本及功耗之间,必须进行权衡。捕获相关器要么接收L1信号输入,要么接收L2信号输入,并且,要么根据C/A码运行,要么根据P/Y码运行。根据当前位置、速度、时漂和振荡器频率的最佳估值,确定搜索中心。频率(速度) 估值产生了高干扰情况下探测信号时,减小整个长积分周期相关“拖尾效应”所需的多普勒代码。捕获相关器的范围足以搜索总时间和频率不确定性边界,以便在42 dB 干扰/信号(J/S)比的干扰环境中,在小于8秒的时间内捕获第一颗卫星,该范围足以支持14秒的TTFM。   高度耐人为干扰的能力
  炮弹配备有利用多元接收天线的人为干扰清零器。接收机必须带着清零器余留的残余人为干扰运行。从接收机性能的观点来看,最不利情况的人为干扰是宽频带(BB)或噪声干扰。宽频带干扰增加了噪声,从而降低了接收机的信噪比(SNR)。除利用IMU辅助的追踪环窄带之外,在具有BB干扰的接收机中,几乎无法提高SNR,但却有许多损失性能的可能。为了在这些条件下保持最佳SNR,设计时必须考虑减小器具损失的因素,诸如噪声系数、滤波损失、采样损失、图像干扰抑制和信号失真之类的因素。
  人为干扰的存在,使输入接收机的信号—噪声电平正常变化增加了30 dB或以上的动态范围。 接收机自动增益控制(AGC)必须具有足够的量程来处理该动态范围。增大AGC量程会带来增益分配问题。如果不严格控制该量程,则会导致级联噪声系数增大,高于正常工作电平的噪声,最终导致损失和互调失真。对于射频降频转换器(RFDC)的放大器和混合器,必须小心地控制其工作电平、线性度和动态范围。
  一般情况下,是通过增加L1与L2接收信号之间的RFDC来获得L2操作信号。追踪环必须与该过程同步多路传输,并且在高干扰环境中信号追踪不能发生中断。多路传输的L1/L2信号会产生SNR损失,该损失与追踪阈值损失的驻留比相等。此外,中断追踪增加了载具周跳或空投锁死的可能性。出于这些理由,设计的接收机具有单独的L2 RFDC路径。L1和L2 RFDC路径均连续运行而无需多路传输。按12个单独卫星追踪通道中的各通道输入,选择L1或L2运行。
  A high sample rate is desirable合意 to separate隔离 the resultant必然产生的 sampling抽样 components部件 easing松开 filter过滤器 requirements必备条件 and minimizing signal aliasing.降低信号混淆
  为经受住降频转换过程,需对信号—噪声—干扰进行采样,并进行数字化处理。为了易于过滤,并降低信号混淆,需要很高的采样率。该要求必须考虑到高时钟频率处理及装的成本及功耗。采样速率之后,需要解决的问题是信号数字转换器的位数为多少?三位数字转换器保持了采样损失达到约0.15 dB,并提供了通过妥善处理间隔和位数的相对权重,优化人为干扰耐受性的机会。为使该优化有效,接收机必须具备感知人为干扰的能力,即是说,接收机不仅可测量人为干扰电平,而且还可表征连续波、窄带或宽带人为干扰。因此,三位数字转换器成了最佳选择。
  紧耦合惯性测量装置(IMU)
  紧耦合IMU确保了IMU测量值用于辅助GPS载具的速率和代码追踪环。此类辅助消除了这些环的大部分动应力,从而容许其在窄带下(较之其它情况)运行。紧耦合IMU降低了环带宽内的人为干扰和热噪声功率,从而,提高了测量精度,并降低了空投锁死阈值。
  限制IMU辅助优点的两个主要因素是,IMU精度和IMU数据到达追踪环的等待时间。一直到炮射后为止,IMU不需加电。IMU不接收传递对准,因此,取决于GPS追踪其对准。IMU辅助仅在GPS追踪间隔之后有效。这就容许及早捕获所有更重要的讯号。通过利用原始惯性传感器数据ΔV和Δθ,缩短等待时间,并将其转换为卫星视距、距率和距离加速度。因而,保持等待时间小于20毫秒。因为炮弹飞行并未包含任何需要更短等待时间间隔的突然高振幅动态事件,所以,20毫秒的等待时间是适当的。
  SAASM
  此类炮弹是拟用于战场上或战场附近的战术武器。图3显示了用于此类接收机的选择可用性反欺骗模块(SAASM)。
  把SAASM封装在40 mm2(约1平方英寸)采用层压基材的多片组件(MCM)内,利用球栅阵列,从电气上将其连接到接收机的印刷电路板上。在周界堤坝环内的该组件顶面,涂敷了防干扰火焰喷敷层。火焰喷敷层具有多孔性,因此,并不构成其下面暴露模制芯片的防潮层。将密封剂和防潮层涂敷在焰喷敷层的上面。在图中用剖面线表示该密封防潮敷层,以便展示其下的内置电路元件。
  在SAASM中内置了所有GPS数字信号处理功能。输入为所采样的L1和L2信号。输出为卫星测量数据组。特定功能有用于追踪L1、L2、C/A和P/Y码的追踪器(代码块)、捕获相关器、主要数据处理器(KDP) I1芯片组和用于存储信号处理程序的闪存。
  适合所分配空间
  图4显示了适合XM982“神剑”炮弹整流罩的电路板外形。SAASM位于靠近底座的电路板背面上。在侧视图中可看见SAASM。一个金属罩遮盖了位于靠近电路板顶端正面的射频部分。导航处理器和现场可编程门阵列用于定制输入/输入接口电路,该接口位于靠近底座的电路板正面上。
  低功耗
  低功率要求直接与需要大信号处理动态范围相矛盾,与耐人为干扰能力所需采样速率相抵触,与短首次测量时间(TTFM)所需宽量程搜索程序不一致。所设计整个接收机的工作动力由一单独的3.3伏直流电源提供。数字ASIC(专用集成电路)中的核心逻辑电路为0.25微米的HCMOS(高密度互补金氧半导体)。这些小几何尺寸、低压门的运行功率,大大低于较高的5伏直流电压技术。
  这种接收机广泛采用了“睡眠”模式。当诸如卫星追踪通道之类处理空闲时,不选通时钟。捕获ASIC便进入“睡眠”模式,正在实际进行捕获时除外。设计中,以功耗作为第二选择标准,选择各零部件。
  低成本
  在基本功能性之后,选择零件和厂家的第一标准是成本。设计中致使成本上升的部件是基準振荡器、用于射频电路和SAASM的定制ASIC及MCM。由成本促使选择这些零部件的厂家和技术。
  所需接收机数量巨大是使成本如此重要的因素。这些大量的接收机也是降低成本的主要因素。MCM封装和定制ASIC的报价,会因大量采购而显著下降。
  结束语
  文中介绍的炮弹GRAM的SAASM接收,详细说明了炮弹发生顺序和制导的要求。基本设计规定了SAASM可靠性、Y向快速捕获、人为干扰耐受性、低功耗和低成本。当然,对于炮弹应用,这些特性并不是唯一的要求。提供这些能力的基本芯片组和软件,可适于应用中的广泛变化。
其他文献
[摘 要]本文对赣东北地区的地热形成条件进行了对比分析,认为该区地热形成条件良好,并已投入勘查工作,具有潜在开发利用的前景。  [关键词]赣东北、地热条件;开发利用前景  中图分类号:TK521 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0341-01  1.地热形成条件对比分析  赣东北比赣南地区自然出露的温泉要少,但通过对温泉形成地质条件的对比分析,认为赣东北地区温泉形成的
期刊
[摘 要]伴随着大学毕业生人数的连年增多,社会竞争日益加剧,越来越多的大学生毕业后不能顺利找到理想的工作,大学生就业难问题也随之而成为社会热点,已经引起了各级政府和各类高校的高度关注。本文中,笔者结合多年教学工作经验对大学生就业难问题进行了探讨,以供参考。  [关键词]大学生;就业难;对策  中图分类号:G647.38 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0364-01 
期刊
[摘 要]土地勘测是一项系统的工程,土地勘测受多种因素的影响,土地勘测结果又会影响新增建设用地报批、土地招拍挂勘测定界和城镇地籍信息系统维护等工作,土地勘测对于所勘测地区土地管理意义重大。本文就从土地勘测的现状出发,简述了影响土地勘测的因素,又重点阐述了提高土地勘测质量的途径,旨在提高勘测质量,提高人民生活水平。  [关键词]土地勘测;影响因素;勘测质量;思考  中图分类号:F301;P20 文献
期刊
[摘 要]成本会计在理论上不仅先天不足,并且后天失调,本文仅先就阐述成本理论的起点即基点略抒己见。  [关键词]成本会计;理论;基点;问题  中图分类号:TD318 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0365-01  一、问题的提出  (一)成本不属于价值范畴。  马克思早在《资本论》第3卷第1章指出,成本具有一种假象,似乎它是价值本身的一个范畴。不仅指明是假象,并且正
期刊
[摘 要]提出了一种无人通信站智能化监控系统。该系统将运动检测方法引入站点视频监控中,并对视频对象进行自定义分区检测。在管理器端,系统将视频图像与电力参数进行集中管控,减少了同时管理多类监控设备的不便利,降低了工作人员的管理复杂度,提升了无人通信站监测的工作效率。原型系统的实际使用表明,该系统是切实可行且有效的。  [关键词]通信站; 监控系统; 运动检测  中图分类号:TP273.5 文献标识码
期刊
[摘 要]在进行市场交易、投资、参股以及融资时,需要参与者全面了解各项资产的价值,这就评估资产的价值,在价值判断方面为相关的产权交易活动提供参考。本文对知识产权交易过程中的专利资产评估方法进行详细阐述,并展望了专利资产评估方法的未来研究趋势。  [关键词]知识产权;专利资产;评估方法  中图分类号:F204 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0363-01  0 引言 
期刊
[摘 要]现阶段,我国电子信息产业发展速度快,居世界前列,成为我国的第一大产业,但是我国该产业发展水平只是大而已,自主创新能力比较弱,处于世界加工厂的位置。因此,为提高我国电子信息产业的竞争力,需要加快其自主创新能力。本文主要是对我国电子信息产业自主创新的特点及如何提高企业的自主创新能力进行分析论述,希望提供一些有价值的参考,从而提高企业的自主创新能力,增强其竞争力,在激烈的市场竞争中立于不败之地
期刊
[摘 要]林业植物检疫工作在我国已经开展了半个多世纪,在新形势之下,如何做好相关的林业植物检疫工作对社会的发展、经济的发展、人民的生活都是非常重要的,林業植物检疫工作在取得优异成绩的同时也存在一定的问题,本文将对其现状以及发展对策进行阐述。  [关键词]林业;植物检疫;现状;对策  中图分类号:S763 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0366-01  一、林业植物检
期刊
中图分类号:O157.5 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0345-01  1.核密度估计概念  kernel density estimation是在概率论中用来估计未知的密度函数,属于非参数检验方法之一,由Rosenblatt (1955)和Emanuel Parzen(1962)提出,又名Parzen窗(Parzen window)。Ruppert和Cline基
期刊
[摘 要]热工保护系统是火力发电机组不可缺少的重要组成部分,热工保护的可靠性对提高机组主辅设备的可靠性和安全性具有十分重要的作用,本文就提高热工保护系统可靠性的重要意义,对提高热工自动控制系统可靠性的思考  [关键词]热工保护;可靠性;可靠性措施  中图分类号:TM621.9 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)37-0370-01  前言:热工自动控制系统是现在火电厂的中枢部
期刊