衛(wèi)星著艦引導(dǎo)載波相位多參考站一致性技術(shù)研究?

楊少帥

（中國西南電子技術(shù)研究所 成都 610036）

1 引言

基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的飛機精密進近著陸/著艦系統(tǒng)是目前起降引導(dǎo)的主用系統(tǒng)之一。而飛行器起降是安全風(fēng)險非常大的過程，尤其是著艦，甲板尺寸狹小并且運動，對于引導(dǎo)系統(tǒng)要求苛刻。完好性是指導(dǎo)航系統(tǒng)所提供信息正確性的置信度的測量，也包括系統(tǒng)在無法用于導(dǎo)航時向用戶發(fā)出告警的能力，是與飛行安全相關(guān)的性能。由于衛(wèi)星導(dǎo)航其固有的脆弱性，復(fù)雜多變著陸場條件，不可避免存在有意或者無意的干擾等，更增加了完好性的風(fēng)險。因此完好性是基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的精密進近引導(dǎo)必須解決的難題。

在衛(wèi)星導(dǎo)航完好性監(jiān)測方面，多參考站一致性監(jiān)測的B值算法處于核心的位置。應(yīng)用于著陸的GBAS系統(tǒng)，采用偽距差分的技術(shù)體制，B值定義為偽距修正量均值與排除了某個參考站接收機觀測之后的偽距修正量均值之差［1～2］。牛飛［3］等研究了GBAS的完好性觀測域監(jiān)測問題，提出基于B值的Sigma異常監(jiān)測算法，能夠有效監(jiān)測GBAS參考站異常隨機誤差。李亮等研究了基于MRCC的完好性監(jiān)測，通過一致性算法將偽距差分定位精度提升32%，差分服務(wù)定位可用性提升到97%［4］，其一致性研究主要針對固定基準(zhǔn)站的偽距觀測，主要針對固定基準(zhǔn)站的偽距觀測。由于偽距差分已不能滿足精度需求，著艦引導(dǎo)需要采用載波相位差分的技術(shù)體制，王官龍?zhí)岢隽吮倍啡l觀測量無故障導(dǎo)航的算法，建立了載波相位精度與差分定位精性能的關(guān)系，表明相位測量精度優(yōu)于0.7cm，才能保證差分引導(dǎo)精度［5］。因此GBAS系統(tǒng)的多站一致性監(jiān)測方法已不適用［6～7］。

在衛(wèi)星導(dǎo)航的著艦系統(tǒng)中，參考站布局在運動的艦船平臺上，甲板跑道相比于機場跑道更為狹小，母艦位置上處于運動狀態(tài)，受海浪影響，位置隨時運動且無法實時精確標(biāo)定，姿態(tài)上也具有擾動［8～10］。同時由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身可能存在的異常［11］、射頻干擾天線相位中心變化、多徑、抗干擾天線引入的誤差，易造成載波相位的精度惡化和異常［12］。著艦系統(tǒng)在完好性監(jiān)測上必須同時關(guān)注偽距觀測和載波相位觀測［13～15］，需要研究基于移動參考站的著艦系統(tǒng)載波相位多參考站一致性監(jiān)測方法。

2 多站一致性監(jiān)測算法模型

2.1 B值定義

多站一致性監(jiān)測的任務(wù)就是計算和檢驗B值，以隔離不正常的接收觀測。傳統(tǒng)意義上，B值表征不同衛(wèi)星針對不同接收機修正量的連續(xù)性，監(jiān)測實現(xiàn)過程基于艦載M個基準(zhǔn)站接收機中的一個被假設(shè)為估計偽距校正量誤差的標(biāo)準(zhǔn)接收機，其余M-1個接收機把偏離標(biāo)準(zhǔn)接收機的估計值與預(yù)定的告警閥值比較。

B值定義為某測量值與排除了某個通道后的N各測量值平均值的差，計算方式為

其中m，n為通道編號，Xm，Xn為對應(yīng)的檢測統(tǒng)計量，Bm為m通道的B值，N為總通道數(shù)量。

在沒有故障條件下，B值反映了偽距校正量與均值的差異，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。一旦衛(wèi)星故障或接收機故障，B值則會發(fā)生變化。

2.2 著艦引導(dǎo)系統(tǒng)偽距和載波B值構(gòu)造

圖1 艦船多GNSS參考站天線布局示意圖

其中A、B、C、D參考站布局同一艦船上，兩兩距離在數(shù)百米以內(nèi)，衛(wèi)星信號傳播到四個參考站經(jīng)過的傳輸路徑基本一致，因此電離層延遲、對流層延遲基本一致，即，

為了保證更好的觀測和一致性結(jié)果，艦船多參考站采用同一型號衛(wèi)導(dǎo)天線和接收機，并通過公共的外部高精度時鐘為接收機提供頻率基準(zhǔn)，因此，接收機噪聲服從同分布，接收機鐘差基本保持一致，即，

cδtra=cδtrb=cδtrc=cδtrd

由于整周模糊度的存在以及A、B、C、D四個參考站天線布局位置不同，載波相位和偽距觀測不同，進一步地，艦船處于運動狀態(tài)中，精確的A、B、C、D參考站坐標(biāo)無法精確獲取，因此不能根據(jù)標(biāo)定坐標(biāo)計算精確的偽距和載波修正值。因此，需要將各參考站的測量量從天線位置映射轉(zhuǎn)換到艦船參考點（SRP）上，并建立多站之間建立載波相位、偽距的一致性，才能夠進行一致性監(jiān)測。

基于載波相位差分的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)多站一致性監(jiān)測方法，參閱圖2，其具體步驟如下。

圖2 載波相位差分著艦引導(dǎo)多站一致性監(jiān)測

第二步，接收多站衛(wèi)星導(dǎo)航原始觀測信息，主要包括導(dǎo)航電文、時間、偽距、載波相位、多普勒等原始觀測，并多站觀測信息時間對齊；

第五步，計算參考站偽距折算到SRP點處的虛擬偽距觀測值；

第六步，計算參考站載波相位折算到SRP點處的虛擬載波觀測值；

第七步，計算載波相位虛擬觀測的改變量和偽距改變量；

第八步，多參考站重復(fù)上述第三步至第七步過程，計算多參考站針對不同衛(wèi)星的偽距虛擬觀測量和載波相位虛擬觀測量改變值。根據(jù)虛擬偽距觀測和虛擬載波相位觀測量改變值，計算偽距和載波相位觀測的B值Bρ，Bφ。

最后，B值與參考門限比較，如果超過檢測門限，設(shè)定檢測未通過標(biāo)志。

3 故障對B值的影響分析

本節(jié)主要通過理論分析，建立一致性監(jiān)測算法與故障模式之間對應(yīng)關(guān)系，分析不同故障模式對B值及其檢測統(tǒng)計量的影響。

假設(shè)偽距和載波由于衛(wèi)星鐘跳、多徑等原因產(chǎn)生了階躍突變，則偽距觀測和載波觀測為

其中，l和θ分別為偽距和載波跳變的幅度，m為接收機編號，n為衛(wèi)星編號。

3.1 觀測階躍突變對平滑偽碼影響

載波平滑偽碼能夠提高偽距的觀測精度，載波相位平滑偽距的基本過程如下：

其中，Ns為平滑時間常數(shù)。

平滑偽距受載波和偽距的雙重影響，在偽距和相位階躍突變后，對于平滑偽距的影響如下：

3.2 觀測階躍突變對觀測B值影響

觀測B值以虛擬載波或已平滑的虛擬偽距作為檢測統(tǒng)計量，偽距和載波產(chǎn)生突變之后，檢測統(tǒng)計量B值如下：

3.3 電離層梯度誤差影響分析

為了監(jiān)視電離層異常，進一步的構(gòu)建電離層梯度檢測統(tǒng)計量。電離層梯度反映的是電離層的變化情況，可以看成偽距和載波加入斜坡變化，載波相位和偽碼引入的偏差變化如下：

其中，le和θe分別為電離層誤差對載波和偽距影響。

采用滑動幾何平均的方法來估計碼-載波偏離，固定平均的算法如下：

4 實驗驗證與分析

實驗驗證主要采用實驗室內(nèi)，構(gòu)造半物理驗證環(huán)境并注入故障條件，測試B值及檢測統(tǒng)計量故障響應(yīng)，在超過預(yù)定門限后，提供告警信息。

4.1 測試驗證環(huán)境

測試環(huán)境主要包括思博倫GSS9000衛(wèi)導(dǎo)模擬器、信號功分器、銣原子鐘、4套GNSS接收機、多串口卡、計算機。利用衛(wèi)導(dǎo)模擬器產(chǎn)生兩個不同位置參考站信號，緯經(jīng)高坐標(biāo)分別為（30°，104°，500）和（30°，104°，600）。端口1信號通過功分器與接收機1、接收機2相連。端口2信號通過功分器與接收機3、接收機4、銣原子鐘相連。銣原子鐘接收模擬器信號，經(jīng)過時鐘馴服鎖定后，為接收機提供10MHz高穩(wěn)低相噪頻率信號。衛(wèi)導(dǎo)原始數(shù)據(jù)通過多串口卡連接到聯(lián)試計算機上。

圖3 實驗室測試環(huán)境組成圖

4.2 實驗仿真

實驗仿真總時間長度1800s，更新率0.1Hz，以北斗3號衛(wèi)星為例，進行一致性檢測分析。

4.2.1 正常觀測下的觀測B值及檢測統(tǒng)計量

正常情況下，未注入故障的衛(wèi)星觀測檢測統(tǒng)計量B值如圖4所示，可以看出，觀測量虛擬到同一個觀測站點后計算檢測統(tǒng)計量和B值，偽碼和載波B值保持良好的穩(wěn)定性，碼和載波偏離度及其B值維持在很小的范圍內(nèi)（mm級別變化）。

圖4 正常觀測下的檢測統(tǒng)計量及B值響應(yīng)

4.2.2 載波周跳對觀測檢測統(tǒng)計量及B值影響

在第500s對C站3號衛(wèi)星加入100周周跳，故障激勵表達式如下：

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖5所示。

圖5 加入周跳后檢測統(tǒng)計量及B值響應(yīng)

可以看出，加入載波周跳后，受相位突變的影響，C站平滑偽距B值在500s出現(xiàn)突變，突變幅度與平滑周期常數(shù)有關(guān)，本仿真中，偽碼平滑時間常數(shù)為100s，在發(fā)生突變的C站偽距B值達19m，A、B、D站B值突變幅度約為C站1/3，但隨著時間推移，逐漸收斂恢復(fù)到至0左右，收斂時間在500s左右，與平滑偽距對載波突變的響應(yīng)理論分析相符。載波B值C站B值在500s后，一直維持在100周，而A、B、D站B值維持在33周左右，并未恢復(fù)至0。碼-載波偏離上，受碼載波分離度平滑和偽碼平滑的綜合影響，C站在500s開始，逐漸發(fā)生增大，A、B、D站變化幅度約為C站的1/3，600s左右達到B值幅度的最大值，隨后逐漸減小恢復(fù)至0，同時隨時間推移逐漸收斂至0。

4.2.3 多徑對觀測檢測統(tǒng)計量及B值影響

在第600s～605s對C站3號衛(wèi)星偽距注入30m多徑，故障激勵表達式如下：

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖6所示。

圖6 加入多徑后檢測統(tǒng)計量及B值響應(yīng)

可以看出，加入多徑后，受偽距突變的影響，C站平滑偽距B值幅度在600s開始增加，由于平滑因子的存在，平滑偽距受到的影響只有1/Ns，時域內(nèi)檢測具有一定的滯后性。因此，平滑偽距B值在故障點后呈現(xiàn)出累積增加的趨勢，逐漸超過檢測門限（0.5m）。偽距多徑不影響載波，因此載波B值無變化。碼-載波偏離上，C站B值從600s開始增大，A、B、D站變化幅度約為C站的三分之一，多徑誤差消失后，由于濾波效應(yīng)，碼載波偏離度B值隨時間增加逐漸收斂至0。

4.2.4 電離層梯度對觀測檢測統(tǒng)計量及B值影響

在第500s～673s對C站加入0.1m/s的電離層梯度誤差，故障激勵表達式如下。

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖7所示。

圖7 加入電離層梯度后的檢測統(tǒng)計量及B值響應(yīng)

從圖中可以看出，在電離層梯度的影響下，偽距和載波B值無明顯變化。在1000個歷元有限的時間內(nèi)，平滑偽距B值相對比與正常環(huán)境下的B值無明顯變化。由于平滑偽距與載波的逐漸分離，因此碼-載波偏離度在電離層梯度加入后產(chǎn)生偏離，但不同接收機由于區(qū)域靠近，在偽碼-載波觀測精度接近的條件下，偏離度區(qū)別不大，從上圖可以看出，偏離度基本重合，體現(xiàn)在B值上，與正常無分離時無明顯不一致。

所以，B值檢驗方法可以有效檢測周跳、多徑，但無法檢測出電離層的梯度效應(yīng)。

5 結(jié)語

本文針對基于衛(wèi)星引導(dǎo)的著艦對載波相位完好性監(jiān)測的需求，開展基于移動多參考站的偽距、載波相位一致性技術(shù)研究。本文提出了基于虛擬觀測的多參考站B值構(gòu)造方法，分析了不同故障對平滑偽碼、偽碼/載波B值和碼載波偏離度的影響。以虛擬載波、平滑偽距作為一致性檢測統(tǒng)計量，構(gòu)建B值，在實驗室建立半實物測試環(huán)境進行測試驗證。通過實驗測試表明，本文提出的基于虛擬觀測的移動多站一致性監(jiān)測方法能夠有效檢測周跳、多徑，檢測時間在單歷元以內(nèi)，對于影響所有接收機通道電離層的梯度效應(yīng)檢測能力有限。