海基精密著艦導航完好性監測方法研究

陳 晶，袁書明，李 亮，賈 春，程建華

(1. 海軍研究院，北京 100073；2. 哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

航空母艦整個作戰鏈條中，精密著艦是其中最重要的環節之一，也是事故發生率最高的環節。統計數據表明，航母艦載機約80%的事故是在著艦過程中發生的[1]，因此如何保證著艦過程的可靠性是實現精密著艦的關鍵技術之一。目前已有的著艦導航方式，從人工目視著艦到儀表半自動著艦，再到現在的全自動著艦，歷經信號燈、“菲涅爾”光學助降鏡、儀表著艦、著艦引導雷達、衛星引導等多種著艦導航體制，如表1所示。相應著艦體制的裝備物理形態如圖1所示。

由表1可知，采用信號燈、菲涅爾光學助降鏡、儀表著艦、著艦引導雷達等著艦引導體制，還存在如：進近階段需人工輔助，同時引導架數較少（僅2架），引導距離有限（10 nmile），設備安裝復雜以及引導精度低（僅為米級）等缺點，其根本原因在于以上系統還無法避免大氣環境和進場方式對著艦的影響，因而難以滿足“全天候”和高可靠性的著艦需求。而衛星導航的日趨成熟，以其全天候、作用范圍廣以及導航定位精度高等特點，極大提升了著艦的有效性，從而有望滿足著艦引導作用范圍廣，“寬天候/全天候”，可同時引導多架，安裝簡易，支持多類型的著艦飛行器、引導精度達到分米級等新需求，已成為著艦導航技術的研究熱點。

表1 著艦引導體制發展概況Tab.1 Developing of ship-landing schemes

圖1 各著艦系統的物理形態Fig.1 Physical styles of several landing systems

目前，以美國為首的多個國家都在研究利用衛星導航技術支撐全自動著艦。美國受到陸基增強系統輔助民用航空著陸的啟發，研發基于海上移動平臺的聯合精密進近著艦系統（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）并于2015年成功輔助X-47B無人艦載機在“布什”號航母上完成了世界上首次彈射起飛和艦載機著艦性能測試及測試。歐洲多個擁有航母的國家也開展了艦載機著艦導航及其性能測試技術的研究，英國早在2010年就開始研究GPS相對定位技術輔助艦載機著艦性能測試，并由此研制成真正意義上具有自主性能的艦載機著艦系統，并計劃在“伊麗莎白女王”號航空母艦上完成海上測試。法國2012年在拉菲特級護衛艦上完成了艦載無人機的艦載機著艦系統的測試及其性能標校，但是該套著艦測試系統不依賴于衛星導航系統，因此仍然受到著艦天氣和著艦進場容量的限制，無法將艦載機著艦的作戰優勢發揮到最大。從美國先進的JPALS系統所采用的著艦技術所披露的技術來看，它并未采用支持民用航空陸基增強系統的偽距差分定位技術，其主要原因在于傳統基于偽距差分定位精度難以滿足著艦系統的精度需求，而是采用了基于載波相位實時差分定位技術，這使研究基于載波相位差分定位技術的完好性監測成為必然要求。

1 完好性監測技術

考慮到海上應用環境的特殊性，載波相位差分觀測量主要受3種誤差源的影響更為突出：1）差分電離層延遲誤差。電離層延遲誤差具有的空時效應將導致差分電離層延遲誤差的存在[2]。在某些極端情況下（如電離層閃爍或高動態環境），該部分誤差會急劇增大，可對相對定位精度產生災難性的影響[3]。2）差分對流層延遲誤差。在差分過程中一般都可近似忽略，但是在基站和用戶端天線高度相差較大時，將對定位誤差產生確定性的影響。3）多徑誤差。文獻[4]的研究表明由于基站與用戶端之間多徑誤差的強非相關性，多徑誤差成為載波相位差分定位主要誤差源之一。

上述多種誤差的存在使得載波相位雙差觀測量中不僅包含零均值高斯誤差，而且還有非零均值高斯誤差和非高斯誤差，從而損害整周模糊度解算對各種誤差分布做出的理論假設基礎，進而影響載波相位差分定位解算的可靠性。正是基于這種原因，周揚眉[5]博士的研究指出，整周模糊度的解算及其可靠性檢驗是載波相位差分定位的核心問題。在精密著艦過程中，一方面，前述各種誤差將影響整周模糊度可靠性的檢驗。文獻[6]的研究表明，多參考接收機引入的冗余性不僅有助于充分抑制多徑誤差以及接收機噪聲等誤差的影響，并可提供基線長度和模糊度空間約束等輔助條件，從而提高整周模糊度固定解的搜索效率和可靠性。另一方面，在外界導航環境較為惡劣時，所建立系統模型容易發生擾動甚至失真，例如安裝在桁端和著艦點的參考接收機構成的相對基線矢量產生形變[7]，從而影響差分定位的精度和可靠性。由此，進行基線形變量的完好性監測研究顯得尤為必要。綜上所述，將完好性監測理論應用于載波相位差分定位時，如何補償非理想完好性風險源并建立完備的完好性風險概率分配技術，檢驗整周模糊度的可靠性，以及實現基線形變量的完好性監測，對保證精密著艦的可靠性提出更高的挑戰。

1.1 非理想性完好性風險源的補償以及完好性風險概率分配

由于著艦導航大氣環境的惡劣性、海浪對母艦三自由度干擾以及母艦和著艦對象之間相對高動態性，載波相位差分定位誤差源具有以下特點：一方面，由于多徑誤差近似服從類正弦分布，使得觀測量殘差表現出非高斯化的特征[8]。另一方面，由于母艦和著艦對象的高速運動，差分模式下的電離層延遲誤差具有非零均值的特點[9]。為抑制誤差源的多樣性和復雜性對定位精度和實時性的干擾，有必要分析各誤差源作用的時空特性，研究利用多頻觀測量的組合，以幾何無關（Geometry Free，GF）和電離層無關（Ionosphere Free，IF）濾波方法為基礎，構建新型濾波器以提高載波相位差分定位的抗干擾性能。上述各類型誤差還將導致雙差觀測量誤差的非理想性，使得整周模糊度可靠性檢驗理論的誤差分布理想假設不再可靠。目前廣泛采用sigma膨脹法及其改進型膨脹技術補償包含非零均值高斯誤差和非高斯誤差在內的非理想誤差[10]，然而，為滿足對各類型非理想誤差的覆蓋，傳統sigma膨脹算法需要采用較大的膨脹系數，可用性水平將隨之降低。尤其當非零均值過大或者非高斯化較為嚴重時，系統將失去可用性，因此必須恰當地選擇膨脹方案，使其在誤差覆蓋和提升可用性水平2個方面的性能達到最優。此外，在提升基于膨脹算法的可用性水平方面，與衛星幾何分布相關的幾何因子對系統可用性水平具有顯著的杠桿作用，因此有必要研究將膨脹方案和衛星幾何分布的杠桿作用相結合，使得載波相位差分定位模式下的可用性水平達到最優。

影響精密著艦導航性能的完好性風險源眾多，而對應完好性風險源所分配的完好性風險概率直接決定了其可用性水平，因此多完好性風險源的風險概率分配成為系統完好性監測首先要解決的問題。傳統平均化分配的方法忽略了不同完好性風險源對定位誤差貢獻的主次問題，導致系統總體可用性水平低下。提高局部監測效率的方法也將引起系統可用性的“木桶效應”：即通過調整針對某一特定風險源的完好性風險概率以提高其可用性水平，而導致系統其他完好性風險源的可用性水平降低。因此有必要根據系統總體完好性風險要求，以最優可用性水平為目的，建立完備的完好性風險概率分配方案，實現對多完好性風險源的最優統籌監測。

1.2 整周模糊度的可靠性檢驗

實現高可靠性的精密定位關鍵之一在于如何依據整周模糊度的解算方法檢驗整周模糊度可靠性[5,11]。為此，Teunissen教授提出了可快速解算整周模糊度的LAMBDA算法[12]，并提出為檢驗整周模糊度解算的可靠性，需采用假設檢驗理論通過至少3個檢驗步驟：1）模糊度浮點解的可用性檢測；2）模糊度浮點解和固定解的差異性檢驗；3）模糊度最優固定解和次優固定解顯著性檢驗[5,12]。圍繞這3個關鍵問題，雖然國內外相關研究人員已提出較為完備的整周模糊度驗證模型與理論[13–15]，但是各種驗證模型仍存在一定缺陷：首先，在進行模糊度固定解最優解和次優解的檢驗時，比率測試（ratio test）成為普遍采用的方法[16]，但是比率測試不僅忽略了最優整周模糊度和次優整周模糊度之間的相關性，這使得步驟3中基于理想分布模型進行假設檢驗的理論假設不再可靠，而且檢驗過程中的各種檢測門限值的選取依賴于經驗值，缺乏嚴格的理論基礎。其次，在模糊度最終固定解的可靠性檢驗中，廣泛用于評價可靠性性能的重要指標之一是模糊度解算成功率，然而傳統解算成功率的計算模型至少存在兩方面的不足：一方面，由于模糊度固定解之間的相關性，使得影響解算成功率的模糊度歸整域（pull-in region）呈現出狹長的特點[17–18]，在保證足夠成功率的情況下，模糊度固定解的確定需要耗費更多的時間，解算實時性難以得到滿足；另一方面，只有在解算成功率充分接近1的情況下，對應模糊度解才是可接受的[19]，但是對于這種接近1的程度無法有效衡量。若可確定包含至少3個相互獨立的整周模糊度在內的模糊度子集，那么對應補集就可以由所選擇子集包含的元素線性表出，這種冗余性不僅使得精確定量評估解算成功率成為可能，也為將完好性監測技術引入整周模糊度的可靠性檢驗提供了可行性。與完好性監測技術的結合不僅使得驗證模型中檢測門限的選取具有嚴格的理論基礎，而且還可根據評價指標體系（如漏檢率和誤警率等）對整周模糊度解算的可靠性進行嚴密的檢驗。雖然英國帝國理工大學的研究人員也已經注意到完好性監測理論在檢驗整周模糊度可靠性時所具有的優勢[20]，但其研究本質上是以理想誤差模型為基礎，非理想誤差對檢驗模型的影響還有待于深入的研究，此時引入sigma膨脹算法可有效彌補非理想誤差對檢測模型的損害。此外，傳統的模糊度可靠性檢驗是在模糊度域展開，而將完好性監測理論應用于整周模糊度可靠性檢驗時，還可在觀測量域和定位域進行多層次檢驗。

1.3 基線形變量的完好性監測

由于航母上所安裝的著艦導航系統需輔助著艦對象獲取高精度和高可靠性的定位解，可行的解決方案之一為引入多參考接收機。這是由于多參考接收機不僅可抑制非理想誤差的影響[6]，而且還可提供多種輔助條件，例如基線長度和模糊度零空間約束等，以提高整周模糊度可靠性檢驗的效率。同時，多參考接收機的引入意味著有必要考慮參考接收機故障對系統完好性監測性能的影響，為此可采用多參考一致性檢測技術（Multiple Reference Consistency Check，MRCC）監測參考接收機故障[21]，但是其應用仍面臨以下問題：首先，由于整周模糊度的存在，意味著傳統MRCC在測距域融合來自各參考接收機的差分修正量實現B值檢測無法直接應用，因此有必要研究如何在定位域實現MRCC。其次，雖然基于極大似然準則的B值檢測無需先驗統計特性，但是Stanford大學GPS實驗室的研究發現，電離層延遲異常和衛星星鐘漂移都可導致斜坡型故障[22]，根據申請者的研究，B值無法準確描述斜坡型故障引起的統計檢測量的相關性[23]，因此有必要研究基于新型最優估計準則的MRCC算法。此外，由于母艦并非理想剛體，在海上風浪、外力矩和外力的作用下，將產生一定程度的擾曲變形，而且其形變量峰峰值可以達到約10 cm[24]，這就意味著不能簡單地將母艦桁端上安置的參考接收機和甲板著艦點之間的基線長度視為常量，否則將會導致整周模糊度的解算失敗，因此對基線變形量的監測效率也成為限制著艦導航滿足所需導航性能要求的關鍵因素之一[10]。若將基線形變量等效為對系統定位域觀測模型的擾動，利用總體最小二乘理論對擾動模型進行最優估計，就可充分監測基線形變對載波相位差分定位解算可靠性的影響。由于參考接收機故障也將導致基線解發生有偏估計，因此有必要將MRCC與基線形變量的完好性監測結合起來，以保證基線解的可靠性。

2 結 語

縱觀目前國內外關于基于衛星導航實現精密著艦的方法，由于沒有綜合考慮多完好性風險來源、完好性風險源的非理想性、整周模糊度的可靠性檢驗和基線存在形變量擾動等關鍵問題，因而不能充分保障精密著艦的可靠性。如何建立完備的完好性風險概率分配技術，利用sigma膨脹技術補償完好性風險源的非理想性，基于完好性監測理論實現整周模糊度的可靠性檢驗，基線形變量的監測已成為實現精密著艦亟待解決的關鍵問題。因此，為滿足精密著艦所需導航性能，急需建立完好性風險概率分配以及非理想完好性風險源的補償方法，整周模糊度的可靠性檢驗以及基線形變量的完好性監測等技術，這不僅極大的拓展了區域增強系統的應用范圍，還必將對精密定位完好性監測理論的研究和發展產生意義深遠的影響。