微波著艦引導設備動態校驗系統設計與技術實現

謝洪森，王 鼎，亓沂濱

(1.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041； 2.中國人民解放軍海軍91001部隊，北京 100841)

0 引言

在國內外軍用民用航空導航領域中，為確保地面或艦面航空導航設備發射的無線電導航引導信號的完好性和準確性，需要對其發射的空中信號進行定期或不定期的檢驗，其中飛行校驗是常用的也是最有效的技術手段[1]。目前，國內軍民航陸基航空導航系統飛行校驗技術和應用比較成熟，而對艦載航空導航系統的飛行校驗方面研究還處于起步階段，主要原因在于艦載航空導航設備安裝環境處于運動狀態，校驗基準獲取以及檢驗誤差處理難度較大，對新型艦載航空導航設備檢驗系統構建提出了新的要求[2]。微波著艦引導系統是艦載對空導航系統的重要組成部分，在引導艦載機安全著艦過程中發揮著不可替代的作用。它主要由微波著艦引導設備(艦載)與機載設備組成，微波著艦引導設備主要用來發射包含角度(方位和仰角)、距離和數據等著艦引導信息，機載設備接收信號并進行處理，得到著艦所需的角度、距離和數據等引導信息[3]。從高精度基準獲取技術入手，構建微波著艦引導設備動態校驗系統，有效解決艦載航空導航系統快速動態飛行檢驗難題，對提高軍事航空導航保障能力具有重大軍事和現實意義。

1 動態校驗系統總體結構

微波著艦引導系統是通過對艦載機相對艦船的精確位置信息的實時測量，為飛機提供準確的下滑著艦引導信息。微波著艦引導設備動態校驗系統主要任務是實現對其導航引導性能進行飛行檢驗，其關鍵技術是建立一套精準度更高的相對位置基準和數據誤差處理，通過測定數據的對比分析來有效判斷設備的性能是否符合要求[4]。微波著艦引導設備動態校驗系統由機載任務系統和艦載信息系統兩大部分構成，如圖1所示。

圖1 動態校驗總體結構框圖

1.1 艦載信息系統

艦載信息系統主要包括高精度艦船位置和姿態信息基準測量系統與無線數傳單元。艦船位置和姿態信息基準測量系統由GNSS接收機、艦船姿態信息處理單元和便攜式維護計算機等組成，如圖2所示。

圖2 艦船位置和姿態信息基準測量系統示意圖

系統中的艦船姿態信息處理單元利用GNSS接收機和艦船的船搖信息實時計算出著艦跑道的真航向和設備天線相位中心的經度、緯度、高度信息。這些信息與差分數據一并通過無線數傳單元傳送給校驗飛機的機載任務系統。

1.2 機載任務系統

機載任務系統主要包括微波著艦機載接收機、飛機位置和姿態信息基準源、數據同步采集處理單元、導航校驗計算機與無線數傳單元等。

任務系統通過其數據傳輸通道接收該艦船姿態數據，機上GNSS接收機實時測量飛機的動態經度、緯度和高度數據，同時利用差分鏈路接收艦面基準站的RTK數據，通過解算獲得飛機相對微波著艦引導設備天線相位中心的方位、仰角和距離，并以此作為校驗的基準。導航校驗計算機在接收校驗基準數據的同時，同步捕獲微波著艦機載設備輸出的方位、仰角和距離信息，并對一組同步數據進行對比，通過數字濾波和算法模型，獲得微波著艦引導設備的校驗數據[5]。

2 動態校驗基準獲取

微波著艦引導設備動態校驗基本原理是將飛機飛行過程中通過機載接收機獲取的位置信息與高精度空間基準數據進行對比，以此評估艦載設備性能的優劣，其中空間基準數據精度直接決定了動態校驗系統有效性和可靠性。微波著艦引導系統本身就是一種高精度的著艦引導系統，對該系統進行動態校驗的空間基準必須精度更高。校驗基準方案采用移動基準站實時動態載波相位差分定位技術(MB-RTK)，即建立在實時處理兩個觀測站的載波相位基礎上的相對定位技術，基準站(艦載)通過數據鏈路實時將其載波觀測值和原始定位信息一并傳送給用戶站(機載)，利用相對定位原理將這些觀測值進行差分，削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等影響，并對基線求解、解算載波相位差分改正值，然后解算出飛機相對艦船的精確位置信息[6]。

2.1 精度指標分析

根據飛行校驗理論，校驗精度(即校驗基準精度)至少應為被校設備系統精度的3倍以上。根據國外同類著艦引導系統的精度要求，在著艦參考點處的方位測量誤差折算成水平距離誤差約為1.23 m(3σ)，仰角測量誤差折算成垂直距離誤差約為1.35 m(3σ)，那么對校驗基準的要求應為：水平定位誤差優于0.41 m，垂直定位誤差優于0.45 m。

載波相位差分用戶定位誤差(CsrUNE)分為水平定位誤差(CsrHNE)和垂直定位誤差(CsrVNE)，由用戶觀測幾何精度因子(DOP值)和差分用戶等效距離誤差(CsrUERE)、置信概率(Pr)決定，在星座分布確定條件下，可將用戶定位精度需求轉化為偽距差分等效距離誤差需求[7]。

按照載波相位差分水平定位精度0.41 m，垂直定位精度0.45 m(置信概率為99.7%限定)進行分解：

(1)

(2)

CsrUERE=min(CsrUEREH,CsrUEREV)=0.075 m

(3)

可知，載波相位差分用戶等效距離誤差要求為0.075 m。

2.2 基于移動基準站的高精度相對定位關鍵技術

基于移動基準站的高精度相對定位的關鍵技術主要包括周跳檢測修復技術和整周模糊度求解技術。

2.2.1 周跳檢測與修復技術

由于動態測量環境比較復雜，測量中會經常出現周跳現象。如果周跳不能及時發現并正確處理，將嚴重影響后續定位結果。通過查閱相關文獻可知，周跳檢測方法有很多種，如多項式擬合法、高次差方法、觀測值估值殘差方法、寬巷組合觀測值法、無幾何關系觀測值法、TurboEdit方法、多普勒積分法等，這些檢測方法與應用背景密切相關。為選擇合適的檢測方法，建立了不同方法的數學模型并通過實驗驗證，最終確定適合動態校驗基準獲取的周跳檢測方法是聯合使用多普勒積分法和TurboEdit方法。

目前周跳修復方法主要有TurboEdit方法和附加模糊度參數法。TurboEdit方法是利用前后歷元的觀測信息解算出周跳的大小，該方法可以在數據預處理(周跳檢測)時對發生周跳衛星的觀測值進行修復，因此在構建觀測方程模糊度初始化時，當前的觀測值信息都能被充分利用；但是修復的周跳大小受偽距測量精度影響，一旦發生修復錯誤會引入粗差，嚴重影響模糊度求解的可靠性。附加模糊度參數法，即將發生周跳的衛星重置模糊度參數求解，若未發生周跳的模糊度大于三個，則可利用已知的未發生周跳衛星模糊度修復發生周跳衛星的模糊度；該方法在數據預處理之后進行周跳修復，數據預處理時只進行周跳檢測，并且利用了未發生周跳衛星求解高精度的基線矢量信息，因此附加模糊度參數方法非常可靠，在實驗中也獲得了較高的修復精度。

2.2.2 整周模糊度求解技術

整周模糊度的求解方法主要有測量域、坐標域(模糊度函數)與模糊度域的搜索方法，其中模糊度域搜索方法中的LAMBDA算法被公認為理論最嚴密、搜索效率最高的算法。LAMBDA算法可用于單歷元整周模糊度求解，也可用于多歷元整周模糊度求解。

圖3 載波相位差分相對定位處理流程

單歷元整周模糊度求解的思想是利用單歷元的偽距和載波相位信息建立雙差觀測方程，最小二乘求得整周模糊度浮點解及其方差陣，采用LAMBDA算法獲得整周模糊度整數解。多歷元整周模糊度求解的思想是根據多個時刻的偽距和偽距載波相位信息進行序貫最小二乘濾波獲得較為精確的模糊度浮點解和方差陣，然后再利用LAMBDA算法獲得整周模糊度整數解。多歷元整周模糊度求解成功率高于單歷元求解，因此采用多歷元整周模糊度求解方法。

2.3 相對定位處理流程

為實現動態校驗對基準精度的嚴格要求，采用二級導航定位算法[8]進行載波相位差分相對定位的計算，第一級計算是對單個測距源的觀測量進行濾波，以估計與寬巷頻率相關的整周模糊度，第二級計算是完成單個觀測量每個頻率上的載波觀測量的整周模糊度計算，在整周模糊度的確定以及隨后的導航計算中，第二級算法可以通過載艦和飛機對可見衛星對的雙差觀測量移除系統偏差。

載波相位差分相對定位總體處理流程如圖3所示，主要包含艦載無差分寬巷模糊度處理、機載無差分寬巷模糊度處理以及相對定位與完好性綜合處理3個處理功能模塊。

2.4 可行性實驗

為驗證算法的可行性與有效性，進行了兩組實驗，第一組單動態實驗，第二組為雙動態實驗。

2.4.1 單動態實驗

試驗條件：固定兩GNSS天線，兩天線基線矢量為b0=[3.267，-0.338，0.008]T，基線長為3.285 m。另外設置一動態GNSS天線，作低速率圓周運動，數據采樣率1 Hz，試驗時長45 min，共2700歷元。

首先對基線b1和b2分別進行解算，利用北斗B1、B2頻點聯合解算，然后將b1-b2的結果與b0作比較，若兩者一致，則說明基線解算正確。圖4為b1-b2的結果，與b0相一致，可以判斷基線b1和b2解算正確。從圖中還可以看出，該結果精度在0.1 m以內，因此可以認為相對定位的基線解精度優于0.1 m。

圖4 基線b1和b2作差結果

2.4.2 雙動態實驗

試驗條件：試驗采用移動基準載體、移動載體，采用所研究的相對定位算法，進行雙動態移動試驗，兩載體最大距離2.5 km，進行周期性相對運動，試驗時間約1 h，數據采樣率為5 Hz。

圖5給出了移動載體與移動基準的相對距離，圖6給出了實時相對定位的誤差。由圖可知，三維最大相對定位誤差優于0.06 m，滿足2.1分析所得的精度要求。

圖5 移動載體與移動基準的實時相對距離示意圖

圖6 實時相對定位誤差示意圖

3 動態校驗數據誤差處理

由于艦船在航行或停泊時受到風浪、潮汐等洋流復雜的沖擊和影響，使船體姿態和位置形狀發生動態變化，艦載微波著艦引導設備的校驗數據處理，除了與陸基同類系統類似的誤差修正外，還需就船姿、船體變形等影響信息進行修正處理，獲得比較精準的校驗數據。

鑒于微波著艦設備動態校驗系統面臨的復雜環境和特殊的測量過程，系統著重考慮數據處理誤差分為三大類：隨機誤差，主要包括各種不確定因素變化引起的誤差和環境與設備狀態擾動引起的誤差；系統誤差，主要包括微波著艦設備本身的調零誤差、軸系誤差以及跟蹤過程中的時延誤差等；船搖誤差，主要包括船搖引起的隱周期誤差[9]。對于測量誤差分析和處理，若僅靠提高硬件設備的精度或靠增加設備數量來提高精度既有困難也不經濟。目前，廣泛采用的設計策略是通過先進的數據后期處理方法來彌補設備精度的不足，即充分利用該型設備動態校驗的歷史數據，綜合統計學與現代信號處理技術，分離測量誤差，以提高校驗系統數據處理的精確度。根據上述設計思想，通過對微波著艦引導設備動態校驗系統歷史校飛殘差的分析與處理，得到系統的一些先驗特征，如殘差特性、誤差模型等，并將校飛數據處理的結果應用到實測中，處理流程如圖7所示。

圖7 基于歷史數據分析的動態校驗誤差處理流程

4 實驗驗證

4.1 飛行實驗與結果

采用無人直升機作為飛行平臺，掛載相應的校驗任務載荷完成對微波著艦引導系統方位、仰角和精密測距(PDME)的校驗實驗[10]。受無人直升機飛行能力限制，對飛機校驗的航線和航程進行了裁剪，飛行軌跡共選擇2條航線，分別為：

1)距著艦點8 km，3°下滑角，中心線進場；

2)距著艦點11 km，下滑3°，方位+2°斜線進場。

同時，為驗證動態校驗系統的有效性，提前將艦載精密測距設備的系統固定延時進行了調整，使微波著艦引導系統的測距結果有+40m的偏差。

第一次飛行檢驗的數據分析結果如圖8～10所示，第二次飛行檢驗的數據分析結果如圖11～13所示。

圖8 第一次飛行方位誤差曲線圖

圖9 第一次飛行仰角誤差曲線圖

圖10 第一次飛行距離誤差曲線圖

圖11 第二次飛行方位誤差曲線圖

圖12 第二次飛行仰角誤差曲線圖

圖13 第二次飛行距離誤差曲線圖

4.2 結果分析與結論

從圖8、11所示的方位誤差曲線可以看出，兩次方位誤差曲線均在誤差門限之內；中心線進場和斜線進場方位誤差曲線略偏低，建議方位掃描中心角向左調整0.02°。從圖9、12所示的仰角誤差曲線可以看出，兩次仰角誤差曲線均在誤差門限之內；中心線進場和斜線進場仰角誤差曲線略偏高，建議仰角掃描中心角向上調整0.03°。從圖10、13所示的距離誤差曲線可以看出，兩次距離誤差曲線均超過誤差門限；中心線進場和斜線進場距離誤差曲線均偏高，存在約40 m固定偏差，這與實驗前對精密測距設備的調整是一致的。實驗表明，本文提出的微波著艦引導設備動態校驗方案是可行的、有效的。

5 結束語

本文針對微波著艦引導設備的動態校驗面臨的現實問題，結合艦載機著艦引導信息精準需求，提出了動態校驗系統的總體設計方案，構建校驗系統軟硬件結構和實現的技術途徑方法，重點對校驗基準的精度要求、獲取方法以及校驗數據的誤差處理等關鍵技術進行了分析研究，通過仿真數據和飛行實驗數據對比分析等手段，驗證了微波著艦引導設備動態校驗系統方案的可行性和有效性，研究結論對艦載航空導航設備動態校驗技術發展具有理論指導意義，對提高艦載航空導航系統的可靠性和實效性具有一定的實踐價值，成果可推廣應用到陸基系列航空導航設備實現快速校驗系統建設中。