微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)

謝洪森，王 鼎，亓沂濱

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，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(nèi)外軍用民用航空導(dǎo)航領(lǐng)域中，為確保地面或艦面航空導(dǎo)航設(shè)備發(fā)射的無線電導(dǎo)航引導(dǎo)信號的完好性和準(zhǔn)確性，需要對其發(fā)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(shù)手段[1]。目前，國內(nèi)軍民航陸基航空導(dǎo)航系統(tǒng)飛行校驗技術(shù)和應(yīng)用比較成熟，而對艦載航空導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航設(shè)備安裝環(huán)境處于運動狀態(tài)，校驗基準(zhǔn)獲取以及檢驗誤差處理難度較大，對新型艦載航空導(dǎo)航設(shè)備檢驗系統(tǒng)構(gòu)建提出了新的要求[2]。微波著艦引導(dǎo)系統(tǒng)是艦載對空導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，在引導(dǎo)艦載機安全著艦過程中發(fā)揮著不可替代的作用。它主要由微波著艦引導(dǎo)設(shè)備(艦載)與機載設(shè)備組成，微波著艦引導(dǎo)設(shè)備主要用來發(fā)射包含角度(方位和仰角)、距離和數(shù)據(jù)等著艦引導(dǎo)信息，機載設(shè)備接收信號并進行處理，得到著艦所需的角度、距離和數(shù)據(jù)等引導(dǎo)信息[3]。從高精度基準(zhǔn)獲取技術(shù)入手，構(gòu)建微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)，有效解決艦載航空導(dǎo)航系統(tǒng)快速動態(tài)飛行檢驗難題，對提高軍事航空導(dǎo)航保障能力具有重大軍事和現(xiàn)實意義。

1 動態(tài)校驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微波著艦引導(dǎo)系統(tǒng)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(zhǔn)確的下滑著艦引導(dǎo)信息。微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)主要任務(wù)是實現(xiàn)對其導(dǎo)航引導(dǎo)性能進行飛行檢驗，其關(guān)鍵技術(shù)是建立一套精準(zhǔn)度更高的相對位置基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)誤差處理，通過測定數(shù)據(jù)的對比分析來有效判斷設(shè)備的性能是否符合要求[4]。微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)由機載任務(wù)系統(tǒng)和艦載信息系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 動態(tài)校驗總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 艦載信息系統(tǒng)

艦載信息系統(tǒng)主要包括高精度艦船位置和姿態(tài)信息基準(zhǔn)測量系統(tǒng)與無線數(shù)傳單元。艦船位置和姿態(tài)信息基準(zhǔn)測量系統(tǒng)由GNSS接收機、艦船姿態(tài)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(tài)信息基準(zhǔn)測量系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)中的艦船姿態(tài)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(shè)備天線相位中心的經(jīng)度、緯度、高度信息。這些信息與差分?jǐn)?shù)據(jù)一并通過無線數(shù)傳單元傳送給校驗飛機的機載任務(wù)系統(tǒng)。

1.2 機載任務(wù)系統(tǒng)

機載任務(wù)系統(tǒng)主要包括微波著艦機載接收機、飛機位置和姿態(tài)信息基準(zhǔn)源、數(shù)據(jù)同步采集處理單元、導(dǎo)航校驗計算機與無線數(shù)傳單元等。

任務(wù)系統(tǒng)通過其數(shù)據(jù)傳輸通道接收該艦船姿態(tài)數(shù)據(jù)，機上GNSS接收機實時測量飛機的動態(tài)經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)，同時利用差分鏈路接收艦面基準(zhǔn)站的RTK數(shù)據(jù)，通過解算獲得飛機相對微波著艦引導(dǎo)設(shè)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(zhǔn)。導(dǎo)航校驗計算機在接收校驗基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的同時，同步捕獲微波著艦機載設(shè)備輸出的方位、仰角和距離信息，并對一組同步數(shù)據(jù)進行對比，通過數(shù)字濾波和算法模型，獲得微波著艦引導(dǎo)設(shè)備的校驗數(shù)據(jù)[5]。

2 動態(tài)校驗基準(zhǔn)獲取

微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)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(zhǔn)數(shù)據(jù)進行對比，以此評估艦載設(shè)備性能的優(yōu)劣，其中空間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)精度直接決定了動態(tài)校驗系統(tǒng)有效性和可靠性。微波著艦引導(dǎo)系統(tǒng)本身就是一種高精度的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行動態(tài)校驗的空間基準(zhǔn)必須精度更高。校驗基準(zhǔn)方案采用移動基準(zhǔn)站實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)(MB-RTK)，即建立在實時處理兩個觀測站的載波相位基礎(chǔ)上的相對定位技術(shù)，基準(zhǔn)站(艦載)通過數(shù)據(jù)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(biāo)分析

根據(jù)飛行校驗理論，校驗精度(即校驗基準(zhǔn)精度)至少應(yīng)為被校設(shè)備系統(tǒng)精度的3倍以上。根據(jù)國外同類著艦引導(dǎo)系統(tǒng)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(zhǔn)的要求應(yīng)為：水平定位誤差優(yōu)于0.41 m，垂直定位誤差優(yōu)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(zhuǎn)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(zhǔn)站的高精度相對定位關(guān)鍵技術(shù)

基于移動基準(zhǔn)站的高精度相對定位的關(guān)鍵技術(shù)主要包括周跳檢測修復(fù)技術(shù)和整周模糊度求解技術(shù)。

2.2.1 周跳檢測與修復(fù)技術(shù)

由于動態(tài)測量環(huán)境比較復(fù)雜，測量中會經(jīng)常出現(xiàn)周跳現(xiàn)象。如果周跳不能及時發(fā)現(xiàn)并正確處理，將嚴(yán)重影響后續(xù)定位結(jié)果。通過查閱相關(guān)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(guān)系觀測值法、TurboEdit方法、多普勒積分法等，這些檢測方法與應(yīng)用背景密切相關(guān)。為選擇合適的檢測方法，建立了不同方法的數(shù)學(xué)模型并通過實驗驗證，最終確定適合動態(tài)校驗基準(zhǔn)獲取的周跳檢測方法是聯(lián)合使用多普勒積分法和TurboEdit方法。

目前周跳修復(fù)方法主要有TurboEdit方法和附加模糊度參數(shù)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(shù)據(jù)預(yù)處理(周跳檢測)時對發(fā)生周跳衛(wèi)星的觀測值進行修復(fù)，因此在構(gòu)建觀測方程模糊度初始化時，當(dāng)前的觀測值信息都能被充分利用；但是修復(fù)的周跳大小受偽距測量精度影響，一旦發(fā)生修復(fù)錯誤會引入粗差，嚴(yán)重影響模糊度求解的可靠性。附加模糊度參數(shù)法，即將發(fā)生周跳的衛(wèi)星重置模糊度參數(shù)求解，若未發(fā)生周跳的模糊度大于三個，則可利用已知的未發(fā)生周跳衛(wèi)星模糊度修復(fù)發(fā)生周跳衛(wèi)星的模糊度；該方法在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后進行周跳修復(fù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理時只進行周跳檢測，并且利用了未發(fā)生周跳衛(wèi)星求解高精度的基線矢量信息，因此附加模糊度參數(shù)方法非?？煽浚趯嶒炛幸搏@得了較高的修復(fù)精度。

2.2.2 整周模糊度求解技術(shù)

整周模糊度的求解方法主要有測量域、坐標(biāo)域(模糊度函數(shù))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(rèn)為理論最嚴(yán)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(shù)解。多歷元整周模糊度求解的思想是根據(jù)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(shù)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(xiàn)動態(tài)校驗對基準(zhǔn)精度的嚴(yán)格要求，采用二級導(dǎo)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(guān)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(dǎo)航計算中，第二級算法可以通過載艦和飛機對可見衛(wèi)星對的雙差觀測量移除系統(tǒng)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(tài)實驗，第二組為雙動態(tài)實驗。

2.4.1 單動態(tài)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(shè)置一動態(tài)GNSS天線，作低速率圓周運動，數(shù)據(jù)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(lián)合解算，然后將b1-b2的結(jié)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(jié)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(jié)果精度在0.1 m以內(nèi)，因此可以認(rèn)為相對定位的基線解精度優(yōu)于0.1 m。

圖4 基線b1和b2作差結(jié)果

2.4.2 雙動態(tài)實驗

試驗條件：試驗采用移動基準(zhǔn)載體、移動載體，采用所研究的相對定位算法，進行雙動態(tài)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(shù)據(jù)采樣率為5 Hz。

圖5給出了移動載體與移動基準(zhǔn)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(yōu)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(zhǔn)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(tài)校驗數(shù)據(jù)誤差處理

由于艦船在航行或停泊時受到風(fēng)浪、潮汐等洋流復(fù)雜的沖擊和影響，使船體姿態(tài)和位置形狀發(fā)生動態(tài)變化，艦載微波著艦引導(dǎo)設(shè)備的校驗數(shù)據(jù)處理，除了與陸基同類系統(tǒng)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(zhǔn)的校驗數(shù)據(jù)。

鑒于微波著艦設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)面臨的復(fù)雜環(huán)境和特殊的測量過程，系統(tǒng)著重考慮數(shù)據(jù)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(huán)境與設(shè)備狀態(tài)擾動引起的誤差；系統(tǒng)誤差，主要包括微波著艦設(shè)備本身的調(diào)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(shè)備的精度或靠增加設(shè)備數(shù)量來提高精度既有困難也不經(jīng)濟。目前，廣泛采用的設(shè)計策略是通過先進的數(shù)據(jù)后期處理方法來彌補設(shè)備精度的不足，即充分利用該型設(shè)備動態(tài)校驗的歷史數(shù)據(jù)，綜合統(tǒng)計學(xué)與現(xiàn)代信號處理技術(shù)，分離測量誤差，以提高校驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的精確度。根據(jù)上述設(shè)計思想，通過對微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)歷史校飛殘差的分析與處理，得到系統(tǒng)的一些先驗特征，如殘差特性、誤差模型等，并將校飛數(shù)據(jù)處理的結(jié)果應(yīng)用到實測中，處理流程如圖7所示。

圖7 基于歷史數(shù)據(jù)分析的動態(tài)校驗誤差處理流程

4 實驗驗證

4.1 飛行實驗與結(jié)果

采用無人直升機作為飛行平臺，掛載相應(yīng)的校驗任務(wù)載荷完成對微波著艦引導(dǎo)系統(tǒng)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(tài)校驗系統(tǒng)的有效性，提前將艦載精密測距設(shè)備的系統(tǒng)固定延時進行了調(diào)整，使微波著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的測距結(jié)果有+40m的偏差。

第一次飛行檢驗的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖8～10所示，第二次飛行檢驗的數(shù)據(jù)分析結(jié)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(jié)果分析與結(jié)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(nèi)；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(diào)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(nèi)；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(diào)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(shè)備的調(diào)整是一致的。實驗表明，本文提出的微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗方案是可行的、有效的。

5 結(jié)束語

本文針對微波著艦引導(dǎo)設(shè)備的動態(tài)校驗面臨的現(xiàn)實問題，結(jié)合艦載機著艦引導(dǎo)信息精準(zhǔn)需求，提出了動態(tài)校驗系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，構(gòu)建校驗系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的技術(shù)途徑方法，重點對校驗基準(zhǔn)的精度要求、獲取方法以及校驗數(shù)據(jù)的誤差處理等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究，通過仿真數(shù)據(jù)和飛行實驗數(shù)據(jù)對比分析等手段，驗證了微波著艦引導(dǎo)設(shè)備動態(tài)校驗系統(tǒng)方案的可行性和有效性，研究結(jié)論對艦載航空導(dǎo)航設(shè)備動態(tài)校驗技術(shù)發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義，對提高艦載航空導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和實效性具有一定的實踐價值，成果可推廣應(yīng)用到陸基系列航空導(dǎo)航設(shè)備實現(xiàn)快速校驗系統(tǒng)建設(shè)中。