全自動(dòng)主著陸/著艦引導(dǎo)數(shù)據(jù)解算與融合算法

王偉鋼

（海軍裝備部，西安710089）

全自動(dòng)自主著陸/著艦，可以有效減輕飛行員操作負(fù)擔(dān)與風(fēng)險(xiǎn)，有效解決惡劣氣象條件下，民用/軍用航空飛行安全，實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛行器自動(dòng)著陸/著艦。該項(xiàng)技術(shù)受到了高度重視，美軍先后研發(fā)了全天候航母著艦系統(tǒng)（見圖1）等一系列自主著陸/著艦系統(tǒng)[1-2]。在這些系統(tǒng)中，艦載機(jī)自主著艦對(duì)定位精度的要求非常高，精確定位是其中一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，其主要功能是為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供精確且高可靠性的輸入信息，即飛行器與理想著陸/著艦點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系。常用的引導(dǎo)方式有雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航、偽衛(wèi)星基站和視覺(jué)引導(dǎo)等。這些手段在引導(dǎo)精度、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)性能方面各有特點(diǎn)，單獨(dú)使用其中一種手段難以達(dá)到非常理想的效果。

為解決定位精度的問(wèn)題，大量文獻(xiàn)進(jìn)行了針對(duì)性的研究。文獻(xiàn)[3]論述了GPS和雷達(dá)組合應(yīng)用中存在的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]采用了最小二乘法解算GPS與雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)方程，但是該方法對(duì)目標(biāo)精度的定位遠(yuǎn)達(dá)不到自主著艦的要求精度。文獻(xiàn)[5-7]采用了ADS-B和GPS進(jìn)行信息融合來(lái)解算相對(duì)位置信息。

本文針對(duì)艦載機(jī)全自動(dòng)自主著陸/著艦中對(duì)飛機(jī)定位精確要求高的需求，提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航和雷達(dá)聯(lián)合進(jìn)行信息融合精確定位算法。在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，采用了可以提供高精度的載波相位差分技術(shù)針對(duì)定位跟蹤過(guò)程中存在異常數(shù)據(jù)，采用了野值剔除技術(shù)。然后，將兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行序貫融合，得到高精度的目標(biāo)相對(duì)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法有效提高了對(duì)飛機(jī)的定位精度。

1 載波相位差分定位

載波相位差分定位技術(shù)利用站間、星間雙差技術(shù)，實(shí)現(xiàn)參考站和移動(dòng)站之間動(dòng)態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)基線向量的精確解算。參考站（主站）選在理想著艦點(diǎn)，引導(dǎo)站（從站）為艦載機(jī)質(zhì)心。

首先，利用主站和從站接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)中同一歷元的觀測(cè)值（相位信息）進(jìn)行雙差處理，構(gòu)造出基于載波相位信息的觀測(cè)方程。其模型可以消除時(shí)鐘誤差影響，以及部分電離層延遲誤差和對(duì)流層誤差延遲誤差，有效提高定位精度。

站間取單差：

站間、星間取雙差：

鑒于接收站之間相距較近，電離層和對(duì)流層延遲可以相互抵消。同時(shí)，整周計(jì)數(shù)已知，可以設(shè)：

式（4）可以簡(jiǎn)化為：

式（5）中：

由式（2）～（7）可以看出，通過(guò)雙差，接收機(jī)鐘差的影響已經(jīng)消失，大氣層折射殘差的二次差可以略去不計(jì)，這是雙差模型的突出優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)接收站i、j和衛(wèi)星m、n的ECEF的坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)、(xm,ym,zm)、(xn,yn,zn)。(xm,ym,zm)、(xn,yn,zn)可以通過(guò)星歷數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到，而(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)是未知的。

假設(shè)參考站位置(xi,yi,zi)已知，則在(xi,yi,zi)、(xj0,yj0,zj0)處進(jìn)行一階泰勒展開，等式兩邊乘以λ得：

當(dāng)基線向量較小時(shí)，移動(dòng)站坐標(biāo)與參考站坐標(biāo)近似相等時(shí)，可得(xi,yi,zi)=(xj0,yj0,zj0)，式（9）為：

假設(shè)可用衛(wèi)星數(shù)為p個(gè)，則可以得到p-1個(gè)上述方程構(gòu)成的方程組。該方程組即為最終的觀測(cè)方程，其中[δxjδyjδzj]為動(dòng)對(duì)動(dòng)定位中待求的基線向量，?ΔNi(t0)（i=1,2,…,p-1）為整周模糊數(shù)。

可以采用最小二乘模糊度去相關(guān)調(diào)整算法LAMBDA算法對(duì)基線向量和整周模糊數(shù)進(jìn)行解算，并采用卡爾曼濾波器，對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行序貫估計(jì)。

2 野值剔除及序貫融合定位技術(shù)

2.1 野值剔除

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，外界環(huán)境的干擾很容易造成在模糊周期解算錯(cuò)誤，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)的估計(jì)狀態(tài)嚴(yán)重偏離目標(biāo)真值。同時(shí)，在雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時(shí)，由于多種偶然因素的綜合影響或作用，也會(huì)存在數(shù)據(jù)點(diǎn)嚴(yán)重偏離目標(biāo)真值的現(xiàn)象，這類異常數(shù)據(jù)為野值。為此，本文針對(duì)跟蹤過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)，結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)，采用野值剔除對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

定義預(yù)測(cè)殘差：

v(k+1)是均值為零的高斯隨機(jī)過(guò)程，其協(xié)方差矩陣為：

式（12）中：P(k+1|k)為預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣；R(k+1)為量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣。

利用預(yù)測(cè)殘差的統(tǒng)計(jì)特性式對(duì)量測(cè)Z(k+1)的每個(gè)分量進(jìn)行判別。

式（13）中：vi(k+1)表示v(k+1)的第i個(gè)分量，下標(biāo)i表示矩陣對(duì)角線上的第i變?cè)?；C為常數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況選取。

若式（13）成立，則判定Zi(k+1)為正常測(cè)量，反之為野值。Z(k+1)中只要有一維分量為野值，即確定為野值，反之為正常值。

2.2 序貫融合定位技術(shù)

載波相位差分定位算法精度可以達(dá)到厘米級(jí)，能夠?yàn)轱w行器自主著艦提供有效引導(dǎo)信息。但是，由于遮擋、干擾等因素影響，定位精度會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)異常。因此，采用精密引導(dǎo)雷達(dá)與載波相位差分定位信息相互融合方法，可以在保證引導(dǎo)精度的同時(shí)，有效提升引導(dǎo)的可靠性和穩(wěn)定性。

已知融合中心在k時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的融合估計(jì)值為|k，相應(yīng)的誤差協(xié)方差陣為Pk|k，則融合中心對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一步預(yù)測(cè)為：

由于雷達(dá)和衛(wèi)星在同一時(shí)刻測(cè)量測(cè)噪聲之間互不相同，所以可以按照先衛(wèi)星后雷達(dá)的順序?qū)δ繕?biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)值進(jìn)行序貫更新。其中，雷達(dá)的量測(cè)對(duì)于融合狀態(tài)估計(jì)值的更新為：

衛(wèi)星對(duì)融合狀態(tài)估計(jì)值更新為：

則最終融合的狀態(tài)估計(jì)為：

綜上所述，兩類數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的總流程為：

步驟1：融合處理中心接收到雷達(dá)與導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的載波相位差分定位數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行空間對(duì)準(zhǔn)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。

步驟2：針對(duì)各自的觀測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行跟蹤濾波，根據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的野值剔除技術(shù)，將量測(cè)質(zhì)量非常差的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)剔除掉，保留質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理。

步驟3：利用剔除野值的高質(zhì)量載波相位差分定位數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)的系統(tǒng)偏差進(jìn)行估計(jì)，并將其反饋至雷達(dá)觀測(cè)值中，以補(bǔ)償系統(tǒng)偏差對(duì)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

步驟4：采用序貫融合技術(shù)，對(duì)剔除野值的雷達(dá)和載波相位差分定位數(shù)據(jù)的原始觀測(cè)值進(jìn)行融合處理，獲得高采樣率、高精度和高可靠性的引導(dǎo)信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)自主著艦/著陸對(duì)引導(dǎo)信息精度和可靠性提出了非常高的要求。本文提出了一種利用載波相位差分導(dǎo)航數(shù)據(jù)和精密引導(dǎo)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合精確定位算法。為提高衛(wèi)星定位精度，采用了載波相位差分技術(shù)，針對(duì)跟蹤過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)，采用了野值剔除技術(shù)，最后對(duì)兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行異類序貫融合技術(shù)，有效提高了定位精度和可靠性，可以為后續(xù)裝備發(fā)展提供有益的參考借鑒。同時(shí)，文中給出的多源異類序貫融合技術(shù)還可以為其他類型引導(dǎo)信息的融合使用提供了一種可行的技術(shù)思路。

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