北斗三頻海基JPALS無(wú)故障導(dǎo)航算法

王官龍，崔曉偉，陸明泉

清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084

北斗三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法

王官龍，崔曉偉*，陸明泉

清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084

基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的?；苓M(jìn)近與著陸系統(tǒng)(JPALS)是未來(lái)艦載機(jī)自主著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。針對(duì)當(dāng)前?；鵍PALS導(dǎo)航算法的研究都是基于雙頻觀測(cè)量，存在無(wú)幾何濾波時(shí)間長(zhǎng)、要求的偽距觀測(cè)量精度較苛刻的問(wèn)題，提出一種在北斗(BDS)?；鵍PALS中使用三頻觀測(cè)量的無(wú)故障導(dǎo)航算法。通過(guò)對(duì)在中國(guó)東海釣魚(yú)島海域7天時(shí)間使用該導(dǎo)航算法用于精密進(jìn)近引導(dǎo)的性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：該北斗?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法使用B1/B2寬巷和B1/B3中巷組合的無(wú)幾何模糊度預(yù)濾波架構(gòu)只需要8 min無(wú)幾何濾波時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)?；鵍PALS要求的性能，而且其對(duì)偽距觀測(cè)量的精度要求甚至可以放寬到50 cm，使北斗海基JPALS的可用性性能大大提高。此外，載波相位觀測(cè)量精度不能超過(guò)0.7 cm時(shí)，該北斗三頻?；鵍PALS算法能在3 n mile外就實(shí)現(xiàn)模糊度固定，使高精度載波相位提早用于?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)。

?；鵍PALS；北斗；三頻；無(wú)幾何預(yù)濾波；觀測(cè)量精度

美國(guó)海軍基于GPS差分載波相位相對(duì)定位技術(shù)發(fā)展的?；苓M(jìn)近與著陸系統(tǒng)(Sea-Based Joint Precision Approach and Landing System， SB-JPALS)，實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)在極端氣象條件和復(fù)雜電磁環(huán)境下自動(dòng)引導(dǎo)著艦，極大提高了著艦效率和安全性。為保證著艦安全，海基JPALS對(duì)定位精度、完好性、連續(xù)性、可用性都提出了很高的要求：完好性風(fēng)險(xiǎn)<1×10-7，垂直告警限(Vertical Alert Limit，VAL)<1.1 m，可用性>0.997[1]。

海基JPALS使用載波相位作為觀測(cè)量實(shí)現(xiàn)高精度定位，首先必須在飛行中可靠地解決模糊度固定問(wèn)題[2]。美國(guó)為其設(shè)計(jì)了一種使用GPS雙頻觀測(cè)量的無(wú)故障導(dǎo)航算法架構(gòu)，其算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為前后緊密相聯(lián)的兩個(gè)階段：第1階段是在艦載機(jī)接近航母前，艦載海基JPALS計(jì)算機(jī)和航母?；鵍PALS參考站處理系統(tǒng)分別獨(dú)立地進(jìn)行無(wú)幾何的非差寬巷(Wide-Lane, WL)模糊度低通濾波處理，估計(jì)出高精度的無(wú)幾何非差寬巷模糊度的浮點(diǎn)值及其方差；第2階段是在艦載機(jī)接近航母(距離小于0.25 n mile)時(shí)，艦載?；鵍PALS計(jì)算機(jī)在本地聯(lián)合收到航母海基JPALS參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)，組成雙差相對(duì)定位觀測(cè)方程，幾何冗余固定模糊度，求解相對(duì)位置向量[3-4]，估計(jì)定位完好性和可用性。在載波相對(duì)定位中，為提高第2階段的相對(duì)位置向量估計(jì)精度，應(yīng)盡可能多地固定模糊度整數(shù)值，但為保證定位誤差滿足系統(tǒng)完好性風(fēng)險(xiǎn)要求，幾何冗余模糊度的錯(cuò)誤固定概率又必須小于設(shè)定的數(shù)值，這些需求對(duì)當(dāng)前的北斗(BDS)實(shí)際偽距(33 cm[5])和載波相位測(cè)量值精度來(lái)說(shuō)，第1階段的無(wú)幾何低通濾波大約需要15 min以上的連續(xù)時(shí)間[6-7]。一旦在無(wú)幾何濾波過(guò)程中，因艦載機(jī)高動(dòng)態(tài)、嚴(yán)重的多徑、干擾等導(dǎo)致信號(hào)失鎖，發(fā)生周跳，則整個(gè)預(yù)濾波過(guò)程就可能要重啟，這嚴(yán)重威脅海基JPALS第2階段的幾何冗余算法可用性。

當(dāng)前，北斗系統(tǒng)為授權(quán)用戶提供3個(gè)頻率的導(dǎo)航信號(hào)，三頻觀測(cè)量不僅對(duì)飛行中可靠的周跳檢測(cè)有極大優(yōu)勢(shì)[8]，而且能提供更多的冗余觀測(cè)量，明顯增強(qiáng)?；鵍PALS的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(RAIM)能力[9]。本文在參考GPS 海基JPALS雙頻導(dǎo)航算法架構(gòu)的基礎(chǔ)上[6]，將其無(wú)故障導(dǎo)航算法的處理思路拓展到使用北斗三頻信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種新的基于北斗三頻觀測(cè)量的海基JPALS無(wú)故障導(dǎo)航算法。通過(guò)在中國(guó)東海海域，對(duì)北斗?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)性能仿真結(jié)果顯示：與北斗雙頻導(dǎo)航算法架構(gòu)相比，在相同的載波相位測(cè)量精度下，使用北斗三頻算法架構(gòu)能明顯縮短需要的無(wú)幾何低通濾波時(shí)間，放寬對(duì)偽距測(cè)量精度要求，極大地提高了系統(tǒng)可用性；而且該三頻海基JPALS算法能在距離航母3 n mile就實(shí)現(xiàn)模糊度固定，使高精度載波相位觀測(cè)量提早用于故障檢測(cè)，極大地提高了載波相位觀測(cè)量的使用效率。此外，該三頻?；鵍PALS算法應(yīng)用非常靈活，在北斗某一頻點(diǎn)存在干擾無(wú)法使用時(shí)，能自動(dòng)退化到使用雙頻觀測(cè)量的算法架構(gòu)，具有極強(qiáng)的系統(tǒng)魯棒性。通過(guò)本文的研究，可為將來(lái)中國(guó)發(fā)展基于北斗系統(tǒng)的?；鵍PALS的算法選擇提供參考。

1 算法數(shù)學(xué)模型

北斗三頻海基JPALS導(dǎo)航算法基本處理思路采用與雙頻架構(gòu)相似的兩階段導(dǎo)航算法。該兩階段無(wú)故障導(dǎo)航算法的成功基礎(chǔ)是第1階段的無(wú)幾何組合模糊度低通濾波處理，為保證第2階段的相對(duì)定位結(jié)果完好性，一般要求幾何冗余模糊度錯(cuò)誤固定概率小于系統(tǒng)整體的完好性風(fēng)險(xiǎn)概率一個(gè)數(shù)量級(jí)，本文中設(shè)定允許的最大模糊度錯(cuò)誤固定概率為1×10-8[2]。

1.1 無(wú)幾何低通濾波處理

北斗3個(gè)頻率的觀測(cè)量可以低通濾波估計(jì)出3組無(wú)幾何的非差組合模糊度浮點(diǎn)值及其方差，分別是：B1/B2寬巷，B1/B3中巷(Medium Lane，ML)，B2/B3超寬巷(Extra Wide Lane，EWL)。這里以北斗B1/B3中巷組合為例說(shuō)明北斗?；鵍PALS的無(wú)幾何非差模糊度低通濾波處理過(guò)程。

用戶對(duì)北斗衛(wèi)星i的B1、B3雙頻載波相位聯(lián)合偽距觀測(cè)量計(jì)算無(wú)幾何非差組合模糊度浮點(diǎn)值的過(guò)程為[6]

(1)

(2)

第1階段的無(wú)幾何非差中巷模糊度低通濾波處理在艦載機(jī)和航母參考站分別獨(dú)立進(jìn)行[2]，分別得到各自的無(wú)幾何中巷模糊度浮點(diǎn)估計(jì)值及其方差。在艦載機(jī)進(jìn)入航母參考站數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)范圍后[2]，開(kāi)始激活第2階段的相對(duì)位置求解處理過(guò)程。

1.2 三頻?；鵍PALS幾何冗余相對(duì)定位算法

當(dāng)機(jī)載?；鵍PALS計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送來(lái)的航母?；鵍PALS參考站低通濾波處理得到的無(wú)幾何模糊度浮點(diǎn)值和方差，以及原始載波相位觀測(cè)量后，就可以對(duì)本地和參考站的無(wú)幾何中巷模糊度浮點(diǎn)值做雙差處理，消除殘留的頻間偏差[1]，對(duì)本地和參考站相同時(shí)間標(biāo)的載波相位觀測(cè)量作雙差處理，消除觀測(cè)量中的衛(wèi)星和本地鐘差誤差、電離層延遲和對(duì)流層延遲誤差、頻間偏差和星歷誤差[10]，然后開(kāi)始相對(duì)定位計(jì)算。

?；鵍PALS使用北斗三頻觀測(cè)量，可以低通濾波處理得到無(wú)幾何的北斗寬巷、中巷和超寬巷3個(gè)組合模糊度的浮點(diǎn)值和其方差，將3個(gè)無(wú)幾何組合模糊度計(jì)算的雙差值表示為單頻雙差模糊度相減的形式，如式(3)～式(5)所示[1,11]。三頻載波相位雙差相對(duì)定位的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(6)～式(8)所示[10]。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(3)～式(5)的3個(gè)無(wú)幾何組合模糊度中，有2個(gè)無(wú)幾何模糊度是不相關(guān)的[10]，從中取2個(gè)雙差模糊度方程，聯(lián)合式(6)～式(8)的載波相位雙差相對(duì)定位方程組成北斗三頻?；鵍PALS的無(wú)故障導(dǎo)航算法數(shù)學(xué)方程[1,4,11]。這樣依據(jù)選取的雙差模糊度的組合不同，有3種形式的三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法可用，分別是：寬巷和中巷組合三頻算法、中巷和超寬巷組合三頻算法、寬巷和超寬巷組合三頻算法。經(jīng)過(guò)仿真分析，寬巷和中巷組合三頻海基JPALS無(wú)故障導(dǎo)航算法具有最好的應(yīng)用性能，因此這里只給出該三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法的相對(duì)定位數(shù)學(xué)方程，對(duì)所有可用衛(wèi)星(假設(shè)在艦載機(jī)和航母間共有n顆可用衛(wèi)星)的雙差方程進(jìn)行聯(lián)合處理，表示為矩陣形式

(9)

式中：G為(n-1)×3的雙差相對(duì)定位幾何觀測(cè)矩陣；I為(n-1)×(n-1)的單位矩陣。將式(9)簡(jiǎn)化為

z=Hx+v

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：Kffd為與系統(tǒng)完好性風(fēng)險(xiǎn)(1×10-7)一致的完好性乘數(shù)，為5.33。當(dāng)VPL

1.3 有單頻干擾時(shí)的切換算法

北斗三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法在處理過(guò)程中，如果某一頻點(diǎn)由于存在干擾或故障而不可用，該三頻算法可以自動(dòng)切換到北斗雙頻海基JPALS算法，從而保持整個(gè)精密進(jìn)近引導(dǎo)過(guò)程的連續(xù)性和可用性。這里假設(shè)北斗B2頻點(diǎn)不可用，則式(9)的三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法方程變?yōu)?/p>

(15)

而其觀測(cè)量誤差協(xié)方差矩陣變?yōu)?/p>

(16)

雙頻算法的狀態(tài)向量求解、模糊度整數(shù)固定、位置向量及誤差方差的更新計(jì)算、性能評(píng)估與三頻算法一致。

2 仿真分析

對(duì)本文設(shè)計(jì)的北斗三頻?；鵍PALS導(dǎo)航算法性能進(jìn)行仿真分析，評(píng)估其對(duì)偽距、載波相位觀測(cè)量精度，以及預(yù)濾波時(shí)間的需求。

2.1 無(wú)幾何模糊度濾波

在艦載機(jī)海基JPALS計(jì)算機(jī)和航母參考站?；鵍PALS計(jì)算機(jī)處分別使用一階馬爾可夫隨機(jī)過(guò)程仿真對(duì)式(1)計(jì)算的無(wú)幾何非差中巷模糊度進(jìn)行低通濾波處理，該低通濾波處理過(guò)程可模型化為一階馬爾可夫隨機(jī)過(guò)程，濾波后的無(wú)幾何模糊度方差可表示為[4]

(17)

(18)

圖1 無(wú)幾何模糊度預(yù)濾波仿真
Fig.1 Geometric-free ambiguity pre-filtering simulation

實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的艦載機(jī)和航母接收機(jī)多徑誤差自相關(guān)常數(shù)為5 s和60 s[1]，為方便仿真分析，這里將艦載機(jī)和航母無(wú)幾何低通濾波的觀測(cè)量多徑誤差自相關(guān)常數(shù)統(tǒng)一設(shè)為60 s[2]。圖1是對(duì)該無(wú)幾何低通濾波過(guò)程中對(duì)北斗B1/B3中巷模糊度在載波相位精度0.7 cm時(shí)的仿真結(jié)果。圖中棕色虛線是在有8顆衛(wèi)星所要求整體的模糊度錯(cuò)誤固定概率低于1×10-8時(shí)，要求的中巷模糊度誤差標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)低于0.08周。

從圖1中看到，在當(dāng)前北斗偽距觀測(cè)量精度為33 cm時(shí)[5]，所需要的預(yù)濾波時(shí)間將近20 min，這一預(yù)濾波時(shí)間長(zhǎng)度要求可在第2階段的幾何冗余模糊度固定方法中壓縮。

2.2 三頻?；鵍PALS觀測(cè)量精度要求

使用式(13)給出低通濾波后模糊度浮點(diǎn)值方差，則其雙差模糊度協(xié)方差矩陣為

(19)

(20)

圖2 北斗三頻?；鵍PALS算法觀測(cè)量精度
Fig.2 Measurements accuracy for BDS triple-frequency sea-based JPALS

為降低仿真復(fù)雜度，合理的設(shè)定仿真中在艦載機(jī)和航母參考站有相同的觀測(cè)量精度、濾波時(shí)間[2]。圖2是在8 min(包括無(wú)幾何濾波時(shí)間和幾何冗余定位時(shí)間，因幾何冗余定位處理時(shí)間很短，只有十幾秒，因此本文統(tǒng)稱為無(wú)幾何低通濾波時(shí)間)無(wú)幾何濾波時(shí)間下使用北斗三頻海基JPALS寬巷和中巷組合算法、中巷和超寬巷組合算法、寬巷和超寬巷組合算法的偽距和載波相位觀測(cè)量精度仿真結(jié)果。從圖2看到，在北斗三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法中：① 寬巷和中巷組合算法性能最好，對(duì)偽距測(cè)量精度的要求最寬，載波相位測(cè)量精度0.7 cm時(shí)(實(shí)際測(cè)量中，高精度接收機(jī)對(duì)載波相位跟蹤精度可達(dá)到0.01周，換算為長(zhǎng)度大約為0.2 cm，如果加上使用陣列天線引入0.01～0.02周的誤差和從接收機(jī)天線到艦載機(jī)起落架的換算誤差，總的載波相位誤差為0.6 cm，因此0.7 cm載波相位精度設(shè)定能夠滿足北斗?；鵍PALS實(shí)際使用需求)[1]，偽距精度要求可放寬到40 cm(對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)偽距精度為33 cm)[5]；② 寬巷和超寬巷組合算法的性能最差，8 min的濾波時(shí)間不足以固定足夠數(shù)量的模糊度，不宜在北斗三頻海基JPALS算法中采用；③ 中巷和超寬巷組合算法的性能居中，當(dāng)前的偽距測(cè)量精度能夠滿足其要求。綜上所述，北斗三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法應(yīng)采用寬巷和中巷組合的無(wú)幾何模糊度濾波算法。

2.3 三頻?；鵍PALS精密進(jìn)近性能

將2.2節(jié)仿真分析得到的滿足?；鵍PALS性能需求的北斗三頻觀測(cè)量精度和濾波時(shí)間數(shù)據(jù)，用于?；鵍PALS的精密進(jìn)近性能仿真。

艦載機(jī)從決定返航開(kāi)始，在距離航母大約為15 n mile時(shí)，進(jìn)入航母戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)范圍，在距離航母3 n mile時(shí)，航母自動(dòng)著艦系統(tǒng)引導(dǎo)操作啟動(dòng)，大約0.5 n mile時(shí)，航母光學(xué)助降系統(tǒng)開(kāi)始工作，艦載機(jī)據(jù)此下滑著艦[18-20]。依據(jù)典型的艦載機(jī)引導(dǎo)著艦過(guò)程，特將北斗?；鵍PALS的艦載機(jī)引導(dǎo)精密進(jìn)近著艦過(guò)程模型化為如下過(guò)程[16]：① 艦載機(jī)在距離航母20 n mile外開(kāi)啟艦載海基JPALS處理計(jì)算機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行無(wú)幾何模糊度低通濾波處理，使得到最后著艦，大約有8 min以上的無(wú)幾何模糊度濾波時(shí)間；② 在距離航母3 n mile處開(kāi)啟?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)操作處理，包括組成三頻載波相位雙差相對(duì)定位觀測(cè)方程、聯(lián)合寬巷和中巷無(wú)幾何模糊度、固定滿足?；鵍PALS完好性風(fēng)險(xiǎn)要求的部分單頻模糊度整數(shù)、解算艦載機(jī)相對(duì)航母的相對(duì)位置、計(jì)算完好性風(fēng)險(xiǎn)和可用性(為說(shuō)明北斗三頻?；鵍PALS定位引導(dǎo)質(zhì)量，仿真中在精密進(jìn)近中每一個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行幾何冗余的相對(duì)位置解算、完好性計(jì)算和可用性判斷等處理)；③ 在精密進(jìn)近引導(dǎo)操作過(guò)程中，設(shè)定艦載機(jī)沿3°迎角直線下滑著艦，且一直保持140 n mile/h的速度不變，直到艦載機(jī)接觸航母觸艦點(diǎn)。

精密進(jìn)近仿真分析條件的設(shè)置大致與北斗三頻?；鵍PALS的觀測(cè)量精度性能要求仿真處理一致，除了將仿真間隔調(diào)整為10 min進(jìn)行一次精密進(jìn)近引導(dǎo)仿真，相對(duì)定位頻率1 Hz，在7天的仿真時(shí)間內(nèi)共有1 008條精密進(jìn)近引導(dǎo)操作下滑線。

圖3 北斗三頻?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)性能
Fig.3Performance of precise approach for BDS triple-frequency SB -JPALS

圖3采用寬巷和中巷組合對(duì)無(wú)幾何模糊度進(jìn)行低通濾波處理，預(yù)濾波時(shí)間8 min時(shí)的北斗三頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法的精密進(jìn)近引導(dǎo)性能仿真結(jié)果。其中，為以更加形象的方式說(shuō)明北斗觀測(cè)量(偽距和載波相位)精度對(duì)北斗三頻?；鵍PALS引導(dǎo)質(zhì)量的影響，圖3中同時(shí)給出了3種觀測(cè)量精度時(shí)，?；鵍PALS精密進(jìn)行引導(dǎo)質(zhì)量曲線。其中紅色實(shí)線是?；鵍PALS引導(dǎo)質(zhì)量要求的VAL[16]。

圖3中，為了更清晰地顯示北斗三頻?；鵍PALS的引導(dǎo)質(zhì)量，這里情況1(藍(lán)線)為精密進(jìn)近仿真曲線中VPL最大的一條，看到在偽距測(cè)量精度40 cm，載波相位測(cè)量精度0.7 cm的觀測(cè)量精度下，北斗三頻?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)可用性達(dá)到100%。情況2(綠線)為所有在精密進(jìn)近仿真曲線中VPL有超過(guò)VAL的曲線，從圖3中看到只在距離航母0.25 n mile左右的引導(dǎo)性能不能滿足?；鵍PAS要求，但是在0.2 n mile以內(nèi)的引導(dǎo)性能完全滿足海基JPALS引導(dǎo)質(zhì)量要求，整體的導(dǎo)航可用性達(dá)到99.89%，符合?；鵍PALS可用性要求。情況3(青色線)中，從右開(kāi)始VPL值等于VAL的情形表示精密進(jìn)近仿真中模糊度整數(shù)固定達(dá)不到完好性風(fēng)險(xiǎn)要求階段，這里也只畫(huà)出了所有模糊度達(dá)不到固定要求的曲線，看到：將載波相位測(cè)量精度放寬到0.8 cm，系統(tǒng)的可用性急劇降低，滿足幾何冗余模糊度固定概率要求的可用性只有17%，即使載波相位測(cè)量精度為0.75 cm時(shí)，滿足幾何冗余模糊度固定概率要求的可用性也只有97%，說(shuō)明北斗三頻海基JPALS采用寬巷和中巷無(wú)幾何模糊度組合的無(wú)故障導(dǎo)航算法載波相位觀測(cè)量精度不宜超過(guò)0.7 cm。

在北斗三頻?；鵍PALS某一頻點(diǎn)不可用時(shí)，該三頻算法自動(dòng)轉(zhuǎn)化為雙頻海基JPALS導(dǎo)航算法，對(duì)北斗雙頻?；鵍PALS算法的精密進(jìn)近引導(dǎo)性能進(jìn)行仿真分析，仿真條件的設(shè)定與三頻算法精密進(jìn)近引導(dǎo)仿真一致,圖4為北斗雙頻?；鵍PALS無(wú)故障導(dǎo)航算法精密進(jìn)近引導(dǎo)性能仿真結(jié)果。北斗三頻?；鵍PALS轉(zhuǎn)化為雙頻海基JPALS有3種情況：情況1是在B3頻點(diǎn)不可用時(shí)，轉(zhuǎn)化為B1/B2寬巷雙頻海基JPALS，設(shè)定要求的偽距測(cè)量精度為35 cm，載波相位測(cè)量精度為0.8 cm，無(wú)幾何濾波時(shí)間為13 min，系統(tǒng)可用性能達(dá)到99.72%，且在0.1 n mile內(nèi)的精密進(jìn)近引導(dǎo)性能全部滿足?；鵍PALS要求，仿真結(jié)果如圖4(a)綠色線所示；情況2是在北斗B2頻點(diǎn)不可用時(shí)，三頻?；鵍PALS算法轉(zhuǎn)化為B1/B3中巷雙頻算法，在設(shè)定偽距測(cè)量精度為35 cm，載波相位測(cè)量精度為0.7 cm，無(wú)幾何濾波時(shí)間為13 min時(shí)，系統(tǒng)的可用性達(dá)到99.86%，且在0.25 n mile內(nèi)精密進(jìn)近引導(dǎo)性能全部滿足海基JPALS要求，仿真結(jié)果如圖4(a)藍(lán)色線所示(其中，為清晰顯示北斗雙頻?；鵍PALS精密引導(dǎo)性能，這里只給出了精密進(jìn)近中VPL有超過(guò)VAL情況的曲線)；情況3是在北斗B1頻點(diǎn)不可用時(shí)，B2/B3超寬巷模糊度雖然波長(zhǎng)較長(zhǎng)，超寬巷模糊度整數(shù)值較容易固定(距離航母10 n mile就可固定超寬巷模糊度)，但是超寬巷雙頻算法并不能滿足?；鵍PALS的最后精密進(jìn)近階段的精度要求，圖4(b)為無(wú)幾何濾波時(shí)間為10 min，偽距精度為40 cm，載波相位測(cè)量精度為0.5 cm時(shí)的北斗超寬巷?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)質(zhì)量曲線。

圖4 北斗雙頻?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)性能
Fig.4Performance of precise approach for BDS dual-frequency SB -JPALS

在圖4(a)的北斗寬巷和中巷雙頻?；鵍PALS算法中，如繼續(xù)放寬對(duì)載波相位的測(cè)量精度，將不能滿足?；鵍PALS可用性要求，而放寬偽距精度要求就必須增加無(wú)幾何濾波時(shí)間。對(duì)于北斗B1頻點(diǎn)不可用的北斗超寬巷?；鵍PALS算法，即使加長(zhǎng)濾波時(shí)間，一般只能固定3～4顆衛(wèi)星的單頻模糊度，導(dǎo)致定位算法的衛(wèi)星空間幾何較差，且故障檢測(cè)能力也不強(qiáng)，因此先濾波后固定模糊度的兩階段?；鵍PALS導(dǎo)航算法思路并不適合，需要研究新的導(dǎo)航算法架構(gòu)，一種可行的方法是借鑒民航的單頻精密進(jìn)近引導(dǎo)算法，但也存在需要較長(zhǎng)時(shí)間模糊度固定和有幾何定位可靠性不高問(wèn)題，這一問(wèn)題是下一階段?；鵍PALS算法研究的方向。

3 結(jié) 論

對(duì)北斗?；鵍PALS使用三頻觀測(cè)量的無(wú)故障導(dǎo)航算法進(jìn)行了研究。在給出該相應(yīng)算法的數(shù)學(xué)方程及觀測(cè)量協(xié)方差矩陣后，使用仿真分析方法，對(duì)該方法在中國(guó)東海釣魚(yú)島海域的?；鵍PALS精密進(jìn)近引導(dǎo)性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示：

1) 北斗三頻?；鵍PALS在偽距觀測(cè)量精度為40 cm，載波相位測(cè)量精度為0.7 cm時(shí)，只需要8 min無(wú)幾何濾波時(shí)間，能完全滿足海基JPALS在3 n mile內(nèi)的精密進(jìn)近引導(dǎo)質(zhì)量性能需求，即使將偽距測(cè)量精度要求放寬到50 cm，也能滿足距離航母0.2 n mile內(nèi)的?；鵍PALS性能需求，但是該三頻算法使用的限制條件是載波相位測(cè)量精度不能超過(guò)0.7 cm，否則將不能滿足完好性風(fēng)險(xiǎn)要求的模糊度正確固定概率。

2) 北斗?；鵍PALS三頻算法相比雙頻算法，能明顯縮短需要的無(wú)幾何低通濾波時(shí)間，放寬對(duì)偽距測(cè)量精度要求，極大的提高北斗?；鵍PALS的可用性。

需要說(shuō)明的是，本文使用仿真分析方法驗(yàn)證了北斗三頻?；鵍PALS的良好性能，本文對(duì)觀測(cè)量誤差作了簡(jiǎn)化處理，只基于常見(jiàn)誤差源給出了統(tǒng)一的觀測(cè)量精度要求，而海基JPALS的實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，還存在射頻干擾、天線相位中心變化、載體運(yùn)動(dòng)引起的天線旋轉(zhuǎn)偏差、參考站測(cè)量值位置轉(zhuǎn)換誤差、為抗干擾使用陣列天線引入的誤差等沒(méi)有單獨(dú)給出誤差精度模型。因此，以后的北斗?；鵍PALS工程發(fā)展中，還需要對(duì)實(shí)際環(huán)境中上述多種觀測(cè)誤差進(jìn)行研究、評(píng)估，進(jìn)行建模分析，給出符合實(shí)際使用環(huán)境的觀測(cè)量精度模型，保證系統(tǒng)的實(shí)用性。同時(shí)，北斗是一個(gè)包含地球同步軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)和MEO 3類衛(wèi)星的異構(gòu)導(dǎo)航星座，3種衛(wèi)星由于相對(duì)用戶的空間幾何變化速度不同，導(dǎo)致?；鵍PALS使用的最優(yōu)無(wú)幾何濾波時(shí)間在不同類型衛(wèi)星間是不同的，如何更好地利用北斗特殊星座的優(yōu)勢(shì)，提高其在?；鵍PALS完好性、可用性性能是以后北斗海基JPALS的重要研究方向。

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Triple-frequencysea-basedJPALSfault-freenavigationalgorithmforBDS

WANGGuanlong1,*,CUIXiaowei1,LUMingquan1

DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

Basedonthenavigationsatellitesystem,sea-basedJointPrecisionApproachandLandingSystem(JPALS)representsthedirectionoffuturedevelopmentoftheshipboardaircraftauto-landingtechnology.Thecurrentresearchesonsea-basedJPALSnavigationalgorithmisbasedondual-frequencymeasurements,whichhastheproblemoflonggeometric-freefilteringperiodandstringentrequirementoftheaccuracyofpseudo-rangemeasurements.Sointhisdissertation,prototypealgorithmsforsea-basedJPALSbasedontriple-frequencymeasurementsofBeidouNavigationSatelliteSystem(BDS)isproposed.Theresultsof7dayssimulationanalysisatseaareaofChinaDiaoyuislandsshowthatitonlytakes8minofgeometric-freefilteringtimeforthisthree-frequencynavigationalgorithmtoachievetherequiredperformanceofsea-basedJPALSbyusingtheB1/B2Wide-LaneandB1/B3Medium-Lanecombinationfortriple-frequencygeometric-freeambiguitypre-filteringalgorithm.AndtheavailabilityperformanceofBDStriple-frequencysea-basedJPALScanbeenhancedgreatlyeveniftheaccuracyofpseudo-rangemeasurementsisrelaxedtoasmuchas50cm.AndanotheradvantageofthisBDStriple-frequencysea-basedJPALSalgorithmis,whentheaccuracyofthecarrierphasemeasurementsiswithin0.7cm,itcanfixtheambiguityat3nmileawayfromtheaircraftcarrier,whichleadstotheearlierapplicationofhighprecisioncarrierphasemeasurementstotheBDSsea-basedJPALSintegritymonitoring.

sea-basedJPALS;BeidouNavigationSatelliteSystem(BDS);triple-frequency;geometric-freepre-filtering;measurementsaccuracy

2017-04-21；

2017-05-15；

2017-07-18；Publishedonline2017-08-021601

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171225.html

.E-mailcxw2005@tsinghua.edu.cn

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.321340

2017-04-21；退修日期2017-05-15；錄用日期2017-07-18；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2017-08-021601

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171225.html

.E-mailcxw2005@tsinghua.edu.cn

王官龍，崔曉偉，陸明泉．北斗三頻海基JPALS無(wú)故障導(dǎo)航算法J． 航空學(xué)報(bào),2017,38(12):321340.WANGGL,CUIXW,LUMQ.Triple-frequencysea-basedJPALSfault-freenavigationalgorithmforBDSJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(12):321340

V474.2

A

1000-6893(2017)12-321340-09

蘇磊, 李丹)