差分衛(wèi)星定位技術(shù)及其在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李 宇，邱玉芬，周學(xué)武，施成功，余 聰

(航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司·南昌·330024)

1 衛(wèi)星差分原理

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以極大地提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度和定位的完整性，通常由參考站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)站3部分組成。差分衛(wèi)星定位技術(shù)的基本原理(見(jiàn)圖1)為：事先經(jīng)過(guò)精確測(cè)量、定位的參考基站利用高質(zhì)量的衛(wèi)星接收機(jī)，估算在每一顆衛(wèi)星的測(cè)量過(guò)程中緩慢變化的公共誤差分量(主要包括星歷偏差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時(shí)誤差等)，形成對(duì)衛(wèi)星的量測(cè)修正，再將量測(cè)修正結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)廣播給附近的移動(dòng)用戶，從而使用戶得到比單點(diǎn)定位更高的精度[1]。

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)也可被稱(chēng)為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。根據(jù)增強(qiáng)系統(tǒng)搭載的平臺(tái)的不同，差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)又可被分為陸基增強(qiáng)系統(tǒng)、星基增強(qiáng)系統(tǒng)、機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)[2]。這3種系統(tǒng)的原理都是一致的。本文所述的差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是指陸基增強(qiáng)系統(tǒng)或機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)。

圖1 差分衛(wèi)星的定位原理Fig.1 Positioning principle of differential satellite

2 衛(wèi)星定位的誤差修正情況

對(duì)于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其定位誤差通?？杀环譃?類(lèi)：首先，是每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)所共有的誤差，其中包括衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、對(duì)流層和電離層誤差；其次，是不能由用戶測(cè)量或校正模型來(lái)計(jì)算的傳播、延遲及多路徑誤差；最后，是衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)所固有的誤差，包括內(nèi)部噪聲誤差、通道延遲誤差等。利用差分衛(wèi)星定位技術(shù)，可以將第1類(lèi)誤差完全消除，第2類(lèi)誤差可被大部分消除，第3類(lèi)誤差則無(wú)法消除[3]。以GPS為例，利用差分衛(wèi)星技術(shù)對(duì)各類(lèi)誤差進(jìn)行修正的情況如表1所示，差分衛(wèi)星定位對(duì)測(cè)量精度的改進(jìn)如表2所示。

表1 衛(wèi)星差分定位技術(shù)對(duì)誤差的消除情況Tab.1 Error elimination for differential satellite positioning technology

表2 衛(wèi)星差分定位技術(shù)對(duì)定位精度的改進(jìn)值Tab.2 Improved positioning accuracy of differential satellite positioning technology

3 差分衛(wèi)星定位方法及其發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星差分定位的方法有很多種，大體可分為局域差分系統(tǒng)、廣域差分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)[4]。其中，廣域差分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)是在局域差分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也代表了差分定位系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用方向。下面，先介紹差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈及差分協(xié)議，然后對(duì)各個(gè)不同的衛(wèi)星差分定位方法進(jìn)行闡述。

3.1 差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈

播發(fā)差分衛(wèi)星修正信號(hào)的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且豁?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。從數(shù)據(jù)鏈的頻段來(lái)看，有利用中頻及利用海上無(wú)線電信標(biāo)的頻率283.5～325kHz；在短波頻段上，有1.6～3.5MHz；在調(diào)頻電臺(tái)頻率上，有RDB的88～108MHz；在甚高頻頻段上，有400～4700MHz和800～900MHz，此外還有C頻段的4～8GHz等。數(shù)據(jù)差分信息的調(diào)制方法主要包括了MSK方法和GMSK調(diào)制法等。

3.2 局域差分系統(tǒng)

局域差分系統(tǒng)使用單參考站，利用站間誤差具有時(shí)空強(qiáng)相關(guān)性的原理，根據(jù)已知位置信息和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)生成差分改正信息，并通過(guò)無(wú)線鏈路將差分改正信息實(shí)時(shí)播發(fā)給移動(dòng)站。局域差分一般可分為基于碼相位的差分(包括位置差分和偽距離差分)和基于載波相位的差分，下面對(duì)局域差分方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 位置差分法

位置差分是一種最為簡(jiǎn)單的差分方法。它將1臺(tái)基準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)放置于已知的位置點(diǎn)上，將由接收機(jī)測(cè)量并解算出的數(shù)據(jù)與已知位置的坐標(biāo)進(jìn)行比較、得到位置誤差，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將位置誤差傳送給用戶，隨后對(duì)用戶接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而消除用戶接收機(jī)與基準(zhǔn)接收機(jī)的共同誤差。為了保證誤差的相關(guān)性，基準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)和用戶接收機(jī)應(yīng)使用相同的4顆衛(wèi)星進(jìn)行定位。若所使用的衛(wèi)星有1顆不同，就會(huì)引發(fā)幾十米的誤差。如果基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的視界內(nèi)有8顆衛(wèi)星，那么所形成的組合多達(dá)70種，因此這種方法具有很大的局限性。位置差分法適用于用戶與基站的間隔小于100km的區(qū)域。

3.2.2 偽距差分法

偽距差分是目前應(yīng)用最為廣泛的差分技術(shù)。它將基準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)接收到的C/A碼的偽距、偽距率觀測(cè)值，與基準(zhǔn)站的精確位置到衛(wèi)星的距離和距離變化率進(jìn)行比較，求出每個(gè)可視衛(wèi)星的偽距修正值，然后將偽距修正值通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)發(fā)送給用戶。用戶接收機(jī)利用修正后的偽距求解定位，消除公共誤差，提高定位精度。通常，定位精度為5～10m。與位置差分類(lèi)似，偽距差分能夠消除和基準(zhǔn)站之間的公共誤差。但是，用戶到基準(zhǔn)站之間的距離增長(zhǎng)導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，且這類(lèi)誤差無(wú)法被消除。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)該方法的應(yīng)用效果起著決定性的影響。

3.2.3 相位平滑偽距差分法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供載波相位測(cè)量，載波相位測(cè)量精度比偽距測(cè)量精度要高2個(gè)數(shù)量級(jí)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)載波相位測(cè)量或多普勒頻率計(jì)數(shù)可獲得偽距變化信息。該信息可輔助碼偽距的測(cè)量，可針對(duì)碼偽距平均測(cè)量或?yàn)V波測(cè)量提高偽距測(cè)量的精度，相位平滑偽距差分可使定位精度提高到亞米級(jí)。

3.2.4 載波相位差分法

載波相位衛(wèi)星差分技術(shù)是更為精密的測(cè)量技術(shù)，也被稱(chēng)為RTK (Real Time Kinematic)技術(shù)?；鶞?zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將載波相位觀測(cè)值及其坐標(biāo)信息同步發(fā)送給用戶，用戶接收機(jī)將其收到的衛(wèi)星信號(hào)載波相位觀測(cè)值與基準(zhǔn)站傳送來(lái)的載波相位觀測(cè)值、位置數(shù)據(jù)組成相位差分觀測(cè)值，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。這種方法適用于以下3種情況：1)用戶與基站的距離為10～15km；2)用戶需要實(shí)時(shí)解算出三維位置坐標(biāo)；3)信號(hào)傳播路徑相對(duì)無(wú)障礙。

各差分技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景如表3所示。

表3 衛(wèi)星局域差分定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景Tab.3 Characteristics and application scene of various local differential satellite positioning technologies

3.3 廣域差分系統(tǒng)

廣域差分系統(tǒng)利用服務(wù)區(qū)內(nèi)的參考站網(wǎng)監(jiān)測(cè)可見(jiàn)的衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算每一顆衛(wèi)星的修正矢量。矢量修正包括衛(wèi)星時(shí)鐘修正、衛(wèi)星位置修正及格點(diǎn)化的電離層延遲參數(shù)修正。廣域差分系統(tǒng)的精度與局域差分接近，但它可以覆蓋一個(gè)地區(qū)，甚至整個(gè)國(guó)家，而且比覆蓋相同面積的局域網(wǎng)所需構(gòu)建和使用的參考站的數(shù)量更少。廣域差分系統(tǒng)的建設(shè)需要由國(guó)家級(jí)部門(mén)牽頭統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)，一般地區(qū)或行業(yè)無(wú)法自行完成。目前國(guó)內(nèi)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(Continuously Operation Reference Stations, CORS)就是一種廣域差分系統(tǒng)，該系統(tǒng)正在逐步建設(shè)過(guò)程中[5]。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星差分技術(shù)是廣域差分系統(tǒng)的擴(kuò)展，也是全球定位系統(tǒng)理論發(fā)展與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠避免常規(guī)差分方法存在的缺陷，使用戶更便捷地在較大的空間范圍內(nèi)獲得均勻、高精度和可靠的定位結(jié)果。目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)包括VRS(虛擬參考站)技術(shù)、MAC(主輔站)技術(shù)等。

VRS網(wǎng)絡(luò)中的各固定參考站不直接向移動(dòng)用戶發(fā)送改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊線發(fā)送給控制中心。同時(shí)，移動(dòng)站在工作之前，先通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與流動(dòng)站通訊，向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)?？刂浦行脑谑盏轿恢眯畔⒑?，根據(jù)用戶位置，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇一組最佳的固定基準(zhǔn)站，并根據(jù)基站發(fā)送來(lái)的信息改正衛(wèi)星定位的誤差。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在移動(dòng)站旁邊生成了一個(gè)虛擬的參考基站。

MAC技術(shù)從參考站網(wǎng)以高度壓縮的形式，將所有相關(guān)的、代表整周未知數(shù)水平的觀測(cè)數(shù)據(jù)(如彌散性的差分改正數(shù))作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動(dòng)站。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以靈活選擇主站。由輔站進(jìn)行加權(quán)改正，可使定位精度得到較大程度的提高，并且提高了解算的可靠性[6]。

3.3.2 連續(xù)運(yùn)行的參考站系統(tǒng)

連續(xù)運(yùn)行的參考站系統(tǒng)(CORS)是城市“數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分，CORS系統(tǒng)是綜合廣域差分技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)而形成的。CORS服務(wù)網(wǎng)是1個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GNSS衛(wèi)星參考站，也是在網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN /WAN) 技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)地向不同類(lèi)型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的不同類(lèi)型的GNSS 觀測(cè)值(包括載波相位和偽距)，各種改正數(shù)和狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GNSS系統(tǒng)的服務(wù)項(xiàng)目。CORS服務(wù)網(wǎng)最早為測(cè)繪和地質(zhì)部門(mén)提供高精度的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)區(qū)域性或國(guó)際間的合作，得到GNSS衛(wèi)星參考站的精確位置及變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)基于北斗系統(tǒng)的CORS正在飛速發(fā)展，并逐步覆蓋了全國(guó)及周邊地區(qū)[7]。根據(jù)對(duì)湖北等地已建成的示范項(xiàng)目的測(cè)試，采用北斗三頻廣域差分系統(tǒng)，其平面和高程精度分別達(dá)到了2cm和5cm。

4 應(yīng)用情況

4.1 非敏感軍事領(lǐng)域

目前，衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)在對(duì)定位精度要求高的民用領(lǐng)域及非敏感軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，如水下地形測(cè)繪、大比例尺測(cè)圖、海洋石油勘探和定位、航空攝影、飛機(jī)精密進(jìn)場(chǎng)和船舶機(jī)動(dòng)性能測(cè)定(如靶場(chǎng)測(cè)定等)、特種車(chē)輛的監(jiān)控和調(diào)度等。由于廣域差分系統(tǒng)的優(yōu)越性，其具有極其廣泛的應(yīng)用空間，其技術(shù)也在逐步成熟[8-10]。表4就CORS系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了例舉。

4.2 制導(dǎo)武器系統(tǒng)的應(yīng)用探討

4.2.1 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在進(jìn)攻性武器上的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)鮮有差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在精確制導(dǎo)武器(特別是攻擊性武器)作戰(zhàn)中使用的報(bào)道及公開(kāi)文獻(xiàn)。這是由于差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在精確制導(dǎo)武器(特別是在空面武器)中的應(yīng)用具有以下幾點(diǎn)劣勢(shì)或需要解決的問(wèn)題：

(1)差分系統(tǒng)的應(yīng)用要求必須配備經(jīng)過(guò)精確測(cè)量定位的參考基站，而精確制導(dǎo)武器所面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境未知，地形復(fù)雜，且戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，無(wú)法保障地面基站的建立和維護(hù)。如果采用載機(jī)衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)，載機(jī)在近距離飛行時(shí)容易暴露于敵方的火力圈范圍內(nèi)。

(2)局域差分系統(tǒng)的定位精度與廣播信號(hào)的距離呈正相關(guān)關(guān)系，一旦基站與制導(dǎo)武器的距離超過(guò)一定數(shù)值，其精度將迅速降低。資料表明，150km偽距差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度為5.8m，而目前普通衛(wèi)星的定位精度已達(dá)10m，由此可見(jiàn)偽距差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在定位精度上并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。該級(jí)別的定位精度也使得武器系統(tǒng)無(wú)法脫離精度更高的末端導(dǎo)引系統(tǒng)的輔助。

(3)導(dǎo)彈作戰(zhàn)所面臨的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，差分信號(hào)通過(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈播發(fā)修正信號(hào)，其所使用的頻率常屬于中頻、甚高頻等頻段，數(shù)據(jù)鏈信號(hào)易受干擾。一旦受到干擾，差分系統(tǒng)將無(wú)法再使用。

(4)目前大多數(shù)現(xiàn)役攻擊性制導(dǎo)武器的控制精度為米級(jí)，即便使用差分衛(wèi)星使定位精度達(dá)到米級(jí)，衛(wèi)星的控制精度也無(wú)法跟上導(dǎo)航精度。

表4 CORS應(yīng)用領(lǐng)域表Tab.4 Application areas of CORS

注：Δ表示目前國(guó)內(nèi)城市系統(tǒng)應(yīng)用還不到位的領(lǐng)域

4.2.2 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在防御性武器上的應(yīng)用

防御性武器包括防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈等，前者主要可攔截來(lái)犯的進(jìn)攻性精確制導(dǎo)武器(如空地制導(dǎo)武器、空空導(dǎo)彈等)及各類(lèi)飛機(jī)(轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)等)，后者主要可打擊來(lái)犯的各類(lèi)戰(zhàn)艦(艇)，打擊目標(biāo)通常都有目標(biāo)小、機(jī)動(dòng)性大、速度快等特點(diǎn)，這就對(duì)防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈的彈載定位系統(tǒng)的定位精度要求非常高；由于防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈屬于防御性武器，其通常布置在本土防御區(qū)域。該區(qū)域的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境經(jīng)過(guò)精心勘探及布置，差分衛(wèi)星定位可布置于防御性武器的后方以便于維護(hù)。敵方衛(wèi)星干擾系統(tǒng)通常難以到達(dá)防御性武器的防衛(wèi)區(qū)域，即便到達(dá)也將暴露在我方的打擊范圍內(nèi)。隨著我國(guó)BD衛(wèi)星定位系統(tǒng)的全面建成，我國(guó)在精確定位系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)⒉辉偈苤朴谌?。特別地，BD軍碼在武器系統(tǒng)中的使用，極大地提高了我方武器的自主性，這就為防御性武器使用精度為厘米級(jí)的差分導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。防御性武器在使用局域差分系統(tǒng)時(shí)，通常具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)使用局域衛(wèi)星差分法，其定位精度可達(dá)分米級(jí)甚至厘米級(jí)，使用該方法可以充分滿足防御性武器對(duì)導(dǎo)航精度的需求，極大地提高防御性武器的命中率，并可極大地簡(jiǎn)化導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)彈無(wú)需配備導(dǎo)引頭。

(2)隨著我國(guó)BD導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成，我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將不再受制于人。武器使用軍碼，使得敵方難以破解，同時(shí)彈載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力獲得了提升。使用BD軍碼的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自主性。將差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在BD系統(tǒng)軍碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行使用，同時(shí)使用作戰(zhàn)的圖像指令傳輸頻點(diǎn)作為差分信息的傳遞數(shù)據(jù)鏈，或?yàn)椴罘中l(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)鏈采取保密措施，均可有力地克服數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)芨蓴_的問(wèn)題。

(3)差分參考站布置于防御區(qū)域后方，便于地面保障及維護(hù)。

5 結(jié) 論

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠極大地提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，但同時(shí)存在作用距離受限及地面參考站建立、維護(hù)等問(wèn)題；基于衛(wèi)星差分的廣域及網(wǎng)絡(luò)差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在積極建設(shè)中。在未來(lái)，民用領(lǐng)域可廣泛使用覆蓋全國(guó)甚至全球的高精度廣域差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)于武器系統(tǒng)而言，由于進(jìn)攻性武器受到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及保障因素的限制，差分系統(tǒng)往往難以克服其局限并獲得應(yīng)用，而防御性的防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈可以較好地規(guī)避差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的劣勢(shì)，充分發(fā)揮差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度高的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的可行性。