北斗轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)在飛行器外測(cè)中的應(yīng)用

李中偉

摘 要：GPS在飛行器軌跡測(cè)量中發(fā)揮了重大作用，而隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)能力的提升，利用北斗定位系統(tǒng)替換GPS完成飛行器軌跡測(cè)量任務(wù)成必然趨勢(shì)，也是未來擺脫GPS限制的測(cè)量方法。該文介紹了北斗轉(zhuǎn)發(fā)定位技術(shù)的原理，給出了北斗轉(zhuǎn)發(fā)外測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作流程，分析了北斗轉(zhuǎn)發(fā)快速定位技術(shù)及定位精度。北斗轉(zhuǎn)發(fā)定位技術(shù)完全滿足測(cè)量需求，在未來飛行器軌跡測(cè)量中必將發(fā)揮更大作用。

關(guān)鍵詞：北斗;轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù);定位精度

中圖分類號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0033-02

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2018年底，完成19顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，完成基本系統(tǒng)建設(shè)，向全球提供服務(wù);2020年前后，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號(hào)系統(tǒng)。

為了避免美國(guó)GPS對(duì)我們?cè)谔厥忸I(lǐng)域中的限制，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)替換GPS已成為必然趨勢(shì)。在飛行器高動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)中，存在外測(cè)信號(hào)的初始捕獲及短時(shí)間重捕困難、測(cè)量設(shè)備跟蹤容易引起接收機(jī)失鎖等問題。而利用北斗定位信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)能較好的解決這些問題。

1 北斗轉(zhuǎn)發(fā)定位原理

北斗轉(zhuǎn)發(fā)定位主要是在飛行器上安裝變頻轉(zhuǎn)發(fā)器，變頻轉(zhuǎn)發(fā)器將飛行器上L頻段北斗收星天線接收到的北斗信號(hào)變頻到S頻段（2.2GHz～2.4GHz），疊加導(dǎo)頻并放大后轉(zhuǎn)發(fā)回地面。地面轉(zhuǎn)發(fā)外測(cè)接收設(shè)備接收飛行器轉(zhuǎn)發(fā)下來的S頻段信號(hào)，并完成對(duì)目標(biāo)的捕獲、跟蹤，實(shí)時(shí)處理接收到的北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和差分定位，給出飛行器的軌道信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作流程

系統(tǒng)主要由接收天線、射頻耦合網(wǎng)絡(luò)、S頻段下變頻器、L頻段下變頻器、轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)接收機(jī)、北斗基準(zhǔn)接收機(jī)、檢前記錄器、轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)處理計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。系統(tǒng)組成及工作流程圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)發(fā)外測(cè)設(shè)備S頻段接收天線跟蹤并接收到轉(zhuǎn)發(fā)北斗外側(cè)信號(hào)后形成左右旋兩路射頻信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器放大送至射頻耦合網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)經(jīng)射頻耦合網(wǎng)絡(luò)分路組合后分別送至S頻段下變頻器進(jìn)行下變頻并輸出70MHz中頻信號(hào)。S下變頻器輸出的一路信號(hào)送至轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，另一路送至檢前記錄器進(jìn)行檢前數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)北斗基準(zhǔn)天線接收到北斗衛(wèi)星信號(hào)送至L頻段下變頻器輸出70MHz中頻信號(hào)，一路送至北斗基準(zhǔn)接收機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理后送至轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)計(jì)算機(jī)，另一路送至檢前記錄器完成檢前數(shù)據(jù)的記錄。

轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)計(jì)算機(jī)接收轉(zhuǎn)發(fā)北斗外測(cè)接收機(jī)通過網(wǎng)口送來的導(dǎo)航電文、時(shí)間、PDOP值、收星數(shù)目、星-彈-地偽距、偽距變化率、定位測(cè)速結(jié)果（X、Y、Z、、、）以及信道工作狀態(tài)（AGC電平、頻綜鎖定狀態(tài)）、通道工作狀態(tài)（通道號(hào)、衛(wèi)星號(hào)、衛(wèi)星健康狀態(tài)、衛(wèi)星仰角、預(yù)報(bào)多普勒頻率、實(shí)測(cè)多普勒頻率、信噪比、鎖定指示）等信息;同時(shí)接收地面北斗基準(zhǔn)接收機(jī)輸出的導(dǎo)航電文、偽距改正數(shù)及其偽距變化率的改正數(shù)等信息，對(duì)其作差分處理，獲得精度較高的飛行器外彈道數(shù)據(jù)。

3 快速定位技術(shù)及精度分析

3.1 北斗轉(zhuǎn)發(fā)快速定位技術(shù)

接收機(jī)的捕獲范圍需考慮信號(hào)多普勒不確定范圍，對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)外測(cè)來說，主要包括星的動(dòng)態(tài)、飛行器的動(dòng)態(tài)、飛行器上鐘漂、接收機(jī)鐘漂。轉(zhuǎn)發(fā)外測(cè)應(yīng)用條件下存在星-飛行器和飛行器-地兩項(xiàng)徑向多普勒，在飛行器遠(yuǎn)離衛(wèi)星且遠(yuǎn)離地面站或接近衛(wèi)星且接近地面站條件下，最大產(chǎn)生±120kHz多普勒頻率偏移，在借助理論彈道輔助進(jìn)行多普勒預(yù)報(bào)，理論上能夠消除載體動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的多普勒。衛(wèi)星多普勒可以由電文星歷中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。轉(zhuǎn)發(fā)器頻率準(zhǔn)確度為5×10-6，由此引入到轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號(hào)的多普勒誤差將達(dá)到±11kHz。而通過導(dǎo)頻輔助可徹底消除目標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)器頻率準(zhǔn)確度對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信號(hào)多普勒的影響。

接收機(jī)捕獲方法主要使用基于時(shí)域的匹配濾波法，對(duì)于每顆衛(wèi)星在以零頻為基礎(chǔ)進(jìn)行31個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行搜索，每個(gè)頻點(diǎn)間隔0.5KHz，將本地設(shè)置一個(gè)靜止的擴(kuò)頻序列，讓接收序列滑過本地序列并作相關(guān)運(yùn)算，每一碼片時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)結(jié)果，當(dāng)滑到兩序列相位對(duì)齊時(shí)，必有一個(gè)相關(guān)峰值出現(xiàn)。檢測(cè)到這個(gè)相關(guān)峰值，就用它啟動(dòng)另一個(gè)相位相同狀態(tài)的本地序列發(fā)生器，該本地序列必然是與接收序列同步的。這樣，在序列的一個(gè)時(shí)間不確定范圍內(nèi)，匹配濾波器把序列所有可能的相位狀態(tài)都搜索一遍。匹配濾波器法是時(shí)域的一種快速捕獲方法，原理如圖2所示。

在導(dǎo)頻和理論彈道雙重引導(dǎo)下，首次定位前，捕獲模塊搜索頻率±7.5kHz;定位后捕獲新衛(wèi)星過程中則使用定位測(cè)速結(jié)果輔助，捕獲模塊搜索頻率±2kHz;當(dāng)接收機(jī)不能定位則直接使用理論彈道引導(dǎo)，不再使用接收機(jī)最后一次定位測(cè)速結(jié)果。

3.2 精度分析

3.2.1 差分定位方式精度分析

由于飛行器在飛行過程中，與基準(zhǔn)站的水平距離和高程差不斷增加，誤差項(xiàng)的相關(guān)性不斷減弱，導(dǎo)致差分定位精度逐漸降低。如果兩者距離過大，其精度甚至?xí)陀谄胀▽?dǎo)航定位精度。因此，基準(zhǔn)站接收機(jī)和彈體的相對(duì)位置是決定偽距差分定位精度的關(guān)鍵因素。假設(shè)基準(zhǔn)站和目標(biāo)距離為100公里，測(cè)距誤差取5.7m，（1σ）。

當(dāng)目標(biāo)距離差分基準(zhǔn)站100Km以內(nèi)，在CGCS2000（或WGS84）坐標(biāo)系中，X軸指向0°經(jīng)線，Z軸指向北極，Y軸指向東經(jīng)90°經(jīng)線。北京地區(qū)為東經(jīng)116°左右，北緯40°左右，因此X、Z向可基本認(rèn)為是水平方向誤差，而Y向可基本認(rèn)為是垂向誤差。使用典型的DOP值分布，HDOP/VDOP（1：1.4）=1.74/2.44，測(cè)距誤差取5.7m，X、Z方向的合成精度在9.92m，滿足X、Z方向的合成精度8X=11.2m，而垂向誤差在13.9m左右，滿足15m要求。

3.2.2 測(cè)速精度分析

測(cè)速精度取決于幾何因子和偽距變化率誤差因子的乘積。其中偽距變化率誤差因子的誤差源主要有：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差，主要是指導(dǎo)航衛(wèi)星鐘漂的影響;與接收機(jī)有關(guān)的誤差，主要是指接收機(jī)測(cè)速噪聲誤差。除了偽距變化率誤差因子之外，影響速度精度的還有與所測(cè)衛(wèi)星空間分布有關(guān)的幾何精度因子。幾何精度因子越小，速度精度越高。

測(cè)速精度估算：

導(dǎo)航衛(wèi)星鐘漂的誤差約為0.006m/s，與載體動(dòng)態(tài)無關(guān)。接收機(jī)的測(cè)速噪聲的誤差：接收機(jī)通過Costas環(huán)對(duì)被抑制載波的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)載波相位和載波多普勒頻移的測(cè)量。載波多普勒頻移量最后通過濾波處理技術(shù)，對(duì)有關(guān)噪聲進(jìn)行抑制后獲得精確的載波多普勒測(cè)量值，從而獲得較為精確的衛(wèi)星徑向速度測(cè)量值，速度誤差估計(jì)如表1所示。

由結(jié)果可知測(cè)速誤差為0.072m/s，滿足需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和完善，其定位精度和GPS相當(dāng)，并具備良好的抗干擾性和保密性，北斗系統(tǒng)將會(huì)逐漸替代GPS。基于北斗轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的飛行器外彈道測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)成熟，定位速度快，擺脫了GPS系統(tǒng)的限制，將來在飛行器的軌跡測(cè)量中將發(fā)揮重大作用。

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