飛行器精密進近導航著陸設備關鍵技術專業(yè)技術報告

李鵬圖

一、研究概述

伴隨著民用航空的蓬勃發(fā)展，安全問題一直是各國航空部門極為重視的問題。在飛機進近和著陸過程中，著陸場可能出現(xiàn)各種復雜的氣象條件，例如低云、低能見度、雨雪等情況，使飛行員無法目視建立著陸航線、進場和著陸，從而對飛行安全造成影響。據(jù)統(tǒng)計有40%的事故發(fā)生在這一過程中。儀表著陸系統(tǒng)和微波著陸系統(tǒng)即是為了保障飛機進近和著陸安全所研制的無線電導航系統(tǒng)，但它們分別存在著精度不高和系統(tǒng)復雜的缺點。近十多年來，高新科技的研制和應用正在并將進一步提升民用航空的安全水平，促進民用航空持續(xù)快速發(fā)展。在空中交通管理領域廣泛應用現(xiàn)代通信衛(wèi)星自動化和計算機技術，展開了以星基導航為主導的空管技術革命。基于衛(wèi)星導航及其增強系統(tǒng)的實時精密導航，不僅能連續(xù)提供三維位置信息，而且能提供準確的速度和時間信息，能很好的解決上述問題，并且有能力取代陸基無線電導航。我國正在加速建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已于2020年實現(xiàn)了全球覆蓋，帶動了國內北斗導航相關產業(yè)蓬勃發(fā)展。隨著衛(wèi)星導航在各個領域的應用，人們對衛(wèi)星定位的精度、可靠性、完好性和連續(xù)性的要求越來越高。特別是航空領域中，單純的導航已經(jīng)無法滿足航空領域在所有飛行階段的需求，尤其是精度和可靠性要求極高的精密進場和著陸階段。為此衛(wèi)星導航系統(tǒng)增強技術相繼出現(xiàn)。衛(wèi)星增強系統(tǒng)除了提供對偽距和電離層廣域差分的校正之外，同時提供了GNSS的完好性信息，比普通的廣域差分系統(tǒng)具有更好的實用價值。

本項目研發(fā)的高精度北斗天線和高精度北斗板卡，是飛行器精密進近導航著陸設備的兩項關鍵技術，因為只有開發(fā)出這兩項技術，才能真正實現(xiàn)毫米級的定位精度，以這兩項關鍵設備構成地面和機載高精度導航接收機，結合新一代無線通信技術，利用差分定位算法提高衛(wèi)星導航精度，能夠使機場覆蓋空域范圍內的配置相應機載設備的飛機獲得更高標準的精密進近、著陸引導服務。最終實現(xiàn)航空器的自動降落，大大提高飛行安全和舒適度，提升航空技術的水平。

二、研究背景及意義

本項目屬于航空產業(yè)中的航空電子設備范疇，是航空設備制造中的核心技術，是航空產業(yè)鏈中的高附加值產品，隨著航空產業(yè)相關標準的推廣和國家大飛機以及配套產業(yè)的不斷推進，國防工業(yè)中相關應用的不斷深化，產品的使用環(huán)境必將不斷推廣。

本項目產品的研發(fā)和生產不僅填補了國內此類設備的空白，而且對航空電子產業(yè)的發(fā)展和提高航空電子設備的技術水平有重要意義。產品屬于軍民融合的技術，在和中航相關單位的合作中，產品的精度、抗干擾性和可靠性已經(jīng)得到了驗證，或得到了良好的使用效果，累積了大量寶貴的實驗數(shù)據(jù)，因此項目的實施具有良好的技術基礎和可實現(xiàn)性;項目建設符合國家產業(yè)政策，是深圳市政府重點支持的發(fā)展領域;能充分利用我市電子信息產業(yè)和裝備制造的優(yōu)勢，項目應用前景廣闊，對地方經(jīng)濟和產業(yè)結構調整具有積極的意義。

三、研究內容

高精度定位天線和高精度導航板卡的設計和實現(xiàn)。

要實現(xiàn)GBAS地基增強系統(tǒng)的功能，高精度定位天線和高精度導航板卡的研發(fā)是必不可少的，它們也是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的關鍵部件，其指標對系統(tǒng)整體功能有著決定性作用。

1.高精度定位天線

高精度定位天線的高精度指的是天線相位中心的高精度，這就涉及到相位中心的技術領域。天線的相位中心是其等效的輻射中心，理想的天線只有一個唯一的相位中心，其等相位面為球面，此時天線接收各個方向的衛(wèi)星信號時不會因為天線本身額外的相差產生定位的誤差。然而絕大部分天線不存在唯一的相位中心，此時天線在接收不同方向來的衛(wèi)星信號時就會產生額外的相位誤差，從而造成測量的誤差。

因此，如何設計具有高穩(wěn)定相位中心的天線，減小天線相位中心偏差帶來的測量誤差，是測量型天線應用中需要迫切解決的問題。多饋點饋電技術是一個有效的手段，饋電點越多，對稱性越好，相位中心穩(wěn)定度越高，但相應的缺點是饋電網(wǎng)絡越復雜。采用四個饋電點的微帶天線，結合精心設計的功分網(wǎng)絡，在獲得了高穩(wěn)定度的相位中心的同時，使得天線具有一個很低的剖面，在實際應用中具有很大的優(yōu)勢。通過對影響天線相位中心的各個因素進行建模，進行變量分析，從而在加工制造中進行針對性的管控，相位中心精度目前已經(jīng)可以做到業(yè)界最高的1mm，而且目前正在向更高的精度目標邁進。為本項目配套建設的天線高精度相位中心測試實驗室，擁有先進的高精度三軸測試轉臺和自動化測試系統(tǒng)，保證了產品的測試精度，同時獲得了寶貴的相位中心測試原始數(shù)據(jù)，可以配合高精度導航板卡優(yōu)化整個系統(tǒng)的精度。

高精度定位天線的另一個重要部件是低噪聲放大電路，它的要求是：低噪聲系數(shù)、高抑制、低功耗。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特點對天線的方向圖有這樣的要求：高輻射效率獲得高的系統(tǒng)信噪比，寬波束的方向圖確保低仰角效果，高前后比以及低的軸比提高系統(tǒng)抗多徑效應的影響。

在實際的天線使用環(huán)境中，因為周圍一些遮擋物等障礙的存在，還會引入一個多徑干擾的問題。特別是用于地面參考接收戰(zhàn)的天線，如果受到干擾，將嚴重影響導航信號的聯(lián)系性和完好性，對導航著陸系統(tǒng)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)造成威脅。多徑效應是高精度衛(wèi)星導航測量的重要誤差來源，這就要求天線具有較強的抗多徑干擾的能力。大多數(shù)的多徑信號是一次反射引起的反射信號，屬于左旋圓極化波，因此提高天線極化純度可以有效抑制多徑信號;天線的下半空間接收到的信號都不是直達信號，因此減小天線的后向輻射同樣可以抑制多徑信號。另外，將天線安裝在扼流圈上可以有效抑制多徑信號的接收，通過對扼流槽的個數(shù)、槽寬、槽深等參數(shù)進行優(yōu)化設計，就能使得天線的前后向輻射比得到提高，水平角度附近的信號接收水平都得到極大抑制，從而提高系統(tǒng)的抗多徑能力。

2.高精度導航板卡

高精度導航板卡基本功能劃分如下圖所示：

高精度導航板卡軟件按照功能劃分可以分解為幾個大部分（其中黃色部分需要由FPGA端負責輔助完成），每個部分的功能如下：

基帶信號層：主要完成從AD端數(shù)字化后的中頻數(shù)據(jù)輸入到獲得電文數(shù)據(jù)和原始觀測量數(shù)據(jù)的功能。該部分為底層處理模塊，由頂層模塊進行控制啟動和關閉。

信息層：主要管理接收機內部各部分的信息內容，負責數(shù)據(jù)的獲取/保存/推估等。是接收機端的主要管理模塊。其中又包括幾部分：

衛(wèi)星信息：主要完成對GNSS導航系統(tǒng)各衛(wèi)星端數(shù)據(jù)。包括衛(wèi)星信息（軌道參數(shù)/可用性等）

衛(wèi)星到接收機信息：包括各種觀測量信息（偽距/載波相位/多普勒/載噪比等）和接收電文信息

接收機端信息：主要包括PVT信息和本地時頻信息。

用戶層：主要負責接收用戶指令和向外輸出用戶需要的信息。主要進行指令解析和協(xié)議管理等。

衛(wèi)星引導著陸系統(tǒng)，采用了高精度載波相位跟蹤能力的接收機，這就意味著在進行差分定位時，可以采取載波相位相關的定位手段，成熟的應用即為載波相位差分解算算法。通過載波相位差分，消除測站之間的誤差，提高測站間相對定位精度。載波相位差分技術是目前衛(wèi)星導航定位領域定位精度最高的定位算法，理論及實際的大量數(shù)據(jù)成果表明，載波相位可以達到1cm+1ppm的相對定位精度。

由本項目研發(fā)的導航板卡和高精度定位天線組成的系統(tǒng)是目前測量精度最高的一種北斗姿態(tài)測量產品，擁有靜態(tài)航向精度0.05deg/L（1б RMS）的技術指標。遠超國內外同類技術所能提供的精度，在短基線情況下就能達到與軍用級高精度慣性導航設備同樣的航向精度。

四、研究的技術路徑

技術路線為：

聯(lián)合精密進近系統(tǒng)設計方案如下圖所示：

系統(tǒng)由以下幾部分組成：

中心控制站分系統(tǒng)：主要用于獲得高精度差分信息、接收機載接收機實時精密位置、計算實時進近軌道并引導著陸、以及空中交通管理功能。

●高精度GNSS差分參考站：主要用于獲得高精度差分信息并通過數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)發(fā)送至機載終端設備進行定位。

●進近軌道引導：主要用于根據(jù)飛機實時精密位置，生成實時軌道，并報給機載電子設備進行導航。

監(jiān)測分系統(tǒng)：用于對GNSS系統(tǒng)完好性監(jiān)測以及對控制系統(tǒng)鏈路進行監(jiān)測。

數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)：主要用于中心站和機載設備間進行必要的數(shù)據(jù)傳輸功能。

機載終端設備：包括高精度GNSS定位終端和組合導航設備，通過衛(wèi)星導航和慣性導航組合實現(xiàn)高精度定位功能。

以飛機自動著艦為例，艦船上的GPS接收機接收GPS信號，穩(wěn)定平臺測出艦船運動信息，將這兩者通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送到飛機上，飛機接受艦船發(fā)來的GPS觀測量，與機載GPS接受機觀測量組合解算兩GPS天線之間的相對位置。同時飛機接收艦船的運動姿態(tài)信息，結合機載的精密慣性導航系統(tǒng)的輸出信息，將兩天線間的相對位置轉化為艦載機尾鉤與著艦點及甲板中心線的相對位置，將此相對位置與理想著艦軌跡進行比較，得出縱向、橫側向誤差，送艦載機控制器，控制飛機糾偏。

采取“方案—>技術攻關目標分解—>技術手段—>產品測試—>產品成型”的技術路徑，通過目標分解，把產品的研發(fā)細化到7項具體的技術實現(xiàn)手段作為攻關的目標。

2 結論

1）研發(fā)目標：本項目是以高精度定位天線和高精度導航板卡為開發(fā)目標，從無線射頻一直到后段的信號處理，系統(tǒng)整合度高，涉及的知識復雜，具有長期的技術領先優(yōu)勢。

2）小型化設計：是本項目的突破性創(chuàng)新。航空航天器上各種設備堆集，同時系統(tǒng)有整體重量設計目標，因此對導航分系統(tǒng)同樣存在嚴苛的尺寸和重量要求，本項目開發(fā)的地面抗多徑天線，將外形尺寸由行業(yè)普遍使用的直徑380 mm縮減到了160 mm，同時保持了優(yōu)良的性能。開發(fā)的小型化抗干擾天線是目前業(yè)內最小的抗干擾天線，尺寸縮減至直徑89mm，同時是目前業(yè)內精度最高的航空型天線，得到了客戶的好評。

3）抗干擾設計：射頻干擾是星基導航著陸系統(tǒng)面臨的一個重要問題，嚴重情況下會造成衛(wèi)星接收機跟蹤中端.射頻干擾的來源和形式多種多樣，很多是事先不可預測的，這就要求衛(wèi)星導航的接收機和天線具備很強的抗干擾能力。本項目從各個組件本身到整個系統(tǒng)的電磁兼容等各個方面都積累了一些獨創(chuàng)的技術和豐富的經(jīng)驗。從天線來說，主要是采用了新型多路徑干擾抑制板，可有效減少對多徑信號的接收;從接收機來說，采用頻域濾波可用于抑制有界窄帶和連續(xù)波帶內干擾源及強帶外干擾源。時相濾波用與復雜的窄帶噪聲和連續(xù)波干擾源，通過調整天線和接收機之間的匹配、互耦和接地可進一步提升信號質量和系統(tǒng)的整體抗干擾能力。

五、項目解決的關鍵技術

（1）天線相位中心高精度技術

天線的設計目標是相位中心精度達到1mm，設計上采用了多點饋電的技術，這就需要攻關高效率天線饋電網(wǎng)絡技術，保證天線饋電輸入幅度和相位的精度。

（2）天線相位中心校準技術

精確的測量相位中心隨空間角度的變化，通過數(shù)據(jù)修正可以提高定位精度，就需要攻關天線相位中心在微波測量暗室中的測量和標定系統(tǒng)。

（3）天線抗多徑干擾技術

考慮到機載環(huán)境往往是多徑干擾強烈的環(huán)境，對系統(tǒng)的測量精度有很大的影響，這就需要攻關天線的抗多徑干擾的技術，特別是在小型化的前提下提高抗多徑能力，需要用到超材料等新抑徑板技術。

（4）高性能射頻前端技術

對射頻前端的技術攻關要求就是高增益、低噪聲系數(shù)和強抗干擾能力，該模塊的指標對系統(tǒng)的接收靈敏度有直接的影響。

（5）高靈敏度基帶信號處理技術

基帶信號處理是導航接收機中的核心功能部分，需要攻關的技術包括數(shù)字處理接收通道、碼捕獲、多普勒頻率校正、碼跟蹤、載波同步和解調等。

（6）導航解算后處理技術

解算后處理技術需要攻關的技術包括：兼容解算算法、整周模糊度搜索算法、周跳檢測算法等

（7）電磁兼容技術

需要攻關的技術主要是電磁兼容技術，通過濾波、隔離、屏蔽、接地等方法提高系統(tǒng)抗外部電磁輻射能力和改善系統(tǒng)內部的電磁干擾。

六、項目技術成果的應用前景

項目產品屬于航空工業(yè)中的航空電子設備，屬于航空產業(yè)中的高科技產業(yè)，產品本身是高附加值產品。目前航空產業(yè)得到了國家的高度重視，是產業(yè)升級換代的一個重點戰(zhàn)略性產業(yè)。據(jù)國內權威機構統(tǒng)計，飛機和機場作為航空業(yè)的基礎，其數(shù)量和規(guī)模持續(xù)擴大，機場數(shù)量超過200個，機隊規(guī)模超過2600架，且在持續(xù)增長中。美國波音公司預測，未來20年中國將需要6330架新飛機，總價值9500億美元，機隊規(guī)模將擴大三倍。中國市場將是全球增速最快的市場，隨著國內中產階級人口的擴大和人口收入的提高，跨境貿易和旅游需求的旺盛，還將有一個很長的增長周期。

國產大飛機C919項目的不斷推進和支線客機ARJ21的商業(yè)運營，為中國航空產業(yè)的發(fā)展插上了翅膀。中國不光要有自己的大飛機，實現(xiàn)這一長久以來的夢想，也要使我們的大飛機實現(xiàn)真正的完全的國產化，就需要航電設備在內的一系列上下游企業(yè)的共同努力，這是一條艱難的道路也是我們必須走得一條道路

隨著機場和航線的數(shù)量不斷增加，而空域資源是一定和有限的。這其中的矛盾會越來越大，就需要本項目所開發(fā)的精密進近導航著陸設備這樣的科技產品來解決其中一部份問題。而從國際標準到行業(yè)的呼聲都認為星基導航著陸設備是未來空中交通管理系統(tǒng)的一個基礎，是必然要達到的一個技術狀態(tài)，國內外都對此給與了充分的重視和肯定，因此本項目有著光明的應用前景。

（作者單位：深圳市鼎耀科技有限公司）