機(jī)載北斗定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

李亞玲 楊玉衛(wèi) 周甄

摘? 要：機(jī)載北斗定位系統(tǒng)在某型飛機(jī)上與GPS和GLONASS同步使用，均與激光慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)北斗、GPS、GLONASS或其組合導(dǎo)航，用以修正純慣性導(dǎo)航狀態(tài)下的導(dǎo)航積累誤差，當(dāng)機(jī)載北斗定位系統(tǒng)發(fā)生故障只會影響到自身功能，既不影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用功能，也不影響飛機(jī)的飛行安全。對某型飛機(jī)機(jī)載北斗定位系統(tǒng)飛行使用中頻繁報“BD數(shù)據(jù)無效”的現(xiàn)象，采用故障樹展開具體分析研究，查找問題原因并進(jìn)行完善，通過反復(fù)的改進(jìn)驗(yàn)證最終滿足系統(tǒng)飛行使用要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載北斗定位系統(tǒng);故障樹;數(shù)據(jù)無效

中圖分類號：TN967.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）07-0036-04

Research on the Application of Airborne Beidou Positioning System

LI Yaling1，YANG Yuwei2，ZHOU Zhen1

（1.Hanzhong Aircraft Branch of AVIC Aircraft Co.，Ltd.，Hanzhong? 723000，China;

2.Chinese Flight Test Establishment，Xian? 710089，China）

Abstract：The airborne Beidou positioning system is used synchronously with GPS and GLONASS on a certain type of aircraft. It is linked with the laser inertial/Satellite Integrated Navigation System （inertial navigation system for short） to realize Beidou，GPS，GLONASS or their integrated navigation，so as to correct the navigation accumulation error under the pure inertial navigation state. When the airborne Beidou positioning system fails，it will only affect its own functions，that is，it will not affect the inertial navigation system use of functions does not affect the flight safety of the aircraft. In this paper，the failure tree is used to analyze and study the phenomenon of “BD data invalid” frequently reported in the flight of Beidou positioning system on an aircraft，find out the cause of the problem and improve it，and finally meet the requirements of the system flight through repeated improvement and verification.

Keywords：airborne Beidou positioning system;fault tree;invalid data

0? 引? 言

美國全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）是比較成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在全世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用并且其穩(wěn)定性得到認(rèn)可，遍布軍民生活。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為繼GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠的全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)，并具有授時、短報文通信能力，雖然其功能和性能有很大的優(yōu)勢，但其在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用還處在一個逐步成熟的進(jìn)程中。筆者針對北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在某型飛機(jī)配置設(shè)備使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究解析，通過反復(fù)的改進(jìn)驗(yàn)證最終滿足系統(tǒng)飛行使用要求，為其后續(xù)的廣泛成熟應(yīng)用奠定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1? 系統(tǒng)概述

某型飛機(jī)配備的機(jī)載北斗定位系統(tǒng)屬于國產(chǎn)飛行航空電子產(chǎn)品，具有接收北斗二代衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)更高精度的定位、測速功能和授時功能。系統(tǒng)與機(jī)上配置的慣導(dǎo)（激光慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)）交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)北斗或INS/北斗組合導(dǎo)航，用以修正純慣性導(dǎo)航狀態(tài)下的導(dǎo)航積累誤差，提高導(dǎo)航精度，同時在綜合顯示器上顯示即時經(jīng)度、緯度、時間和速度信息，并自動記錄、存貯導(dǎo)航期間經(jīng)度、緯度、速度等導(dǎo)航參數(shù)，生成航行軌跡圖，存入相應(yīng)的存貯器，用戶可通過監(jiān)控接口隨時調(diào)用所需的導(dǎo)航參數(shù)。

2? 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1? 應(yīng)用現(xiàn)象

某型飛機(jī)機(jī)載北斗定位系統(tǒng)飛行使用中出現(xiàn)頻繁報“BD數(shù)據(jù)無效”的現(xiàn)象。根據(jù)故障現(xiàn)象現(xiàn)場對系統(tǒng)設(shè)備的連接插頭進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)縮針、斷針等情況，檢查各部件之間的連接可靠;地面通電檢測，系統(tǒng)收星正常，衛(wèi)星信噪比在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)工作正常，地面檢查無法準(zhǔn)確定位問題。

2.2? 機(jī)理分析

某型飛機(jī)機(jī)載北斗定位系統(tǒng)與慣導(dǎo)組合交聯(lián)，“BD數(shù)據(jù)無效”是由慣導(dǎo)對機(jī)載北斗定位系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行判定后上報給綜合顯示系統(tǒng)，其上報條件如表1所示。

機(jī)載北斗定位系統(tǒng)在進(jìn)行導(dǎo)航解算時，為保證數(shù)據(jù)的可用性，自身先對數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，并在送給慣導(dǎo)的RS-422導(dǎo)航數(shù)據(jù)的第21字節(jié)進(jìn)行狀態(tài)提示，定位狀態(tài)為1則數(shù)據(jù)可用，定位狀態(tài)不為1則數(shù)據(jù)不可用。第21字節(jié)不為1的條件如表2所示。

2.3? 故障樹分析

根據(jù)飛行使用現(xiàn)象對機(jī)載北斗定位系統(tǒng)進(jìn)行逐級排查，建立系統(tǒng)故障樹如圖1所示。

2.3.1? 北斗接收天線故障

北斗接收天線用于接收北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航信號，進(jìn)行放大后送給衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)使用，北斗接收天線性能直接影響衛(wèi)星信噪比及收星數(shù)。針對出現(xiàn)“BD數(shù)據(jù)無效”飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過分析，飛機(jī)在平飛時定位衛(wèi)星數(shù)正常，在機(jī)動過程中定位衛(wèi)星數(shù)偶爾會減少，造成PDOP值變大，當(dāng)PDOP過大時，系統(tǒng)RS-422導(dǎo)航數(shù)據(jù)中報“PDOP值太大”和“非正常定位”，機(jī)上報“BD數(shù)據(jù)無效”，但參與定位的衛(wèi)星信噪比正常，因此排除北斗接收天線故障。

2.3.2? 高頻電纜故障

高頻電纜用于傳輸天線送給北斗接收機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號。假設(shè)高頻電纜故障，則會導(dǎo)致無法收星或衛(wèi)星信噪比降低。根據(jù)飛行監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，飛行全程可以正常接收衛(wèi)星，衛(wèi)星信噪比在正常范圍內(nèi)，因此排除高頻電纜故障。

2.3.3? 抗干擾處理模塊故障

抗干擾處理模塊位于北斗接收機(jī)內(nèi)部，用于對天線送來的射頻信號下變頻后進(jìn)行抗干擾處理，濾除干擾后進(jìn)行上變頻，再將射頻信號送至導(dǎo)航模塊進(jìn)行定位解算。根據(jù)飛行監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)只是在機(jī)動過程中出現(xiàn)收星減少、PDOP值變大，但參與定位的衛(wèi)星信噪比正常，且全程正常定位。假設(shè)抗干擾處理模塊故障，會影響衛(wèi)星信噪比，則所有飛行姿態(tài)都會受到影響，不會只影響機(jī)動過程，因此排除抗干擾處理模塊故障。

2.3.4? 導(dǎo)航模塊硬件故障

導(dǎo)航模塊用于對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲跟蹤及定位解算。根據(jù)飛行監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)只是在機(jī)動過程中出現(xiàn)收星減少、PDOP值變大，但參與定位的衛(wèi)星信噪比正常，且全程正常定位。假設(shè)導(dǎo)航模塊硬件出現(xiàn)故障，會無法定位或衛(wèi)星信噪比下降，因此排除導(dǎo)航模塊硬件故障。

2.3.5? 捕獲跟蹤模塊故障

捕獲跟蹤模塊程序控制FPGA完成每個通道對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤。在試驗(yàn)室使用相同技術(shù)狀態(tài)的北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星測試，測試時使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬機(jī)上飛行過程，在軟件中插樁進(jìn)行測試，衛(wèi)星信號的捕獲跟蹤正常，未發(fā)現(xiàn)異常，因此排除捕獲跟蹤模塊問題。

2.3.6? 基帶數(shù)字信號處理模塊故障

接收機(jī)在捕獲、跟蹤接收信號后，基帶數(shù)字信號處理模塊對信號進(jìn)行位同步和幀同步處理，從信號中獲得信號發(fā)射時間和導(dǎo)航電文。在試驗(yàn)室使用相同技術(shù)狀態(tài)的北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星測試，測試時使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬飛行過程，并在軟件中插樁進(jìn)行測試，衛(wèi)星信號位同步和幀同步處理正常，可獲得信號發(fā)射時間和導(dǎo)航電文，未發(fā)現(xiàn)異常。因此排除基帶數(shù)字信號處理模塊故障。

2.3.7? 故障檢測模塊故障

故障檢測模塊用于檢測接收機(jī)故障識別與輸出。根據(jù)飛行采集數(shù)據(jù)，飛機(jī)飛行過程中速度、高度均處于有效范圍內(nèi)，飛機(jī)機(jī)動時，可用衛(wèi)星數(shù)減少使PDOP值增大，系統(tǒng)RS-422導(dǎo)航數(shù)據(jù)中報“PDOP值太大”和“非正常定位”，導(dǎo)致機(jī)上報“BD數(shù)據(jù)無效”。因此判定故障檢測模塊存在問題。

PDOP值反映了衛(wèi)星的分布情況，當(dāng)PDOP較大時，表明空中的衛(wèi)星幾何分布不理想，定位精度就可能低。根據(jù)目前北斗系統(tǒng)衛(wèi)星分布情況，將原PDOP閾值進(jìn)行調(diào)整，將通訊協(xié)議中RS-422定義報“PDOP過大”的條件進(jìn)行完善。

在試驗(yàn)室使用衛(wèi)星信號模擬器設(shè)置PDOP值，分別進(jìn)行上千次靜態(tài)測試和動態(tài)測試，定位精度分別滿足重點(diǎn)區(qū)域定位精度和非重點(diǎn)區(qū)域定位精度的使用要求。對系統(tǒng)進(jìn)行軟件更改后采集飛行數(shù)據(jù)分析，未再出現(xiàn)PDOP超過閾值的情況，但發(fā)現(xiàn)兩個問題：其一，飛機(jī)機(jī)動時偶爾出現(xiàn)不定位;其二，在整點(diǎn)時刻附近偶爾出現(xiàn)不定位，這兩個問題也會導(dǎo)致機(jī)上報“BD數(shù)據(jù)無效”。

2.3.8? 偽距測量值解算故障

在試驗(yàn)室使用衛(wèi)星信號模擬器，對北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星測試，測試時使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬飛機(jī)機(jī)動過程，并對軟件進(jìn)行插樁實(shí)時監(jiān)控，對接收到的衛(wèi)星偽距解算結(jié)果進(jìn)行觀察，與衛(wèi)星信號模擬器上的偽距值進(jìn)行對比，接收機(jī)解算的偽距與模擬器一致，偽距解算正常。因此排除偽距測量值解算模塊故障。

2.3.9? 接收機(jī)位置解算模塊故障

在試驗(yàn)室使用衛(wèi)星信號模擬器，對北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星測試，測試時使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬飛機(jī)機(jī)動過程，并對軟件進(jìn)行插樁實(shí)時監(jiān)控，對接收機(jī)定位結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測保存，與模擬器設(shè)置的位置進(jìn)行對比分析，接收機(jī)解算的定位誤差小于5米，在正常范圍內(nèi)。因此排除接收機(jī)位置解算模塊故障。

2.3.10? 接收機(jī)速度解算模塊故障

在試驗(yàn)室使用相同狀態(tài)的北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星測試，測試時使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬飛機(jī)機(jī)動過程，并對軟件進(jìn)行插樁實(shí)時監(jiān)控，在轉(zhuǎn)動過程中偶爾出現(xiàn)個別低仰角衛(wèi)星測速殘差超過門限設(shè)置，當(dāng)測速殘差超過門限時，軟件判定測速結(jié)果不可用，造成不定位，接收機(jī)報“非正常定位”。因此判定接收機(jī)速度解算模塊存在問題。

在試驗(yàn)室使用轉(zhuǎn)臺改變北斗接收天線方位和姿態(tài)，模擬飛機(jī)機(jī)動過程。對軟件進(jìn)行插樁實(shí)時監(jiān)控，在轉(zhuǎn)動過程中，由于遮擋或多徑，偶爾會出現(xiàn)個別低仰角衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)不穩(wěn)定、信號質(zhì)量變差、信噪比不穩(wěn)定，且多普勒跳動范圍明顯大于其他正常衛(wèi)星。速度解算需要使用多普勒積分值，如果該值跳動大，該衛(wèi)星的多普勒積分值會影響測速，由于軟件中測速解算不能剔除信號質(zhì)量差的衛(wèi)星，當(dāng)該衛(wèi)星參與定位時，會出現(xiàn)測速殘差超限，此時軟件判斷該幀定位數(shù)據(jù)無效，造成系統(tǒng)不定位，機(jī)上報“BD數(shù)據(jù)無效”。針對此問題，在建立解算觀測模型后加入測速殘差門限檢測，若超過門限，則查找多普勒跳動異常的衛(wèi)星并將其剔除，然后重新進(jìn)行速度解算，剔除測速殘差超限的異常衛(wèi)星，使用正常的衛(wèi)星參與解算，確保速度解算正確，定位精度不受影響。

對系統(tǒng)軟件更改完善后采集飛行數(shù)據(jù)分析，解決了飛機(jī)機(jī)動時偶爾會出現(xiàn)測速殘差超限不定位，以及整點(diǎn)時刻附近偶爾不定位問題，但仍存在偶爾報障的現(xiàn)象。

2.3.11? 電文緩存解析故障

導(dǎo)航電文以子幀的形式連續(xù)發(fā)送，系統(tǒng)對接收到的電文進(jìn)行存儲并解析，得到衛(wèi)星星歷中的時間、衛(wèi)星運(yùn)行軌道、電離層延時等信息用于導(dǎo)航解算。在試驗(yàn)室使用相同狀態(tài)的北斗接收機(jī)及北斗接收天線進(jìn)行收星拷機(jī)測試，同時進(jìn)行軟件插樁監(jiān)測，當(dāng)收星較多且逐漸增多時，因電文緩存空間存在溢出現(xiàn)象，出現(xiàn)丟棄新收電文的現(xiàn)象，造成電文不完整，無法準(zhǔn)確獲取衛(wèi)星的星歷信息，導(dǎo)致短時間不定位，機(jī)上報“BD數(shù)據(jù)無效”。因此判定電文緩存解析存在問題。

在不影響其他參數(shù)的存儲空間的前提下，將電文緩存空間進(jìn)行調(diào)整，即可以保證電文緩存空間足夠使用，且留有一定的余量。

2.3.12? 串口數(shù)據(jù)模塊故障

串口數(shù)據(jù)模塊用于完成2路RS-422慣導(dǎo)口數(shù)據(jù)及1路RS-232監(jiān)控口數(shù)據(jù)構(gòu)造，計算校驗(yàn)和，響應(yīng)收發(fā)指令。在試驗(yàn)室與慣導(dǎo)進(jìn)行聯(lián)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備送給慣導(dǎo)的RS-422數(shù)據(jù)未出現(xiàn)不連續(xù)、丟幀，校驗(yàn)和錯誤現(xiàn)象，但出現(xiàn)一次錯誤數(shù)據(jù)，導(dǎo)致慣導(dǎo)報“BD數(shù)據(jù)無效”。因此判定串口數(shù)據(jù)模塊存在問題。出現(xiàn)問題的情況是：解算完成，組RS-422數(shù)據(jù)→收到一幀抗干擾處理器的數(shù)據(jù)→存入glUartRecvCmd_DSPUart1并且glUartRecvCmdSetPos_DSPUart1大于20→將mSendBuf中的數(shù)據(jù)修改，由于組完RS-422后，馬上執(zhí)行RS-422發(fā)送數(shù)據(jù)，在組幀和發(fā)送之間被Uart1的接收中斷打斷，并正好修改了發(fā)送buff地址中的數(shù)據(jù)，所以出現(xiàn)了錯誤幀。針對此問題重新設(shè)置拷貝長度，每次只給數(shù)組一行賦值，不會改寫其他地址數(shù)據(jù)。

2.4? 故障消除

綜上所述機(jī)載北斗定位系統(tǒng)頻繁報“BD數(shù)據(jù)無效”是因?yàn)镻DOP閾值不合理、測速殘差超限的衛(wèi)星未剔除、電文緩存空間不足、拷貝數(shù)據(jù)長度變量設(shè)置錯誤造成，通過更改完善軟件調(diào)整PDOP閾值門限、剔除測速殘差超限的衛(wèi)星、增加電文緩存空間、修正拷貝數(shù)據(jù)長度變量的措施，使系統(tǒng)故障現(xiàn)象消除，系統(tǒng)工作正常。

3? 結(jié)? 論

在排查“BD數(shù)據(jù)無效”的過程中從機(jī)上多次采集數(shù)據(jù)分析，定位數(shù)據(jù)為實(shí)時接收衛(wèi)星信號進(jìn)行解算，且衛(wèi)星導(dǎo)航信號較弱，易受干擾、遮擋或多徑等外部因素影響，雖然數(shù)據(jù)無效只持續(xù)幾秒，但無法保證定位數(shù)據(jù)100%有效。所以在慣導(dǎo)判斷邏輯上，對北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)判讀再報，以減少誤報，增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性，經(jīng)飛行使用驗(yàn)證效果良好。

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作者簡介：李亞玲（1979.06—），女，漢族，陜西渭南人，飛機(jī)設(shè)計高級工程師，本科，工學(xué)學(xué)士，研究方向：航空電子集成。