王偉鋼

（海軍裝備部，西安710089）

全自動自主著陸/著艦，可以有效減輕飛行員操作負擔與風險，有效解決惡劣氣象條件下，民用/軍用航空飛行安全，實現(xiàn)無人飛行器自動著陸/著艦。該項技術(shù)受到了高度重視，美軍先后研發(fā)了全天候航母著艦系統(tǒng)（見圖1）等一系列自主著陸/著艦系統(tǒng)[1-2]。在這些系統(tǒng)中，艦載機自主著艦對定位精度的要求非常高，精確定位是其中一項核心關(guān)鍵技術(shù)，其主要功能是為自動控制系統(tǒng)提供精確且高可靠性的輸入信息，即飛行器與理想著陸/著艦點之間的相對位置關(guān)系。常用的引導方式有雷達、衛(wèi)星導航、偽衛(wèi)星基站和視覺引導等。這些手段在引導精度、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)性能方面各有特點，單獨使用其中一種手段難以達到非常理想的效果。

為解決定位精度的問題，大量文獻進行了針對性的研究。文獻[3]論述了GPS和雷達組合應用中存在的問題。文獻[4]采用了最小二乘法解算GPS與雷達的聯(lián)合觀測方程，但是該方法對目標精度的定位遠達不到自主著艦的要求精度。文獻[5-7]采用了ADS-B和GPS進行信息融合來解算相對位置信息。

本文針對艦載機全自動自主著陸/著艦中對飛機定位精確要求高的需求，提出了一種衛(wèi)星導航和雷達聯(lián)合進行信息融合精確定位算法。在衛(wèi)星導航定位中，采用了可以提供高精度的載波相位差分技術(shù)針對定位跟蹤過程中存在異常數(shù)據(jù)，采用了野值剔除技術(shù)。然后，將兩類數(shù)據(jù)進行序貫融合，得到高精度的目標相對位置。實驗結(jié)果表明，所提算法有效提高了對飛機的定位精度。

1 載波相位差分定位

載波相位差分定位技術(shù)利用站間、星間雙差技術(shù)，實現(xiàn)參考站和移動站之間動態(tài)對動態(tài)基線向量的精確解算。參考站（主站）選在理想著艦點，引導站（從站）為艦載機質(zhì)心。

首先，利用主站和從站接收機接收到的衛(wèi)星信號中同一歷元的觀測值（相位信息）進行雙差處理，構(gòu)造出基于載波相位信息的觀測方程。其模型可以消除時鐘誤差影響，以及部分電離層延遲誤差和對流層誤差延遲誤差，有效提高定位精度。

站間取單差：

站間、星間取雙差：

鑒于接收站之間相距較近，電離層和對流層延遲可以相互抵消。同時，整周計數(shù)已知，可以設：

式（4）可以簡化為：

式（5）中：

由式（2）～（7）可以看出，通過雙差，接收機鐘差的影響已經(jīng)消失，大氣層折射殘差的二次差可以略去不計，這是雙差模型的突出優(yōu)點。

設接收站i、j和衛(wèi)星m、n的ECEF的坐標分別為(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)、(xm,ym,zm)、(xn,yn,zn)。(xm,ym,zm)、(xn,yn,zn)可以通過星歷數(shù)據(jù)進行解算得到，而(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)是未知的。

假設參考站位置(xi,yi,zi)已知，則在(xi,yi,zi)、(xj0,yj0,zj0)處進行一階泰勒展開，等式兩邊乘以λ得：

當基線向量較小時，移動站坐標與參考站坐標近似相等時，可得(xi,yi,zi)=(xj0,yj0,zj0)，式（9）為：

假設可用衛(wèi)星數(shù)為p個，則可以得到p-1個上述方程構(gòu)成的方程組。該方程組即為最終的觀測方程，其中[δxjδyjδzj]為動對動定位中待求的基線向量，?ΔNi(t0)（i=1,2,…,p-1）為整周模糊數(shù)。

可以采用最小二乘模糊度去相關(guān)調(diào)整算法LAMBDA算法對基線向量和整周模糊數(shù)進行解算，并采用卡爾曼濾波器，對目標狀態(tài)進行序貫估計。

2 野值剔除及序貫融合定位技術(shù)

2.1 野值剔除

在衛(wèi)星導航定位中，外界環(huán)境的干擾很容易造成在模糊周期解算錯誤，導致對目標的估計狀態(tài)嚴重偏離目標真值。同時，在雷達跟蹤目標時，由于多種偶然因素的綜合影響或作用，也會存在數(shù)據(jù)點嚴重偏離目標真值的現(xiàn)象，這類異常數(shù)據(jù)為野值。為此，本文針對跟蹤過程中的異常數(shù)據(jù)，結(jié)合擴展卡爾曼濾波技術(shù)，采用野值剔除對異常數(shù)據(jù)進行處理。

定義預測殘差：

v(k+1)是均值為零的高斯隨機過程，其協(xié)方差矩陣為：

式（12）中：P(k+1|k)為預測協(xié)方差矩陣；R(k+1)為量測噪聲協(xié)方差矩陣。

利用預測殘差的統(tǒng)計特性式對量測Z(k+1)的每個分量進行判別。

式（13）中：vi(k+1)表示v(k+1)的第i個分量，下標i表示矩陣對角線上的第i變元；C為常數(shù)，根據(jù)實際情況選取。

若式（13）成立，則判定Zi(k+1)為正常測量，反之為野值。Z(k+1)中只要有一維分量為野值，即確定為野值，反之為正常值。

2.2 序貫融合定位技術(shù)

載波相位差分定位算法精度可以達到厘米級，能夠為飛行器自主著艦提供有效引導信息。但是，由于遮擋、干擾等因素影響，定位精度會出現(xiàn)偶發(fā)異常。因此，采用精密引導雷達與載波相位差分定位信息相互融合方法，可以在保證引導精度的同時，有效提升引導的可靠性和穩(wěn)定性。

已知融合中心在k時刻目標運動狀態(tài)的融合估計值為|k，相應的誤差協(xié)方差陣為Pk|k，則融合中心對于目標運動狀態(tài)的一步預測為：

由于雷達和衛(wèi)星在同一時刻測量測噪聲之間互不相同，所以可以按照先衛(wèi)星后雷達的順序?qū)δ繕诉\動狀態(tài)的估計值進行序貫更新。其中，雷達的量測對于融合狀態(tài)估計值的更新為：

衛(wèi)星對融合狀態(tài)估計值更新為：

則最終融合的狀態(tài)估計為：

綜上所述，兩類數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的總流程為：

步驟1：融合處理中心接收到雷達與導航系統(tǒng)發(fā)送的載波相位差分定位數(shù)據(jù)，首先進行空間對準，將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系中。

步驟2：針對各自的觀測數(shù)據(jù)單獨進行跟蹤濾波，根據(jù)文獻[6]提出的野值剔除技術(shù)，將量測質(zhì)量非常差的點跡數(shù)據(jù)剔除掉，保留質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理。

步驟3：利用剔除野值的高質(zhì)量載波相位差分定位數(shù)據(jù)對雷達的系統(tǒng)偏差進行估計，并將其反饋至雷達觀測值中，以補償系統(tǒng)偏差對雷達觀測數(shù)據(jù)的影響。

步驟4：采用序貫融合技術(shù)，對剔除野值的雷達和載波相位差分定位數(shù)據(jù)的原始觀測值進行融合處理，獲得高采樣率、高精度和高可靠性的引導信息。

3 結(jié)束語

全自動自主著艦/著陸對引導信息精度和可靠性提出了非常高的要求。本文提出了一種利用載波相位差分導航數(shù)據(jù)和精密引導雷達數(shù)據(jù)進行信息融合精確定位算法。為提高衛(wèi)星定位精度，采用了載波相位差分技術(shù)，針對跟蹤過程中的異常數(shù)據(jù)，采用了野值剔除技術(shù)，最后對兩類數(shù)據(jù)進行異類序貫融合技術(shù)，有效提高了定位精度和可靠性，可以為后續(xù)裝備發(fā)展提供有益的參考借鑒。同時，文中給出的多源異類序貫融合技術(shù)還可以為其他類型引導信息的融合使用提供了一種可行的技術(shù)思路。

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