楊少帥

（中國西南電子技術(shù)研究所 成都 610036）

1 引言

基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的飛機(jī)精密進(jìn)近著陸/著艦系統(tǒng)是目前起降引導(dǎo)的主用系統(tǒng)之一。而飛行器起降是安全風(fēng)險(xiǎn)非常大的過程，尤其是著艦，甲板尺寸狹小并且運(yùn)動，對于引導(dǎo)系統(tǒng)要求苛刻。完好性是指導(dǎo)航系統(tǒng)所提供信息正確性的置信度的測量，也包括系統(tǒng)在無法用于導(dǎo)航時向用戶發(fā)出告警的能力，是與飛行安全相關(guān)的性能。由于衛(wèi)星導(dǎo)航其固有的脆弱性，復(fù)雜多變著陸場條件，不可避免存在有意或者無意的干擾等，更增加了完好性的風(fēng)險(xiǎn)。因此完好性是基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的精密進(jìn)近引導(dǎo)必須解決的難題。

在衛(wèi)星導(dǎo)航完好性監(jiān)測方面，多參考站一致性監(jiān)測的B值算法處于核心的位置。應(yīng)用于著陸的GBAS系統(tǒng)，采用偽距差分的技術(shù)體制，B值定義為偽距修正量均值與排除了某個參考站接收機(jī)觀測之后的偽距修正量均值之差［1～2］。牛飛［3］等研究了GBAS的完好性觀測域監(jiān)測問題，提出基于B值的Sigma異常監(jiān)測算法，能夠有效監(jiān)測GBAS參考站異常隨機(jī)誤差。李亮等研究了基于MRCC的完好性監(jiān)測，通過一致性算法將偽距差分定位精度提升32%，差分服務(wù)定位可用性提升到97%［4］，其一致性研究主要針對固定基準(zhǔn)站的偽距觀測，主要針對固定基準(zhǔn)站的偽距觀測。由于偽距差分已不能滿足精度需求，著艦引導(dǎo)需要采用載波相位差分的技術(shù)體制，王官龍?zhí)岢隽吮倍啡l觀測量無故障導(dǎo)航的算法，建立了載波相位精度與差分定位精性能的關(guān)系，表明相位測量精度優(yōu)于0.7cm，才能保證差分引導(dǎo)精度［5］。因此GBAS系統(tǒng)的多站一致性監(jiān)測方法已不適用［6～7］。

在衛(wèi)星導(dǎo)航的著艦系統(tǒng)中，參考站布局在運(yùn)動的艦船平臺上，甲板跑道相比于機(jī)場跑道更為狹小，母艦位置上處于運(yùn)動狀態(tài)，受海浪影響，位置隨時運(yùn)動且無法實(shí)時精確標(biāo)定，姿態(tài)上也具有擾動［8～10］。同時由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身可能存在的異常［11］、射頻干擾天線相位中心變化、多徑、抗干擾天線引入的誤差，易造成載波相位的精度惡化和異常［12］。著艦系統(tǒng)在完好性監(jiān)測上必須同時關(guān)注偽距觀測和載波相位觀測［13～15］，需要研究基于移動參考站的著艦系統(tǒng)載波相位多參考站一致性監(jiān)測方法。

2 多站一致性監(jiān)測算法模型

2.1 B值定義

多站一致性監(jiān)測的任務(wù)就是計(jì)算和檢驗(yàn)B值，以隔離不正常的接收觀測。傳統(tǒng)意義上，B值表征不同衛(wèi)星針對不同接收機(jī)修正量的連續(xù)性，監(jiān)測實(shí)現(xiàn)過程基于艦載M個基準(zhǔn)站接收機(jī)中的一個被假設(shè)為估計(jì)偽距校正量誤差的標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)，其余M-1個接收機(jī)把偏離標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的估計(jì)值與預(yù)定的告警閥值比較。

B值定義為某測量值與排除了某個通道后的N各測量值平均值的差，計(jì)算方式為

其中m，n為通道編號，Xm，Xn為對應(yīng)的檢測統(tǒng)計(jì)量，Bm為m通道的B值，N為總通道數(shù)量。

在沒有故障條件下，B值反映了偽距校正量與均值的差異，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。一旦衛(wèi)星故障或接收機(jī)故障，B值則會發(fā)生變化。

2.2 著艦引導(dǎo)系統(tǒng)偽距和載波B值構(gòu)造

圖1 艦船多GNSS參考站天線布局示意圖

其中A、B、C、D參考站布局同一艦船上，兩兩距離在數(shù)百米以內(nèi)，衛(wèi)星信號傳播到四個參考站經(jīng)過的傳輸路徑基本一致，因此電離層延遲、對流層延遲基本一致，即，

為了保證更好的觀測和一致性結(jié)果，艦船多參考站采用同一型號衛(wèi)導(dǎo)天線和接收機(jī)，并通過公共的外部高精度時鐘為接收機(jī)提供頻率基準(zhǔn)，因此，接收機(jī)噪聲服從同分布，接收機(jī)鐘差基本保持一致，即，

cδtra=cδtrb=cδtrc=cδtrd

由于整周模糊度的存在以及A、B、C、D四個參考站天線布局位置不同，載波相位和偽距觀測不同，進(jìn)一步地，艦船處于運(yùn)動狀態(tài)中，精確的A、B、C、D參考站坐標(biāo)無法精確獲取，因此不能根據(jù)標(biāo)定坐標(biāo)計(jì)算精確的偽距和載波修正值。因此，需要將各參考站的測量量從天線位置映射轉(zhuǎn)換到艦船參考點(diǎn)（SRP）上，并建立多站之間建立載波相位、偽距的一致性，才能夠進(jìn)行一致性監(jiān)測。

基于載波相位差分的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)多站一致性監(jiān)測方法，參閱圖2，其具體步驟如下。

圖2 載波相位差分著艦引導(dǎo)多站一致性監(jiān)測

第二步，接收多站衛(wèi)星導(dǎo)航原始觀測信息，主要包括導(dǎo)航電文、時間、偽距、載波相位、多普勒等原始觀測，并多站觀測信息時間對齊；

第五步，計(jì)算參考站偽距折算到SRP點(diǎn)處的虛擬偽距觀測值；

第六步，計(jì)算參考站載波相位折算到SRP點(diǎn)處的虛擬載波觀測值；

第七步，計(jì)算載波相位虛擬觀測的改變量和偽距改變量；

第八步，多參考站重復(fù)上述第三步至第七步過程，計(jì)算多參考站針對不同衛(wèi)星的偽距虛擬觀測量和載波相位虛擬觀測量改變值。根據(jù)虛擬偽距觀測和虛擬載波相位觀測量改變值，計(jì)算偽距和載波相位觀測的B值Bρ，Bφ。

最后，B值與參考門限比較，如果超過檢測門限，設(shè)定檢測未通過標(biāo)志。

3 故障對B值的影響分析

本節(jié)主要通過理論分析，建立一致性監(jiān)測算法與故障模式之間對應(yīng)關(guān)系，分析不同故障模式對B值及其檢測統(tǒng)計(jì)量的影響。

假設(shè)偽距和載波由于衛(wèi)星鐘跳、多徑等原因產(chǎn)生了階躍突變，則偽距觀測和載波觀測為

其中，l和θ分別為偽距和載波跳變的幅度，m為接收機(jī)編號，n為衛(wèi)星編號。

3.1 觀測階躍突變對平滑偽碼影響

載波平滑偽碼能夠提高偽距的觀測精度，載波相位平滑偽距的基本過程如下：

其中，Ns為平滑時間常數(shù)。

平滑偽距受載波和偽距的雙重影響，在偽距和相位階躍突變后，對于平滑偽距的影響如下：

3.2 觀測階躍突變對觀測B值影響

觀測B值以虛擬載波或已平滑的虛擬偽距作為檢測統(tǒng)計(jì)量，偽距和載波產(chǎn)生突變之后，檢測統(tǒng)計(jì)量B值如下：

3.3 電離層梯度誤差影響分析

為了監(jiān)視電離層異常，進(jìn)一步的構(gòu)建電離層梯度檢測統(tǒng)計(jì)量。電離層梯度反映的是電離層的變化情況，可以看成偽距和載波加入斜坡變化，載波相位和偽碼引入的偏差變化如下：

其中，le和θe分別為電離層誤差對載波和偽距影響。

采用滑動幾何平均的方法來估計(jì)碼-載波偏離，固定平均的算法如下：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，構(gòu)造半物理驗(yàn)證環(huán)境并注入故障條件，測試B值及檢測統(tǒng)計(jì)量故障響應(yīng)，在超過預(yù)定門限后，提供告警信息。

4.1 測試驗(yàn)證環(huán)境

測試環(huán)境主要包括思博倫GSS9000衛(wèi)導(dǎo)模擬器、信號功分器、銣原子鐘、4套GNSS接收機(jī)、多串口卡、計(jì)算機(jī)。利用衛(wèi)導(dǎo)模擬器產(chǎn)生兩個不同位置參考站信號，緯經(jīng)高坐標(biāo)分別為（30°，104°，500）和（30°，104°，600）。端口1信號通過功分器與接收機(jī)1、接收機(jī)2相連。端口2信號通過功分器與接收機(jī)3、接收機(jī)4、銣原子鐘相連。銣原子鐘接收模擬器信號，經(jīng)過時鐘馴服鎖定后，為接收機(jī)提供10MHz高穩(wěn)低相噪頻率信號。衛(wèi)導(dǎo)原始數(shù)據(jù)通過多串口卡連接到聯(lián)試計(jì)算機(jī)上。

圖3 實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境組成圖

4.2 實(shí)驗(yàn)仿真

實(shí)驗(yàn)仿真總時間長度1800s，更新率0.1Hz，以北斗3號衛(wèi)星為例，進(jìn)行一致性檢測分析。

4.2.1 正常觀測下的觀測B值及檢測統(tǒng)計(jì)量

正常情況下，未注入故障的衛(wèi)星觀測檢測統(tǒng)計(jì)量B值如圖4所示，可以看出，觀測量虛擬到同一個觀測站點(diǎn)后計(jì)算檢測統(tǒng)計(jì)量和B值，偽碼和載波B值保持良好的穩(wěn)定性，碼和載波偏離度及其B值維持在很小的范圍內(nèi)（mm級別變化）。

圖4 正常觀測下的檢測統(tǒng)計(jì)量及B值響應(yīng)

4.2.2 載波周跳對觀測檢測統(tǒng)計(jì)量及B值影響

在第500s對C站3號衛(wèi)星加入100周周跳，故障激勵表達(dá)式如下：

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖5所示。

圖5 加入周跳后檢測統(tǒng)計(jì)量及B值響應(yīng)

可以看出，加入載波周跳后，受相位突變的影響，C站平滑偽距B值在500s出現(xiàn)突變，突變幅度與平滑周期常數(shù)有關(guān)，本仿真中，偽碼平滑時間常數(shù)為100s，在發(fā)生突變的C站偽距B值達(dá)19m，A、B、D站B值突變幅度約為C站1/3，但隨著時間推移，逐漸收斂恢復(fù)到至0左右，收斂時間在500s左右，與平滑偽距對載波突變的響應(yīng)理論分析相符。載波B值C站B值在500s后，一直維持在100周，而A、B、D站B值維持在33周左右，并未恢復(fù)至0。碼-載波偏離上，受碼載波分離度平滑和偽碼平滑的綜合影響，C站在500s開始，逐漸發(fā)生增大，A、B、D站變化幅度約為C站的1/3，600s左右達(dá)到B值幅度的最大值，隨后逐漸減小恢復(fù)至0，同時隨時間推移逐漸收斂至0。

4.2.3 多徑對觀測檢測統(tǒng)計(jì)量及B值影響

在第600s～605s對C站3號衛(wèi)星偽距注入30m多徑，故障激勵表達(dá)式如下：

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖6所示。

圖6 加入多徑后檢測統(tǒng)計(jì)量及B值響應(yīng)

可以看出，加入多徑后，受偽距突變的影響，C站平滑偽距B值幅度在600s開始增加，由于平滑因子的存在，平滑偽距受到的影響只有1/Ns，時域內(nèi)檢測具有一定的滯后性。因此，平滑偽距B值在故障點(diǎn)后呈現(xiàn)出累積增加的趨勢，逐漸超過檢測門限（0.5m）。偽距多徑不影響載波，因此載波B值無變化。碼-載波偏離上，C站B值從600s開始增大，A、B、D站變化幅度約為C站的三分之一，多徑誤差消失后，由于濾波效應(yīng)，碼載波偏離度B值隨時間增加逐漸收斂至0。

4.2.4 電離層梯度對觀測檢測統(tǒng)計(jì)量及B值影響

在第500s～673s對C站加入0.1m/s的電離層梯度誤差，故障激勵表達(dá)式如下。

原始偽距、平滑偽距、載波和碼-載波分離度B值變化如圖7所示。

圖7 加入電離層梯度后的檢測統(tǒng)計(jì)量及B值響應(yīng)

從圖中可以看出，在電離層梯度的影響下，偽距和載波B值無明顯變化。在1000個歷元有限的時間內(nèi)，平滑偽距B值相對比與正常環(huán)境下的B值無明顯變化。由于平滑偽距與載波的逐漸分離，因此碼-載波偏離度在電離層梯度加入后產(chǎn)生偏離，但不同接收機(jī)由于區(qū)域靠近，在偽碼-載波觀測精度接近的條件下，偏離度區(qū)別不大，從上圖可以看出，偏離度基本重合，體現(xiàn)在B值上，與正常無分離時無明顯不一致。

所以，B值檢驗(yàn)方法可以有效檢測周跳、多徑，但無法檢測出電離層的梯度效應(yīng)。

5 結(jié)語

本文針對基于衛(wèi)星引導(dǎo)的著艦對載波相位完好性監(jiān)測的需求，開展基于移動多參考站的偽距、載波相位一致性技術(shù)研究。本文提出了基于虛擬觀測的多參考站B值構(gòu)造方法，分析了不同故障對平滑偽碼、偽碼/載波B值和碼載波偏離度的影響。以虛擬載波、平滑偽距作為一致性檢測統(tǒng)計(jì)量，構(gòu)建B值，在實(shí)驗(yàn)室建立半實(shí)物測試環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，本文提出的基于虛擬觀測的移動多站一致性監(jiān)測方法能夠有效檢測周跳、多徑，檢測時間在單歷元以內(nèi)，對于影響所有接收機(jī)通道電離層的梯度效應(yīng)檢測能力有限。