黃黎平

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

基于衛(wèi)星載波相位差分定位方法的直升機(jī)著艦引導(dǎo)作為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景之一，需全方位關(guān)注導(dǎo)航定位的精度、可靠性、連續(xù)性和完好性[1]，目的是引導(dǎo)艦載直升機(jī)安全可靠的歸航和著艦等飛行作業(yè)。衛(wèi)星載波相位差分定位具有精度高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但也存在易受環(huán)境影響比如遮擋和電磁干擾等的弱點(diǎn)。較之衛(wèi)星其他應(yīng)用場(chǎng)景，直升機(jī)旋翼環(huán)境對(duì)衛(wèi)星信號(hào)存在周期性遮擋，直接影響到衛(wèi)星信號(hào)的可用性和連續(xù)性，因此研究旋翼環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)處理技術(shù)和載波相位差分定位方法是做好基于衛(wèi)星載波相位差分定位著艦引導(dǎo)的關(guān)鍵所在。

本文研究直升機(jī)旋翼環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)處理和載波相位差分定位技術(shù)，立足于直升機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用。對(duì)直升機(jī)旋翼進(jìn)行建模，研究旋翼對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，為信號(hào)跟蹤設(shè)計(jì)和定位方法設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)；研究衛(wèi)星信號(hào)跟蹤質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，為定位提供更加可靠的觀測(cè)量；研究RTK 模糊度固定率影響因素，設(shè)計(jì)旋翼環(huán)境下適應(yīng)性更強(qiáng)的RTK 定位方法。應(yīng)用本文研究內(nèi)容的工程產(chǎn)品，為直升機(jī)在起飛、在航飛行和著艦等提供準(zhǔn)確RTK 高精度位置，支撐順利安全執(zhí)行各項(xiàng)飛行任務(wù)。

1 著艦引導(dǎo)介紹

艦-機(jī)高精度相對(duì)定位應(yīng)用模式如圖1 所示，艦載衛(wèi)星導(dǎo)航差分站通過安裝于艦面的衛(wèi)導(dǎo)天線接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行載波相位測(cè)量并播發(fā)載波相位差分服務(wù)，同時(shí)利用艦上原有的慣導(dǎo)系統(tǒng)的信息，完成位置、姿態(tài)解算及預(yù)測(cè)、飛行航跡的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等，為艦-機(jī)高精度相對(duì)定位，無人機(jī)著艦提供保障。

圖1 艦-機(jī)高精度相對(duì)定位應(yīng)用示意圖

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)完成艦船向飛機(jī)的載波相位差分信息播發(fā)、艦船運(yùn)動(dòng)信息和姿態(tài)的播發(fā)，接收飛機(jī)返回的運(yùn)動(dòng)信息和姿態(tài)信息，播發(fā)告警信息。

裝備于直升機(jī)上的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備通過機(jī)載數(shù)據(jù)鏈完成衛(wèi)導(dǎo)的差分服務(wù)數(shù)據(jù)的接收，完成動(dòng)態(tài)差分解算，與機(jī)載的慣導(dǎo)完成融合解算功能，再通過數(shù)據(jù)鏈將運(yùn)動(dòng)信息回傳給艦載系統(tǒng)。

本文研究旋翼環(huán)境下基于載波差分定位方法的著艦引導(dǎo)應(yīng)用，如圖2 所示，從高可靠性、高可用性、高更新率和高精度等維度進(jìn)行，為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用效果，從以下幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)：（1）旋翼對(duì)衛(wèi)星信號(hào)影響分析；（2）衛(wèi)星信號(hào)跟蹤質(zhì)量檢測(cè)；（3）RTK 模糊度固定率影響分析；（4）旋翼環(huán)境下RTK 解算。

圖2 本文技術(shù)點(diǎn)說明示意圖

2 旋翼對(duì)衛(wèi)星信號(hào)影響分析

圖3 為螺旋槳葉和衛(wèi)星天線相對(duì)位置的示意圖。其中，天線半徑為r，天線中軸與槳葉旋轉(zhuǎn)軸的距離為d。假設(shè)直升機(jī)有N 片槳葉，槳葉勻速旋轉(zhuǎn)且角速度為sω，槳葉與天線的高度差為h。對(duì)于天線而言，槳葉的復(fù)現(xiàn)周期為：

圖3 螺旋槳葉與衛(wèi)星天線的相對(duì)位置

螺旋槳葉對(duì)信號(hào)的影響可簡化為占空比來進(jìn)行分析。槳葉對(duì)天線遮擋占空比的最終結(jié)果[2]：

θ為槳葉旋轉(zhuǎn)平面與投影平面的夾角，可以看出占空比跟衛(wèi)星的高度角和相對(duì)方位角有關(guān)。

（1） 在同一方位角下，仰角越大的衛(wèi)星信號(hào)受遮擋的占空比越小，即受遮擋程度越??；

（2） 在同一仰角下，與參考方向方位角差為0°（衛(wèi)星方位角與參考方向一致）的衛(wèi)星信號(hào)受遮擋的占空比最小，方位角差為180°（衛(wèi)星方位角與參考方向反向）的衛(wèi)星信號(hào)受遮擋的占空比最大。

對(duì)旋翼遮擋影響進(jìn)行建模，圖4 中深藍(lán)色圓圈內(nèi)部分為旋翼對(duì)天線的影響部分。

圖4 螺旋槳葉對(duì)天線影響示意圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)旋翼對(duì)天線影響如圖5、圖6 所示，其中粉色部分表示四片螺旋槳葉對(duì)天線的遮擋情況。

圖5 時(shí)刻1 螺旋槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)天線影響示意圖

圖6 時(shí)刻2 螺旋槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)天線影響示意圖

占空比表征的是旋翼對(duì)信號(hào)遮擋的比例，也即意味著信號(hào)能量損失的大小。遮擋占空比越大，信號(hào)損失越大，信號(hào)平均功率越??；反之，遮擋占空比越小，信號(hào)損失越小，信號(hào)平均功率越大。

3 衛(wèi)星信號(hào)跟蹤質(zhì)量檢測(cè)

在環(huán)路設(shè)計(jì)中采用IP 和QP 值比較法進(jìn)行環(huán)路質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)流程如圖7 所示。

圖7 環(huán)路質(zhì)量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程圖

在衛(wèi)星接收機(jī)中，為適應(yīng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景應(yīng)用需求，通道部分采用三階COSTAS 環(huán)組成的PLL 環(huán)路結(jié)合二階DLL 環(huán)路進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤處理，以便在嘈雜的環(huán)境噪聲中提取我們所需要的衛(wèi)星信號(hào)，如圖8 所示。

圖8 I/Q 解調(diào)法

圖9 RTK 應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

對(duì)于輸入信號(hào)，定義其輸入信噪比為[3]（其中sP為信號(hào)功率，nP為噪聲功率）：

假定輸入信號(hào)為白噪聲，根據(jù)鎖相環(huán)相關(guān)理論，輸出信噪比為：

輸出信號(hào)的相位抖動(dòng)均方值為：

在直升機(jī)啟動(dòng)旋翼的過程中，接收機(jī)逐步處于近似周期性的旋翼遮擋場(chǎng)景，此時(shí)輸入信號(hào)存在近似周期性的信噪比變化，信噪比的變動(dòng)引起的輸入信號(hào)的相位抖動(dòng)也體現(xiàn)在環(huán)路輸出信號(hào)的相位抖動(dòng)中，從而引起相關(guān)器I/Q 支路能量比例出現(xiàn)失衡，從而出現(xiàn)QP 大于IP 的情況。

4 RTK 模糊度固定率影響分析

差分定位的基本思想是利用相距不遠(yuǎn)（一般指15km以內(nèi)）兩個(gè)觀測(cè)站之間的空間相關(guān)性，通過對(duì)兩個(gè)測(cè)站進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理可以消除或減弱相關(guān)誤差，從而得到比單點(diǎn)定位更高的定位精度。按用戶處理數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，差分技術(shù)可分為：實(shí)時(shí)差分和事后差分；按觀測(cè)值的類型不同可分為：偽距差分和載波差分；按解算方式不同可分為：坐標(biāo)差分和距離差分。載波相位的差分模型又分為單差模型、雙差模型和三差模型。其中精密相對(duì)定位采用載波相位的雙差模型，結(jié)合精確的誤差修正方法，載波相對(duì)定位的精度能夠達(dá)到毫米級(jí)至厘米級(jí)，該方法廣泛應(yīng)用于大地動(dòng)力學(xué)、大地控制網(wǎng)的建立等。

模糊度固定成功率其表達(dá)式為[4]：

其中，n 表示模糊度數(shù)量（衛(wèi)星數(shù)量），σi|I表示第i 次搜索時(shí)模糊度誤差方差的均方根， Φ （x）為累計(jì)分布函數(shù)，可表示為：

且滿足：

由公式（6）可知，模糊度固定成功率由衛(wèi)星數(shù)目n 和σi|I共同決定。

5 旋翼環(huán)境下RTK 解算實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)旋翼下基于RTK[5]技術(shù)的著艦引導(dǎo)應(yīng)用，采用如下技術(shù)。

（1）PDOT 觀測(cè)量推算

PDOT 技術(shù)利用前后歷元載波觀測(cè)值差異快速得到相鄰時(shí)刻移動(dòng)站位置的增量，然后根據(jù)上個(gè)時(shí)刻的移動(dòng)站絕對(duì)位置即可確定當(dāng)前時(shí)刻的絕對(duì)位置，從而克服基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)傳播時(shí)延的影響，實(shí)現(xiàn)RTK 低時(shí)延能力。

（2）慣導(dǎo)輔助周跳探測(cè)

飛機(jī)著陸環(huán)境較為復(fù)雜，載波測(cè)量值難免受到多徑等影響，造成載波周跳，若該周跳不能被及時(shí)檢出，會(huì)造成相對(duì)差分結(jié)果異常。利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的慣導(dǎo)信息進(jìn)行輔助，壓縮整周模糊度搜索空間，實(shí)現(xiàn)模糊度的快速逼近和求解，并可簡單有效地檢測(cè)出發(fā)生小到一周的周跳，實(shí)現(xiàn)RTK 高更新率和高可用性。

（3）多歷元模糊度解算

利用之前歷元信息作為估計(jì)量不斷修正觀測(cè)量，獲取更高精度模糊度浮點(diǎn)解，從而有效提升模糊度成功率，實(shí)現(xiàn)RTK 高可用性。

（4）寬窄巷組合

寬巷模糊度解算方程維數(shù)相對(duì)于原始單頻模糊度降低一半，使模糊度具備高更新率，實(shí)現(xiàn) RTK 快速解算能力。窄巷具有觀測(cè)誤差較小優(yōu)勢(shì)，兩者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)RTK 高可靠性。

結(jié)合上述RTK 主要技術(shù)方法，高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的RTK 技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖10 所示。

圖10 技術(shù)設(shè)計(jì)框圖

6 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證旋翼環(huán)境下基于衛(wèi)星載波差分定位方法的效果，在實(shí)船上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖11 所示。

圖11 船載直升機(jī)試飛試驗(yàn)場(chǎng)景圖

試驗(yàn)分析分別對(duì)旋翼遮擋占空比、旋翼對(duì)環(huán)路IPQP 值影響，以及RTK 固定情況進(jìn)行分析。圖12 為測(cè)試時(shí)段衛(wèi)星分布情況、表1 為不同高度角區(qū)間有效衛(wèi)星數(shù)量。

表1 不同高度角區(qū)間有效衛(wèi)星數(shù)量

圖12 試驗(yàn)時(shí)段衛(wèi)星分布情況

6.1 旋翼遮擋占空比分析

針對(duì)實(shí)際收星分析旋翼對(duì)天線遮擋的占空比，根據(jù)公式（2），衛(wèi)星的遮擋占空比如表2 所示。

表2 旋翼對(duì)衛(wèi)星影響的占空比匯總

6.2 信號(hào)能量細(xì)化分析

使用實(shí)際采集的射頻信號(hào)進(jìn)行后處理分析，分析旋翼下CNR 變化和IPQP 變化，具體包括靜態(tài)和旋翼開車階段。以PRN24 為例進(jìn)行說明。

圖13 包含了旋翼三個(gè)階段的衛(wèi)星PRN24 的信號(hào)強(qiáng)度，分別是旋翼靜止階段、旋翼快速階段和旋翼慢速階段。從圖中可以看出在旋翼靜止和旋翼快速階段衛(wèi)星信號(hào)穩(wěn)定，而旋翼慢速階段衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)的情況。

圖13 旋翼環(huán)境下信號(hào)CNR 序列圖

圖14 展示了旋翼三個(gè)階段的衛(wèi)星PRN24 的IP 和QP的序列圖，其中藍(lán)色為IP 值，紅色為QP 值。分別包含了旋翼靜止階段、旋翼快速階段和旋翼慢速階段。從圖中可以看出在旋翼快速階段QP 值明顯增大；而旋翼慢速階段衛(wèi)星信號(hào)QP 比IP 值明顯增大，甚至信號(hào)不可用。

圖14 旋翼下IP 和QP 序列圖

6.3 著艦引導(dǎo)RTK 定位分析

分析實(shí)船實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表3 展示了RTK 定位的固定率情況、表4 為RTK 定位精度，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。

表3 RTK定位情況分析

表4 RTK精度對(duì)比結(jié)果

7 結(jié)論

旋翼環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用存在復(fù)雜的影響，具體表現(xiàn)為旋翼動(dòng)態(tài)情況下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)存在周期性遮擋，對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)造成能量損失，可明確的是衛(wèi)星信號(hào)的接收強(qiáng)度有明顯的降低，從IPQP 比值法分析可看出信號(hào)跟蹤質(zhì)量明顯降低。為實(shí)現(xiàn)旋翼環(huán)境下基于衛(wèi)星載波相位差分定位在著艦引導(dǎo)的可靠應(yīng)用，旋翼環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)處理技術(shù)，為定位解算提供可靠的衛(wèi)星觀測(cè)量是衛(wèi)星著艦引導(dǎo)的先決條件；載波相位差分定位技術(shù)，為著艦引導(dǎo)提供高精度位置信息，是衛(wèi)星著艦引導(dǎo)的關(guān)鍵一環(huán)。