衛(wèi)星導(dǎo)航裝置的廣域差分技術(shù)應(yīng)用范文

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《航天控制》2016年第5期

摘要:針對(duì)彈載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置進(jìn)行了需求分析，提出了應(yīng)用廣域差分技術(shù)及多陣元自適應(yīng)抗干擾技術(shù)的方案，并對(duì)達(dá)到的指標(biāo)要求進(jìn)行了分析與計(jì)算。

關(guān)鍵詞:彈載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置;廣域差分;多陣元;自適應(yīng)抗干擾

1彈載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置需求分析

隨著美國GPS系統(tǒng)的全面普及以及我國BD2系統(tǒng)的投入使用，采用BD2，GPS等單一或多模式兼容導(dǎo)航的接收裝置在各種裝備中的應(yīng)用日益廣泛。衛(wèi)星加慣性的導(dǎo)航組合已成為現(xiàn)階段各類飛行控制系統(tǒng)的基本配置，可以提供持續(xù)、精確的位置、速度和時(shí)間信息。任何導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于提高精度指標(biāo)的追求都是不斷提高的。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展，采用差分定位或雙頻定位技術(shù)，可以進(jìn)一步有效提高定位精度。單頻接收機(jī)采用廣播星歷進(jìn)行非差分定位時(shí)，其主要誤差源來自電離層，因不同頻段的信號(hào)通過電離層的延遲不同，造成的誤差可以達(dá)到數(shù)十米。一般的單頻GPS接收機(jī)通過電離層模型減小誤差，但模型并不能很好地修正實(shí)際誤差，修正后的誤差仍為幾米左右，特別是低仰角衛(wèi)星，其誤差更大。通過雙頻觀測(cè)值可以有效消除電離層影響，從而大幅度提高定位精度。但是，由于雙頻接收機(jī)的失鎖定位時(shí)間過長(大于1min)，不能滿足彈載控制系統(tǒng)姿態(tài)變換失鎖后快速重捕定位的使用需要，因此本文針對(duì)廣域差分技術(shù)方案展開論述。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航裝置，另一個(gè)重要的指標(biāo)是抗干擾能力。雖然衛(wèi)星導(dǎo)航具有覆蓋度廣、持續(xù)定位精度高和成本低等特點(diǎn)，但其衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的脆弱性也不容忽視，采用壓制式、欺騙式干擾可對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置實(shí)施有效的干擾:功率為1W的干擾機(jī)可以使85km以內(nèi)的C/A碼接收機(jī)無法工作，干擾功率每增加6dB，有效干擾距離就增加1倍。對(duì)于GPS系統(tǒng)，C/A碼接收機(jī)的抗干擾裕度約在30dB以下，一般認(rèn)為是25dB;P碼接收機(jī)的抗干擾裕度約在43dB左右，一般的干擾機(jī)很容易達(dá)到。因此，目前對(duì)于所有的彈載衛(wèi)星導(dǎo)航接收裝置均提出了抗干擾的要求，以提高自身在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。綜上所述，彈載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置的總體需求可以概括為:高精度與抗干擾。為滿足上述需求，本文對(duì)精度指標(biāo)的提高采用廣域差分技術(shù)解決，對(duì)抗干擾能力的提高則采用多陣元天線自適應(yīng)方案解決。

2廣域差分技術(shù)方案

廣域差分技術(shù)原理是對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)量的誤差源分別加以區(qū)分和“模型化”，然后將計(jì)算出的每一個(gè)誤差源的誤差修正值傳輸給用戶終端，對(duì)用戶在衛(wèi)星定位中的誤差加以修正，以達(dá)到削弱這些誤差源和改善用戶衛(wèi)星定位精度的目的。北斗廣域差分信息存在于衛(wèi)星電文中，這些電文設(shè)有加密標(biāo)志位。北斗地面運(yùn)控站通過收集北斗衛(wèi)星觀測(cè)站數(shù)據(jù)，對(duì)亞太地區(qū)的電離層分布進(jìn)行計(jì)算，形成電離層網(wǎng)格圖，在衛(wèi)星導(dǎo)航電文中播發(fā)電離層網(wǎng)格各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電離層誤差值。北斗用戶根據(jù)自身定位結(jié)果，確定處于哪個(gè)電離層網(wǎng)格中，并通過解析電文，獲得相對(duì)應(yīng)的電離層網(wǎng)格4個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電離層誤差值，根據(jù)當(dāng)前粗略的定位位置，計(jì)算電離層的穿刺點(diǎn)，并根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)插法，計(jì)算穿刺點(diǎn)的電離層延遲，對(duì)接收機(jī)的偽距進(jìn)行修正，從而獲得更加準(zhǔn)確的衛(wèi)星位置。GPS的廣域差分采用專用的WASS衛(wèi)星播發(fā)電離層修正信息，該系統(tǒng)由美國控制，而且用于廣域差分的GPS觀測(cè)站在中國地區(qū)較少，不能提供較好的電離層網(wǎng)格修正，因此WASS系統(tǒng)提供的GPS廣域差分服務(wù)在中國區(qū)域未達(dá)到其標(biāo)稱精度。普通單頻接收機(jī)采用衛(wèi)星廣播的電離層模型參數(shù)修正偽距誤差，大致能校正真實(shí)電離層延時(shí)誤差的50%以上;而廣域差分接收機(jī)采用衛(wèi)星廣播的電離層格網(wǎng)參數(shù)修正偽距誤差，可以進(jìn)一步提高誤差修正能力。廣域差分模式下采用基于偽碼測(cè)距的定位方式，其定位精度主要由偽距精度乘以衛(wèi)星DOP值來決定。而偽距精度中包含偽距自身的測(cè)量精度，以及電離層誤差、衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星星鐘誤差等。

星歷誤差主要來源于衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星鐘差，因?yàn)殓姴钍侵苯臃从吃趥尉嗌系模虼绥姴畹挠绊懜螅ǔV播星歷對(duì)偽距造成的誤差為0．5～1m左右，經(jīng)過廣域差分星歷修正后的衛(wèi)星鐘差精度為3ns，則對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星鐘差誤差造成的偽距誤差降低為:σSat(BD－2)≈1×3/5=0．6m。通常經(jīng)過電離層模型修正的普通定位，電離層誤差在1～2m，而北斗廣域差分電離層修正精度一般可以提高到0．5m以下。對(duì)于偽距自身的測(cè)量精度，近似認(rèn)為是0．5m。綜上，總的偽距誤差約為:σSBAS=σSat(BD－2)+σION(BD－2)+σtDLL(BD－2)=0．6+0．5+0．5=1．6m在重點(diǎn)區(qū)域，其PDOP值通常小于2．5，則水平HDOP和高程VDOP通常在1．5以下，因此，重點(diǎn)區(qū)域的水平和高程誤差為:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1．6×1．5=2．4m＜3m，在非重點(diǎn)區(qū)域，其PDOP值以5為例，則水平HDOP和高程VDOP通常在2．5左右，因此，非重點(diǎn)區(qū)域的水平和高程誤差為:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1．6×2．5=4．0m＜5m。

3多陣元自適應(yīng)抗干擾技術(shù)方案

為提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，目前最為常用的是多陣元天線自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。按照陣元的空間分布方式，常見陣列分為均勻線陣、均勻圓陣和均勻弧陣等，本文采用均勻圓陣，由陣列天線與數(shù)字波束形成器一起構(gòu)成空域?yàn)V波器，將衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過自適應(yīng)算法進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減器、移相器的控制。由7個(gè)天線陣元組成均勻圓陣，1個(gè)天線位于圓心，其余6個(gè)天線均勻分步于圓周。各路天線輸出的射頻信號(hào)經(jīng)低噪放放大及下變頻變換后，由A/D采樣進(jìn)入FPGA進(jìn)行信號(hào)處理。根據(jù)自適應(yīng)收斂準(zhǔn)則不同，自適應(yīng)調(diào)零算法分為多種，其中最常用的是最小均方誤差(LMS)算法和功率反演(PI)算法。功率反演算法在1966年由BernieWidrow首次提出，可以有效提高對(duì)抗壓制性干擾的能力，是LMS算法的改進(jìn)，解決了LMS算法中參考信號(hào)難以提取的問題。在有效衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)并存的環(huán)境下，相當(dāng)于多個(gè)信號(hào)源存在于空間中的不同位置，這些信號(hào)被包含天線陣列的平臺(tái)接收后，通過自適應(yīng)算法調(diào)整每個(gè)陣元上的權(quán)值，對(duì)信號(hào)空間里的每個(gè)信號(hào)源進(jìn)行加權(quán)求和處理。

在權(quán)值計(jì)算中，不需要參考信號(hào)，也不需要預(yù)先知道干擾的方向和功率大小，而是靠算法本身尋找干擾，并加以抑制，干擾越強(qiáng)，零陷越深，從而使接收波束具有特定的形狀和希望的零點(diǎn)，達(dá)到通過有用方向的信號(hào)，并抑制不需要方向干擾及噪聲的目的。其中，N為天線陣元個(gè)數(shù)，x(n)為N元天線陣列的輸入，包括有用信號(hào)、干擾和噪聲，y(n)為N元陣的加權(quán)求和輸出，μ為迭代步長。抗干擾指標(biāo)主要可以分解為3個(gè)方面:波束指向增益、空時(shí)自適應(yīng)濾波陷零增益和擴(kuò)頻增益。波束指向增益與天線陣元數(shù)成正比，七陣元天線的波束指向增益約為8．5dB。空時(shí)自適應(yīng)調(diào)零濾波對(duì)于單頻正弦波干擾的抑制能力遠(yuǎn)大于寬帶干擾，因此選取比較嚴(yán)酷的寬帶干擾進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，七陣元系統(tǒng)對(duì)于85dB的寬帶干擾，一般能夠保證陷零增益50dB的指標(biāo)要求。對(duì)于BD2系統(tǒng)，理論上采用擴(kuò)頻體制可以提供40dB的干擾抑制能力，實(shí)際使用由于多種因素的影響，干擾抑制能力約為30dB。綜上，本文提出的七陣元均勻圓陣自適應(yīng)系統(tǒng)的干擾抑制能力可以達(dá)到88．5dB。

4結(jié)語

應(yīng)用廣域差分技術(shù)可以獲得衛(wèi)星導(dǎo)航精度的顯著提高，而隨著實(shí)戰(zhàn)化的要求，抗干擾性能已成為彈載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的常見技術(shù)指標(biāo)。本文對(duì)彈載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，采用了廣域差分技術(shù)及多陣元自適應(yīng)抗干擾的技術(shù)方案，并對(duì)達(dá)到的指標(biāo)要求進(jìn)行了分析與計(jì)算。可以預(yù)見的是，廣域差分及抗干擾技術(shù)一定會(huì)進(jìn)入彈載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置的主流方案，成為基本組成部分從而被廣泛使用。

作者：楊靜1，2；蔡燕斌1；沈利華1；石磊1；何巍1 單位：1．北京航天自動(dòng)控制研究所宇航智能控制技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室