海基精密着舰导航完好性监测方法研究

海基精密着舰导航完好性监测方法研究


2023年12月27日发(作者:)

第40卷第7期 2018年7月 舰船科学技术 Vo1.40.No.7 SHIP SCIENCE AND TECHNoLoGY Ju1.,2018 海基精密着舰导航完好性监测方法研究 陈 晶 ,袁书明 ,李 亮 ,贾 春 ,程建华 (I.海军研究院,北京100073;2.哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:精密着舰导航是提升航空母舰作战效能的重要保障。高精度的载波相位差分定完好性监测方法是满 足精密着舰导航高精度和高可靠性的必然选择。考虑到影响精密着舰导航精度及可靠性的多重风险源,重点针对保 证着舰可靠性的完好性监测法,分别从完好性风险概率分配技术、整周模糊度解算正确性检验以及基线形变量监测 等国内外研究现状进行分析和研究,从而为构建精密着舰导航系统的完好性监测技术提供参考和依据。 关键词:精密着舰;完好性监测;完好性风险概率分配;整周模糊度;基线形变 中图分类号:U666.1 文献标识码:A doi:10.3404 ̄.issn.1672—7649.2018.07.022 文章编号:1672—7649(2018)07—0121—04 Integrity monitoring method of sea-—based precision ship--landing navigation CHEN Jing。,YUAN Shu-ming ,LI Liang2,JIA Chun2,CHENG Jian—hua2 (1_Naval Research Academy,Beijing 100073,China; 2.College ofAutomation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:Precise navigation of ship··landing is the fundamental ̄chnology to guarantee the fighting eficiency ifm·- provement ofaircraft-carrier.The integrity monitoring methodology ofhigII·precision carrier-phase diferential positioning is he tinevitable choice to satisfying he tdemanding navigational requirements of hi曲accuracy and high reliabiliy.Regartding to the effect of multiple integriy ritsk resources on navigation accuracy and reliability of precise ship—landing,we focus on the integrity monitoring methods for the reliability of precise ship·-landing by he analtyzing and summarizing he ttechnolo-- gies of integriy trisk probabiliy tallocation,the correctness validation of integer ambiguiy,and tthe baseline flexure detection, which aims to provide he reference tand the foundation for he tintegriy tmonitoring ofprecise ship-landing. Key words:precise ship-landing;integrity monitoring;itegriny rtisk probability allocation;integer ambiuitgy; baseline flexure 0 引 言 航空母舰整个作战链条中,精密着舰是其中最重 表着舰、着舰引导雷达等着舰引导体制,还存在如:进近 阶段需人工辅助,同时引导架数较少(仅2架),引导距离 有限(10nmile),设备安装复杂以及引导精度低(仅 为米级)等缺点,其根本原因在于以上系统还无法避 要的环节之一,也是事故发生率最高的环节。统计数 据表明,航母舰载机约80%的事故是在着舰过程中发 生的【”,因此如何保证着舰过程的可靠性是实现精密 着舰的关键技术之一。目前已有的着舰导航方式,从 人工目视着舰到仪表半自动着舰,再到现在的全自动 着舰,历经信号灯、“菲涅尔”光学助降镜、仪表着 免大气环境和进场方式对着舰的影响,因而难以满足 “全天候”和高可靠性的着舰需求。而卫星导航的日 趋成熟,以其全天候、作用范围广以及导航定位精度 高等特点,极大提升了着舰的有效性,从而有望满足 着舰引导作用范围广,“宽天候/全天候”,可同时引 舰、着舰引导雷达、卫星引导等多种着舰导航体制,如表1 所示。相应着舰体制的装备物理形态如图1所示。 导多架,安装简易,支持多类型的着舰飞行器、引导 精度达到分米级等新需求,已成为着舰导航技术的研 由表1可知,采用信号灯、菲涅尔光学助降镜、仪 收稿日期:201 8—04一l0 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(61773132);国家自然科学基金面上资助项目(61633008);工信部创新专项资助项目 中央高校基金基本科研业务费资助项目(HEUCFP201768);黑龙江省博士后科研启动基金资助项目(LBH—Q15033) 作者简介:陈晶(1966一),女,高级工程师,研究方向为卫星导航。 

舰船科学技术 第40卷 表l着舰引导体制发展概况 Tab.1 Developing of ship—landing schemes 术来看,它并未采用支持民用航空陆基增强系统的伪 距差分定位技术,其主要原因在于传统基于伪距差分 定位精度难以满足着舰系统的精度需求,而是采用了 基于载波相位实时差分定位技术,这使研究基于载波 — (b)“塔康” 二 相位差分定位技术的完好性监测成为必然要求。 1 完好性监测技术 考虑到海上应用环境的特殊性,载波相位差分观测 粤 量主要受3种误差源的影响更为突出:1)差分电离层 延迟误差。电离层延迟误差具有的空时效应将导致差 分电离层延迟误差的存在[2]。在某些极端情况下(如 电离层闪烁或高动态环境),陔部分误差会急剧增 大,可对相对定位精度产生灾难性的影响 1。2)差分 (C)测速测距雷达 (d)SB.JPALS(卫星差分) 图l各着舰系统的物理形态 Fig.1 Physical styles of several landing systems 对流层延迟误差。在差分过程中一般都可近似忽略, 但是在基站和用户端天线高度相差较大时,将对定位 误差产生确定性的影响。3)多径误差。文献【4】的研究 究热点。 表明由于基站与用户端之间多径误差的强非相关性, 多径误差成为载波相位差分定位主要误差源之一。 目前,以美国为首的多个国家都在研究利用卫星导航 技术支撑全自动着舰。美国受到陆基增强系统辅助民用 上述多种误差的存在使得载波相位双差观测量中 不仅包含零均值高斯误差,而且还有非零均值高斯误 航空着陆的启发.研发基于海上移动平台的联合精密进近 着舰系统(Joint Precision Approach and Landing System, JPALS)并于20l 5年成功辅助X一47B无人舰载机在 差和非高斯误差,从而损害整周模糊度解算对各种误 差分布做出的理论假设基础,进而影响载波相位差分 定位解算的可靠性。正是基于这种原因,周扬眉【5]博 士的研究指出,整周模糊度的解算及其可靠性检验是 “布什”号航母上完成了世界上首次弹射起飞和舰载 机着舰性能测试及测试。欧洲多个拥有航母的国家也 开展了舰载机着舰导航及其性能测试技术的研究,英 载波相位差分定位的核心问题。在精密着舰过程中, 一国早在2010年就开始研究GPS相对定位技术辅助舰载 机着舰性能测试.并由此研制成真正意义上具有自主 方面,前述各种误差将影响整周模糊度可靠性的检 验。文献[6]的研究表明,多参考接收机引入的冗余性 不仅有助于充分抑制多径误差以及接收机噪声等误差 性能的舰载机着舰系统,并计划在“伊丽莎F1女王” 号航空母舰上完成海上测试。法国20l2年在拉菲特级 护卫舰上完成了舰载无人机的舰载机着舰系统的测试 的影响,并可提供基线长度和模糊度空间约束等辅助 条件,从而提高整周模糊度同定解的搜索效率和可靠 性。另一方面,在外界导航环境较为恶劣时.所建立系 统模型容易发生扰动甚至失真,例如安装在桁端和着 舰点的参考接收机构成的相对基线矢量产生形变l 7l, 及其性能标校,但是该套着舰测试系统不依赖于卫星 导航系统.因此仍然受到着舰天气和着舰进场容量的 限制,无法将舰载机着舰的作战优势发挥到最大。从 美国先进的JPALS系统所采用的着舰技术所披露的技 从而影响差分定位的精度和可靠性。南此,进行基线 

第40卷 陈 晶,等:海基精密着舰导航完好性监测方法研究 123· 形变量的完好性监测研究显得尤为必要。综上所述, 将完好性监测理论应用于载波相位差分定位时,如何 补偿非理想完好性风险源并建立完备的完好性风险概 率分配技术,检验整周模糊度的可靠性,以及实现基 线形变量的完好性监测,对保证精密着舰的可靠性提 出更高的挑战。 1.1 非理想性完好性风险源的补偿以及完好性风险概率 分配 由于着舰导航大气环境的恶劣性、海浪对母舰三 自由度干扰以及母舰和着舰对象之间相对高动态性, 载波相位差分定位误差源具有以下特点:一方面,由 于多径误差近似服从类正弦分布,使得观测量残差表 现出非高斯化的特征【81。另一方面,由于母舰和着舰 对象的高速运动,差分模式下的电离层延迟误差具有 非零均值的特点[9】。为抑制误差源的多样性和复杂性 对定位精度和实时性的干扰,有必要分析各误差源作 用的时空特性,研究利用多频观测量的组合,以几何无关 (GeomelryFree,GF)和电离层无关(IonosphereFree,IF) 滤波方法为基础,构建新型滤波器以提高载波相位差 分定位的抗干扰性能。上述各类型误差还将导致双差 观测量误差的非理想性,使得整周模糊度可靠性检验 理论的误差分布理想假设不再可靠。目前广泛采用 sigma膨胀法及其改进型膨胀技术补偿包含非零均值高 斯误差和非高斯误差在内的非理想误差[10],然而,为满 足对各类型非理想误差的覆盖,传统sigma膨胀算法 需要采用较大的膨胀系数,可用性水平将随之降低。 尤其当非零均值过大或者非高斯化较为严重时,系统 将失去可用性,因此必须恰当地选择膨胀方案,使其 在误差覆盖和提升可用性水平2个方面的性能达到最 优。此外,在提升基于膨胀算法的可用性水平方面, 与卫星几何分布相关的几何因子对系统可用性水平具 有显著的杠杆作用,因此有必要研究将膨胀方案和卫 星几何分布的杠杆作用相结合,使得载波相位差分定 位模式下的可用性水平达到最优。 影响精密着舰导航性能的完好性风险源众多,而 对应完好性风险源所分配的完好性风险概率直接决定 了其可用性水平,因此多完好性风险源的风险概率分 配成为系统完好性监测首先要解决的问题。传统平均 化分配的方法忽略了不同完好性风险源对定位误差贡 献的主次问题,导致系统总体可用性水平低下。提高 局部监测效率的方法也将引起系统可用性的“木桶效 应”:即通过调整针对某一特定风险源的完好性风险 概率以提高其可用性水平,而导致系统其他完好性风 险源的可用性水平降低。因此有必要根据系统总体完 好性风险要求,以最优可用性水平为目的,建立完备 的完好性风险概率分配方案,实现对多完好性风险源 的最优统筹监测。 1.2整周模糊度的可靠性检验 实现高可靠性的精密定位关键之一在于如何依据 整周模糊度的解算方法检验整周模糊度可靠性【51“】。为 此,Teunissen教授提出了可快速解算整周模糊度的 LAMBDA算法【l2],并提出为检验整周模糊度解算的可 靠性,需采用假设检验理论通过至少3个检验步骤: 1)模糊度浮点解的可用性检测;2)模糊度浮点解和 固定解的差异性检验;3)模糊度最优固定解和次优固 定解显著性检验I5, 】。围绕这3个关键问题,虽然国内 外相关研究人员已提出较为完备的整周模糊度验证模 型与理论_1 ”】,但是各种验证模型仍存在一定缺陷: 首先,在进行模糊度固定解最优解和次优解的检验 时,比率测试(ratiotest)成为普遍采用的方法[16】,但 是比率测试不仅忽略了最优整周模糊度和次优整周模 糊度之间的相关性,这使得步骤3中基于理想分布模 型进行假设检验的理论假设不再可靠,而且检验过程 中的各种检测门限值的选取依赖于经验值,缺乏严格 的理论基础。其次,在模糊度最终固定解的可靠性检 验中,广泛用于评价可靠性性能的重要指标之一是模 糊度解算成功率,然而传统解算成功率的计算模型至 少存在两方面的不足:一方面,由于模糊度固定解之 间的相关性,使得影响解算成功率的模糊度归整域 (pull-in region)呈现出狭长的特点 】,在保证足够 成功率的情况下,模糊度固定解的确定需要耗费更多 的时间,解算实时性难以得到满足;另一方面,只有 在解算成功率充分接近l的情况下,对应模糊度解才 是可接受的【l ,但是对于这种接近1的程度无法有效 衡量。若可确定包含至少3个相互独立的整周模糊度 在内的模糊度子集,那么对应补集就可以由所选择子 集包含的元素线性表出,这种冗余性不仅使得精确定 量评估解算成功率成为可能,也为将完好性监测技术 引入整周模糊度的可靠性检验提供了可行性。与完好 性监测技术的结合不仅使得验证模型中检测门限的选 取具有严格的理论基础,而且还可根据评价指标体系 (如漏检率和误警率等)对整周模糊度解算的可靠性 进行严密的检验。虽然英国帝国理工大学的研究人员 也已经注意到完好性监测理论在检验整周模糊度可靠 性时所具有的优势【2 ,但其研究本质上是以理想误差 模型为基础,非理想误差对检验模型的影响还有待于 

·124 舰船科学技术 第4O卷 深人的研究,此时引入sigma膨胀算法可有效弥补非 线存在形变量扰动等关键问题,因而不能充分保障精 密着舰的可靠性。如何建立完备的完好性风险概率分 配技术,利用sigma膨胀技术补偿完好性风险源的非 理想性,基于完好性监测理论实现整周模糊度的可靠 性检验,基线形变量的监测已成为实现精密着舰亟待 解决的关键问题。因此,为满足精密着舰所需导航性 理想误差对检测模型的损害。此外,传统的模糊度可 靠性检验是在模糊度域展开,而将完好性监测理论应 用于整周模糊度可靠性检验时,还可在观测量域和定 位域进行多层次检验。 1.3基线形变量的完好性监测 由于航母上所安装的着舰导航系统需辅助着舰对 能,急需建立完好性风险概率分配以及非理想完好性 风险源的补偿方法,整周模糊度的可靠性检验以及基 象获取高精度和高可靠性的定位解,可行的解决方案 之一为引人多参考接收机。这是由于多参考接收机不 仅可抑制非理想误差的影响[6】,而且还可提供多种辅 助条件,例如基线长度和模糊度零空间约束等,以提 高整周模糊度可靠性检验的效率。同时,多参考接收 机的引入意味着有必要考虑参考接收机故障对系统完 好性监测性能的影响,为此可采用多参考一致性检测 技术(Multiple Reference Consistency Check,MRCC) 监测参考接收机故障f2”,但是其应用仍面临以下问 题:首先,由于整周模糊度的存在,意味着传统MRCC 在测距域融合来自各参考接收机的差分修正量实现 B值检测无法直接应用,因此有必要研究如何在定位 域实现MRCC。其次,虽然基于极大似然准则的B值 检测无需先验统计特性,但是Stanford大学GPS实验 室的研究发现,电离层延迟异常和卫星星钟漂移都可 导致斜坡型故障【221,根据申请者的研究,B值无法准 确描述斜坡型故障引起的统计检测量的相关性『2 ,因 此有必要研究基于新型最优估计准则的MRCC算法。 此外,由于母舰并非理想刚体,在海上风浪、外力矩 和外力的作用下,将产生一定程度的扰曲变形,而且 其形变量峰峰值可以达到约10 cm[ ,这就意味着不能 简单地将母舰桁端上安置的参考接收机和甲板着舰点 之间的基线长度视为常量,否则将会导致整周模糊度 的解算失败,因此对基线变形量的监测效率也成为限 制着舰导航满足所需导航性能要求的关键因素之一[1 。 若将基线形变量等效为对系统定位域观测模型的扰 动,利用总体最小二乘理论对扰动模型进行最优估 计,就可充分监测基线形变对载波相位差分定位解算 可靠性的影响。由于参考接收机故障也将导致基线解 发生有偏估计,因此有必要将MRCC与基线形变量的 完好性监测结合起来,以保证基线解的可靠性。 2 结语 纵观目前国内外关于基于卫星导航实现精密着舰 的方法,由于没有综合考虑多完好性风险来源、完好 性风险源的非理想性、整周模糊度的可靠性检验和基 线形变量的完好性监测等技术,这不仅极大的拓展了 区域增强系统的应用范围,还必将对精密定位完好性 监测理论的研究和发展产生意义深远的影响。 参考文献: 【1】LI Jie,YU Chuan.The equipment for aircraft landing of aircraft carrier[J].Modem Millitary,2006(10):56-58. [2】HUANGZ,HUANGZ,ZHUY.Anewoptimal hatchfilterto minimize the effects of ionosphere gradients for GBAS[J]. Chinese Journal ofAeronautics,2008,21(6):526-532. [3】RIFE J,KHANAFSEH S,PULLEN S,et a1.Navigation, interference suppression,and fault monitoring in the sea—based joint precision approach and landing system[J].Proceedings of the IEEE,2009,96(12):1958—1975. [4]YANG Tei-jun.The study on the GPS based real—time attiutde determination technique and multipath effects[D].University ofElectronic Science and Technology,2003. 【5】ZHOU Yang—mei,LIU Jing—nan.Rigor method on evaluating the rightness for the integer solution of GPS carried—phase ambiguity[J】.Geomatics and Information Science of Wuhan University,2004(1 1):1004-1007. 【6】 LACHAPELLE G,SUN H,CANNON M E.Precise aircraft to aircraft positioning using a multiple receiver configuration[C]// Proceedings of the 1 994 National Technical Meeting of The Institute of Navigation,San Diego,CA,January 1 994, 793-799. [7] GEBRE·EGZIABHER D,SHAO Y.Model for JPALS/SRGPS flexure and attiutde error allocation[J].IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,2015,46(2):483-495. 【8】XIE Shi-jie,ZHONG shao-long.On multipath error of GPS phase measurements[J].Chinese Journal of Cancer Research, 2003(5):1-5. [9】RIFE J H,PULLEN S P.The impact of measurement biases on availabiliyt for Category III LAAS[J].Navigation,2005,52(4): 215—228. [10】PERVAN B,PULLEN S,SAYIM I.Sigma estimation, inflation.and monitoring in the LAAS ground system [c]//Proceedings of the 1 3th Intemational Technical Meeting ofthe satellite division ofthe institute ofnavigation(ION GPS 200o),Salt Lake City,UT,September 2000:1234-1244. (下转第132页 

132 舰船科学技术 第40卷 表2不同工况下不同样本数下的识别概率统计表 Tab.2 Statistial table ofrecognition probability under different conditions 法提取了船舶目标RCS参数的有效统计特征,取得了 较好的识别分类效果,可实现对若干工况下不同类型 船舶的精准识别。 参考文献: [1]王春花,康猛,郝明.基于轮廓像的舰船目标识别方法研究『J1. 现代雷达,2012,34(4):45 7,52. [2]赵安军,牛威,郭雷.基于RCS的空间目标特征提取与识别研 究[c】//Proceedings of the 27th Chinese Control Conference, 2008. [3】隋栋训,童创明,王童,等.基于RCS序列的助推段弹道导弹 识别[J].火力与指挥控制,2016,42(3):15-18. 达探测角度及所在海域电磁环境等因素的影响,船舶 的RCS呈现明显的起伏变化特性。本文提取了船舶目 标RCS参量的多个统计特征数据,最后基于统计数据 利用BP神经网络识别船舶目标。实测数据表明,该方 07t’7 [4】张建强,高世家,赵霁红.舰船RCS特征提取与GA—BP神经 网络分类研究[J].船舶科学技术,2016,38(2):125—130. [5]高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M].北京:机械工业出 版社.2003. (上接第124页) [1 1]TEUNISSEN P J G,VERHAGEN S.GNSS Carrier phase 2Ol2,59【1):61-75. [18】儿S,CHEN W,DING X,et a1.Ambiguity validation with combined ratio test and ellipsoidal integer aperture estimator.J ambiguity resolution:challenges and open problems[M]// Observing our Changing Earth.Springer Berlin Heidelberg, 2009:785-792. Geodesy[J].Journal of Geodesy,2010,84(10):597 ̄504. 【19】ZHANG Qin,CHEN Yong—qi.Validity test based on the probability characteristic of the Integer[J].Science of Surveying and Mapping,2003,28(2):1 l 9. [20】FENG S,OCHIENG W,SAMSON J,et a1.Integrity mon— [12】TEUNISSEN P J G,KLEUSBERG A.GPS for geodesy[J]. Springer Berlin,1998,60:271—318. [13】TEUNISSEN P J G.Mixed Integer Estimation and Validation for next generation GNSS[M].Springer Berlin Heidelberg, 20l5. itoring for carrier phase ambiguities[J].Journal of Navig— ation,2012,65(1):41—58. [211李亮.陆基增强系统定位与完好性监测技术研究【D】.哈尔 滨:哈尔滨工程大学,2012. 【22】TANG H,PULLEN S,ENGE P,et a1.Ephemeris type a fault 【14】WANG Gui—wen,WANG Zhe—min.Probabilistic properties of GNSS integer ambiguity[J].Journal of Liaoning Technical University,2007,26(4):497—500. [15】WANG Yan,wU Ji—cang.A Estimation method for integer analysis and mitigation for LAAS[C]//Position Location and Navigation Symposium.IEEE,2010:654-666. parameter reliability in GPS[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,29(5):103—106. [16】VERHAGEN S.The GNSS integer ambiguities:estimation and 【23】LI L,QUDDUS M,ISON S,ZHAO L.Multiple reference consistency check for LAAS:a novel position domain app— roach[J].Gps Solutions,2012,l6(2):209-220. 【24】AHN I,BRESLAU R,SENNOTT J.Development and evaluation of a precision coordinate transfer system for validation[J].Aerospace Engineering,2005. 【17】HENKEL P,GUNTHER C.Reliable integer ambiguity resolution:multi—frequency code carrier linear combinations SRGPS[C]//ION GNSS l 7th International Technical Meet— ing ofthe Satellite Division,2004,1277—1287. and statistical a priori knowledge of attitude[J].Navigation, 


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