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卫星导航装置的广域差分技术应用

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《航天控制》2016年第5期

摘要:针对弹载卫星导航装置进行了需求分析,提出了应用广域差分技术及多阵元自适应抗干扰技术的方案,并对达到的指标要求进行了分析与计算。

关键词:弹载卫星导航装置;广域差分;多阵元;自适应抗干扰

1弹载卫星导航装置需求分析

随着美国GPS系统的全面普及以及我国BD2系统的投入使用,采用BD2,GPS等单一或多模式兼容导航的接收装置在各种装备中的应用日益广泛。卫星加惯性的导航组合已成为现阶段各类飞行控制系统的基本配置,可以提供持续、精确的位置、速度和时间信息。任何导航系统对于提高精度指标的追求都是不断提高的。根据当前的技术发展,采用差分定位或双频定位技术,可以进一步有效提高定位精度。单频接收机采用广播星历进行非差分定位时,其主要误差源来自电离层,因不同频段的信号通过电离层的延迟不同,造成的误差可以达到数十米。一般的单频GPS接收机通过电离层模型减小误差,但模型并不能很好地修正实际误差,修正后的误差仍为几米左右,特别是低仰角卫星,其误差更大。通过双频观测值可以有效消除电离层影响,从而大幅度提高定位精度。但是,由于双频接收机的失锁定位时间过长(大于1min),不能满足弹载控制系统姿态变换失锁后快速重捕定位的使用需要,因此本文针对广域差分技术方案展开论述。对于卫星导航装置,另一个重要的指标是抗干扰能力。虽然卫星导航具有覆盖度广、持续定位精度高和成本低等特点,但其卫星导航信号的脆弱性也不容忽视,采用压制式、欺骗式干扰可对卫星导航接收装置实施有效的干扰:功率为1W的干扰机可以使85km以内的C/A码接收机无法工作,干扰功率每增加6dB,有效干扰距离就增加1倍。对于GPS系统,C/A码接收机的抗干扰裕度约在30dB以下,一般认为是25dB;P码接收机的抗干扰裕度约在43dB左右,一般的干扰机很容易达到。因此,目前对于所有的弹载卫星导航接收装置均提出了抗干扰的要求,以提高自身在复杂电磁环境下的生存能力。综上所述,弹载卫星导航装置的总体需求可以概括为:高精度与抗干扰。为满足上述需求,本文对精度指标的提高采用广域差分技术解决,对抗干扰能力的提高则采用多阵元天线自适应方案解决。

2广域差分技术方案

广域差分技术原理是对卫星观测量的误差源分别加以区分和“模型化”,然后将计算出的每一个误差源的误差修正值传输给用户终端,对用户在卫星定位中的误差加以修正,以达到削弱这些误差源和改善用户卫星定位精度的目的。北斗广域差分信息存在于卫星电文中,这些电文设有加密标志位。北斗地面运控站通过收集北斗卫星观测站数据,对亚太地区的电离层分布进行计算,形成电离层网格图,在卫星导航电文中播发电离层网格各个节点处的电离层误差值。北斗用户根据自身定位结果,确定处于哪个电离层网格中,并通过解析电文,获得相对应的电离层网格4个节点上的电离层误差值,根据当前粗略的定位位置,计算电离层的穿刺点,并根据网格内插法,计算穿刺点的电离层延迟,对接收机的伪距进行修正,从而获得更加准确的卫星位置。GPS的广域差分采用专用的WASS卫星播发电离层修正信息,该系统由美国控制,而且用于广域差分的GPS观测站在中国地区较少,不能提供较好的电离层网格修正,因此WASS系统提供的GPS广域差分服务在中国区域未达到其标称精度。普通单频接收机采用卫星广播的电离层模型参数修正伪距误差,大致能校正真实电离层延时误差的50%以上;而广域差分接收机采用卫星广播的电离层格网参数修正伪距误差,可以进一步提高误差修正能力。广域差分模式下采用基于伪码测距的定位方式,其定位精度主要由伪距精度乘以卫星DOP值来决定。而伪距精度中包含伪距自身的测量精度,以及电离层误差、卫星轨道误差和卫星星钟误差等。

星历误差主要来源于卫星轨道误差和卫星钟差,因为钟差是直接反映在伪距上的,因此钟差的影响更大,通常广播星历对伪距造成的误差为0.5~1m左右,经过广域差分星历修正后的卫星钟差精度为3ns,则对应的卫星钟差误差造成的伪距误差降低为:σSat(BD-2)≈1×3/5=0.6m。通常经过电离层模型修正的普通定位,电离层误差在1~2m,而北斗广域差分电离层修正精度一般可以提高到0.5m以下。对于伪距自身的测量精度,近似认为是0.5m。综上,总的伪距误差约为:σSBAS=σSat(BD-2)+σION(BD-2)+σtDLL(BD-2)=0.6+0.5+0.5=1.6m在重点区域,其PDOP值通常小于2.5,则水平HDOP和高程VDOP通常在1.5以下,因此,重点区域的水平和高程误差为:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1.6×1.5=2.4m<3m,在非重点区域,其PDOP值以5为例,则水平HDOP和高程VDOP通常在2.5左右,因此,非重点区域的水平和高程误差为:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1.6×2.5=4.0m<5m。

3多阵元自适应抗干扰技术方案

为提高卫星导航系统的抗干扰能力,目前最为常用的是多阵元天线自适应抗干扰技术。按照阵元的空间分布方式,常见阵列分为均匀线阵、均匀圆阵和均匀弧阵等,本文采用均匀圆阵,由阵列天线与数字波束形成器一起构成空域滤波器,将卫星信号转换为数字信号后,通过自适应算法进行加权运算,从而实现对衰减器、移相器的控制。由7个天线阵元组成均匀圆阵,1个天线位于圆心,其余6个天线均匀分步于圆周。各路天线输出的射频信号经低噪放放大及下变频变换后,由A/D采样进入FPGA进行信号处理。根据自适应收敛准则不同,自适应调零算法分为多种,其中最常用的是最小均方误差(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,可以有效提高对抗压制性干扰的能力,是LMS算法的改进,解决了LMS算法中参考信号难以提取的问题。在有效卫星信号和干扰信号并存的环境下,相当于多个信号源存在于空间中的不同位置,这些信号被包含天线阵列的平台接收后,通过自适应算法调整每个阵元上的权值,对信号空间里的每个信号源进行加权求和处理。

在权值计算中,不需要参考信号,也不需要预先知道干扰的方向和功率大小,而是靠算法本身寻找干扰,并加以抑制,干扰越强,零陷越深,从而使接收波束具有特定的形状和希望的零点,达到通过有用方向的信号,并抑制不需要方向干扰及噪声的目的。其中,N为天线阵元个数,x(n)为N元天线阵列的输入,包括有用信号、干扰和噪声,y(n)为N元阵的加权求和输出,μ为迭代步长。抗干扰指标主要可以分解为3个方面:波束指向增益、空时自适应滤波陷零增益和扩频增益。波束指向增益与天线阵元数成正比,七阵元天线的波束指向增益约为8.5dB。空时自适应调零滤波对于单频正弦波干扰的抑制能力远大于宽带干扰,因此选取比较严酷的宽带干扰进行仿真。结果显示,七阵元系统对于85dB的宽带干扰,一般能够保证陷零增益50dB的指标要求。对于BD2系统,理论上采用扩频体制可以提供40dB的干扰抑制能力,实际使用由于多种因素的影响,干扰抑制能力约为30dB。综上,本文提出的七阵元均匀圆阵自适应系统的干扰抑制能力可以达到88.5dB。

4结语

应用广域差分技术可以获得卫星导航精度的显著提高,而随着实战化的要求,抗干扰性能已成为弹载卫星导航系统的常见技术指标。本文对弹载卫星导航系统进行了需求分析,采用了广域差分技术及多阵元自适应抗干扰的技术方案,并对达到的指标要求进行了分析与计算。可以预见的是,广域差分及抗干扰技术一定会进入弹载卫星导航装置的主流方案,成为基本组成部分从而被广泛使用。

作者:杨静1,2;蔡燕斌1;沈利华1;石磊1;何巍1 单位:1.北京航天自动控制研究所宇航智能控制技术国家级重点实验室

《航天控制》2016年第5期

摘要:针对弹载卫星导航装置进行了需求分析,提出了应用广域差分技术及多阵元自适应抗干扰技术的方案,并对达到的指标要求进行了分析与计算。

关键词:弹载卫星导航装置;广域差分;多阵元;自适应抗干扰

1弹载卫星导航装置需求分析

随着美国GPS系统的全面普及以及我国BD2系统的投入使用,采用BD2,GPS等单一或多模式兼容导航的接收装置在各种装备中的应用日益广泛。卫星加惯性的导航组合已成为现阶段各类飞行控制系统的基本配置,可以提供持续、精确的位置、速度和时间信息。任何导航系统对于提高精度指标的追求都是不断提高的。根据当前的技术发展,采用差分定位或双频定位技术,可以进一步有效提高定位精度。单频接收机采用广播星历进行非差分定位时,其主要误差源来自电离层,因不同频段的信号通过电离层的延迟不同,造成的误差可以达到数十米。一般的单频GPS接收机通过电离层模型减小误差,但模型并不能很好地修正实际误差,修正后的误差仍为几米左右,特别是低仰角卫星,其误差更大。通过双频观测值可以有效消除电离层影响,从而大幅度提高定位精度。但是,由于双频接收机的失锁定位时间过长(大于1min),不能满足弹载控制系统姿态变换失锁后快速重捕定位的使用需要,因此本文针对广域差分技术方案展开论述。对于卫星导航装置,另一个重要的指标是抗干扰能力。虽然卫星导航具有覆盖度广、持续定位精度高和成本低等特点,但其卫星导航信号的脆弱性也不容忽视,采用压制式、欺骗式干扰可对卫星导航接收装置实施有效的干扰:功率为1W的干扰机可以使85km以内的C/A码接收机无法工作,干扰功率每增加6dB,有效干扰距离就增加1倍。对于GPS系统,C/A码接收机的抗干扰裕度约在30dB以下,一般认为是25dB;P码接收机的抗干扰裕度约在43dB左右,一般的干扰机很容易达到。因此,目前对于所有的弹载卫星导航接收装置均提出了抗干扰的要求,以提高自身在复杂电磁环境下的生存能力。综上所述,弹载卫星导航装置的总体需求可以概括为:高精度与抗干扰。为满足上述需求,本文对精度指标的提高采用广域差分技术解决,对抗干扰能力的提高则采用多阵元天线自适应方案解决。

2广域差分技术方案

广域差分技术原理是对卫星观测量的误差源分别加以区分和“模型化”,然后将计算出的每一个误差源的误差修正值传输给用户终端,对用户在卫星定位中的误差加以修正,以达到削弱这些误差源和改善用户卫星定位精度的目的。北斗广域差分信息存在于卫星电文中,这些电文设有加密标志位。北斗地面运控站通过收集北斗卫星观测站数据,对亚太地区的电离层分布进行计算,形成电离层网格图,在卫星导航电文中播发电离层网格各个节点处的电离层误差值。北斗用户根据自身定位结果,确定处于哪个电离层网格中,并通过解析电文,获得相对应的电离层网格4个节点上的电离层误差值,根据当前粗略的定位位置,计算电离层的穿刺点,并根据网格内插法,计算穿刺点的电离层延迟,对接收机的伪距进行修正,从而获得更加准确的卫星位置。GPS的广域差分采用专用的WASS卫星播发电离层修正信息,该系统由美国控制,而且用于广域差分的GPS观测站在中国地区较少,不能提供较好的电离层网格修正,因此WASS系统提供的GPS广域差分服务在中国区域未达到其标称精度。普通单频接收机采用卫星广播的电离层模型参数修正伪距误差,大致能校正真实电离层延时误差的50%以上;而广域差分接收机采用卫星广播的电离层格网参数修正伪距误差,可以进一步提高误差修正能力。广域差分模式下采用基于伪码测距的定位方式,其定位精度主要由伪距精度乘以卫星DOP值来决定。而伪距精度中包含伪距自身的测量精度,以及电离层误差、卫星轨道误差和卫星星钟误差等。

星历误差主要来源于卫星轨道误差和卫星钟差,因为钟差是直接反映在伪距上的,因此钟差的影响更大,通常广播星历对伪距造成的误差为0.5~1m左右,经过广域差分星历修正后的卫星钟差精度为3ns,则对应的卫星钟差误差造成的伪距误差降低为:σSat(BD-2)≈1×3/5=0.6m。通常经过电离层模型修正的普通定位,电离层误差在1~2m,而北斗广域差分电离层修正精度一般可以提高到0.5m以下。对于伪距自身的测量精度,近似认为是0.5m。综上,总的伪距误差约为:σSBAS=σSat(BD-2)+σION(BD-2)+σtDLL(BD-2)=0.6+0.5+0.5=1.6m在重点区域,其PDOP值通常小于2.5,则水平HDOP和高程VDOP通常在1.5以下,因此,重点区域的水平和高程误差为:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1.6×1.5=2.4m<3m,在非重点区域,其PDOP值以5为例,则水平HDOP和高程VDOP通常在2.5左右,因此,非重点区域的水平和高程误差为:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1.6×2.5=4.0m<5m。

3多阵元自适应抗干扰技术方案

为提高卫星导航系统的抗干扰能力,目前最为常用的是多阵元天线自适应抗干扰技术。按照阵元的空间分布方式,常见阵列分为均匀线阵、均匀圆阵和均匀弧阵等,本文采用均匀圆阵,由阵列天线与数字波束形成器一起构成空域滤波器,将卫星信号转换为数字信号后,通过自适应算法进行加权运算,从而实现对衰减器、移相器的控制。由7个天线阵元组成均匀圆阵,1个天线位于圆心,其余6个天线均匀分步于圆周。各路天线输出的射频信号经低噪放放大及下变频变换后,由A/D采样进入FPGA进行信号处理。根据自适应收敛准则不同,自适应调零算法分为多种,其中最常用的是最小均方误差(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,可以有效提高对抗压制性干扰的能力,是LMS算法的改进,解决了LMS算法中参考信号难以提取的问题。在有效卫星信号和干扰信号并存的环境下,相当于多个信号源存在于空间中的不同位置,这些信号被包含天线阵列的平台接收后,通过自适应算法调整每个阵元上的权值,对信号空间里的每个信号源进行加权求和处理。

在权值计算中,不需要参考信号,也不需要预先知道干扰的方向和功率大小,而是靠算法本身寻找干扰,并加以抑制,干扰越强,零陷越深,从而使接收波束具有特定的形状和希望的零点,达到通过有用方向的信号,并抑制不需要方向干扰及噪声的目的。其中,N为天线阵元个数,x(n)为N元天线阵列的输入,包括有用信号、干扰和噪声,y(n)为N元阵的加权求和输出,μ为迭代步长。抗干扰指标主要可以分解为3个方面:波束指向增益、空时自适应滤波陷零增益和扩频增益。波束指向增益与天线阵元数成正比,七阵元天线的波束指向增益约为8.5dB。空时自适应调零滤波对于单频正弦波干扰的抑制能力远大于宽带干扰,因此选取比较严酷的宽带干扰进行仿真。结果显示,七阵元系统对于85dB的宽带干扰,一般能够保证陷零增益50dB的指标要求。对于BD2系统,理论上采用扩频体制可以提供40dB的干扰抑制能力,实际使用由于多种因素的影响,干扰抑制能力约为30dB。综上,本文提出的七阵元均匀圆阵自适应系统的干扰抑制能力可以达到88.5dB。

4结语

应用广域差分技术可以获得卫星导航精度的显著提高,而随着实战化的要求,抗干扰性能已成为弹载卫星导航系统的常见技术指标。本文对弹载卫星导航系统进行了需求分析,采用了广域差分技术及多阵元自适应抗干扰的技术方案,并对达到的指标要求进行了分析与计算。可以预见的是,广域差分及抗干扰技术一定会进入弹载卫星导航装置的主流方案,成为基本组成部分从而被广泛使用。

作者:杨静1,2;蔡燕斌1;沈利华1;石磊1;何巍1 单位:1.北京航天自动控制研究所宇航智能控制技术国家级重点实验室

航天控制杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次