衛星導航裝置的廣域差分技術應用范文

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《航天控制》2016年第5期

摘要:針對彈載衛星導航裝置進行了需求分析，提出了應用廣域差分技術及多陣元自適應抗干擾技術的方案，并對達到的指標要求進行了分析與計算。

關鍵詞:彈載衛星導航裝置;廣域差分;多陣元;自適應抗干擾

1彈載衛星導航裝置需求分析

隨著美國GPS系統的全面普及以及我國BD2系統的投入使用，采用BD2，GPS等單一或多模式兼容導航的接收裝置在各種裝備中的應用日益廣泛。衛星加慣性的導航組合已成為現階段各類飛行控制系統的基本配置，可以提供持續、精確的位置、速度和時間信息。任何導航系統對于提高精度指標的追求都是不斷提高的。根據當前的技術發展，采用差分定位或雙頻定位技術，可以進一步有效提高定位精度。單頻接收機采用廣播星歷進行非差分定位時，其主要誤差源來自電離層，因不同頻段的信號通過電離層的延遲不同，造成的誤差可以達到數十米。一般的單頻GPS接收機通過電離層模型減小誤差，但模型并不能很好地修正實際誤差，修正后的誤差仍為幾米左右，特別是低仰角衛星，其誤差更大。通過雙頻觀測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，由于雙頻接收機的失鎖定位時間過長(大于1min)，不能滿足彈載控制系統姿態變換失鎖后快速重捕定位的使用需要，因此本文針對廣域差分技術方案展開論述。對于衛星導航裝置，另一個重要的指標是抗干擾能力。雖然衛星導航具有覆蓋度廣、持續定位精度高和成本低等特點，但其衛星導航信號的脆弱性也不容忽視，采用壓制式、欺騙式干擾可對衛星導航接收裝置實施有效的干擾:功率為1W的干擾機可以使85km以內的C/A碼接收機無法工作，干擾功率每增加6dB，有效干擾距離就增加1倍。對于GPS系統，C/A碼接收機的抗干擾裕度約在30dB以下，一般認為是25dB;P碼接收機的抗干擾裕度約在43dB左右，一般的干擾機很容易達到。因此，目前對于所有的彈載衛星導航接收裝置均提出了抗干擾的要求，以提高自身在復雜電磁環境下的生存能力。綜上所述，彈載衛星導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，本文對精度指標的提高采用廣域差分技術解決，對抗干擾能力的提高則采用多陣元天線自適應方案解決。

2廣域差分技術方案

廣域差分技術原理是對衛星觀測量的誤差源分別加以區分和“模型化”，然后將計算出的每一個誤差源的誤差修正值傳輸給用戶終端，對用戶在衛星定位中的誤差加以修正，以達到削弱這些誤差源和改善用戶衛星定位精度的目的。北斗廣域差分信息存在于衛星電文中，這些電文設有加密標志位。北斗地面運控站通過收集北斗衛星觀測站數據，對亞太地區的電離層分布進行計算，形成電離層網格圖，在衛星導航電文中播發電離層網格各個節點處的電離層誤差值。北斗用戶根據自身定位結果，確定處于哪個電離層網格中，并通過解析電文，獲得相對應的電離層網格4個節點上的電離層誤差值，根據當前粗略的定位位置，計算電離層的穿刺點，并根據網格內插法，計算穿刺點的電離層延遲，對接收機的偽距進行修正，從而獲得更加準確的衛星位置。GPS的廣域差分采用專用的WASS衛星播發電離層修正信息，該系統由美國控制，而且用于廣域差分的GPS觀測站在中國地區較少，不能提供較好的電離層網格修正，因此WASS系統提供的GPS廣域差分服務在中國區域未達到其標稱精度。普通單頻接收機采用衛星廣播的電離層模型參數修正偽距誤差，大致能校正真實電離層延時誤差的50%以上;而廣域差分接收機采用衛星廣播的電離層格網參數修正偽距誤差，可以進一步提高誤差修正能力。廣域差分模式下采用基于偽碼測距的定位方式，其定位精度主要由偽距精度乘以衛星DOP值來決定。而偽距精度中包含偽距自身的測量精度，以及電離層誤差、衛星軌道誤差和衛星星鐘誤差等。

星歷誤差主要來源于衛星軌道誤差和衛星鐘差，因為鐘差是直接反映在偽距上的，因此鐘差的影響更大，通常廣播星歷對偽距造成的誤差為0．5～1m左右，經過廣域差分星歷修正后的衛星鐘差精度為3ns，則對應的衛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。對于偽距自身的測量精度，近似認為是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在重點區域，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，重點區域的水平和高程誤差為:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1．6×1．5=2．4m＜3m，在非重點區域，其PDOP值以5為例，則水平HDOP和高程VDOP通常在2．5左右，因此，非重點區域的水平和高程誤差為:σP=σSBAS×HDOP(VDOP)=1．6×2．5=4．0m＜5m。

3多陣元自適應抗干擾技術方案

為提高衛星導航系統的抗干擾能力，目前最為常用的是多陣元天線自適應抗干擾技術。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，由陣列天線與數字波束形成器一起構成空域濾波器，將衛星信號轉換為數字信號后，通過自適應算法進行加權運算，從而實現對衰減器、移相器的控制。由7個天線陣元組成均勻圓陣，1個天線位于圓心，其余6個天線均勻分步于圓周。各路天線輸出的射頻信號經低噪放放大及下變頻變換后，由A/D采樣進入FPGA進行信號處理。根據自適應收斂準則不同，自適應調零算法分為多種，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，可以有效提高對抗壓制性干擾的能力，是LMS算法的改進，解決了LMS算法中參考信號難以提取的問題。在有效衛星信號和干擾信號并存的環境下，相當于多個信號源存在于空間中的不同位置，這些信號被包含天線陣列的平臺接收后，通過自適應算法調整每個陣元上的權值，對信號空間里的每個信號源進行加權求和處理。

在權值計算中，不需要參考信號，也不需要預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，零陷越深，從而使接收波束具有特定的形狀和希望的零點，達到通過有用方向的信號，并抑制不需要方向干擾及噪聲的目的。其中，N為天線陣元個數，x(n)為N元天線陣列的輸入，包括有用信號、干擾和噪聲，y(n)為N元陣的加權求和輸出，μ為迭代步長。抗干擾指標主要可以分解為3個方面:波束指向增益、空時自適應濾波陷零增益和擴頻增益。波束指向增益與天線陣元數成正比，七陣元天線的波束指向增益約為8．5dB。空時自適應調零濾波對于單頻正弦波干擾的抑制能力遠大于寬帶干擾，因此選取比較嚴酷的寬帶干擾進行仿真。結果顯示，七陣元系統對于85dB的寬帶干擾，一般能夠保證陷零增益50dB的指標要求。對于BD2系統，理論上采用擴頻體制可以提供40dB的干擾抑制能力，實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系統的干擾抑制能力可以達到88．5dB。

4結語

應用廣域差分技術可以獲得衛星導航精度的顯著提高，而隨著實戰化的要求，抗干擾性能已成為彈載衛星導航系統的常見技術指標。本文對彈載衛星導航系統進行了需求分析，采用了廣域差分技術及多陣元自適應抗干擾的技術方案，并對達到的指標要求進行了分析與計算。可以預見的是，廣域差分及抗干擾技術一定會進入彈載衛星導航裝置的主流方案，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．北京航天自動控制研究所宇航智能控制技術國家級重點實驗室