差分衛星導航系統定位精度飛行測試方法

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(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

當前我國機載差分衛星導航系統由差分GPS和差分BDS組成，且衛星導航定位方式也由過去的單點定位到偽距差分定位，再到目前定位精度更高的載波相位差分，定位精度也由10m級到米級再到厘米級[1-2]。目前國內差分衛星導航設備大多用于地理信息測繪、高精度導航定位用途。民航飛機和無人機逐步開始應用差分衛星導航系統，并且形成了以差分衛星導航設備為依托的地基增強系統(Ground Based Augmentation System, GBAS)，世界上已有多個國家在進行基于GPS的GBAS研究，我國也開始了基于BDS的GBAS研究[3]。

機載差分衛星導航系統最重要的指標就是定位精度。針對如何對機載高精度差分衛星導航系統定位精度考核的問題，本文提出了一種飛行測試驗證方法。在精度計算過程中，由于兩部差分衛星導航設備衛星天線在空間中并不是重合的，因此采用基于消除桿臂效應的數據處理方法對精度的測試是不可或缺的，可以消除測試過程中引入的較大計算誤差項。

1 差分衛星導航系統組成

差分衛星導航系統由機載終端和地面差分站組成，均由數傳電臺和衛星導航接收機及對應天線組成，如圖1所示。偽距差分是應用成熟度最高的差分定位技術之一，差分站上的衛星接收機測得與所有可視衛星的測量距離，并將自身真實坐標與各衛星的距離進行比較，求出測量距離和真實距離之間的偏差(即差分修正量)，通過數傳電臺將修正量發送給機載差分終端，經機載終端處理從而達到提高定位精度的目的。

圖1 差分衛星導航系統組成框圖Fig.1 The composition diagram of differentialsatellite navigation system

載波相位差分技術又稱為RTK技術，差分站的衛星接收機連續觀測衛星并將自身坐標信息通過數傳電臺發送給機載衛星終端。機載衛星接收機接收衛星載波的同時，又接收來自差分站的載波觀測量和坐標值，經實時數據處理解算自身的坐標結果，提高定位精度。

機載差分衛星導航系統的飛行試驗主要考核了包括定位精度、完好性、覆蓋范圍、信號質量等指標[4]，本文飛行試驗方法主要是考核衛星導航最為關鍵的定位精度指標。

2 系統定位精度飛行試驗方法

差分衛星導航定位系統的基準設備采用定位精度同級別或更高級別的差分衛星導航系統。本文選取2套NovAtel公司的載波相位差分GPS設備，測試設備實時記錄2套差分GPS輸出的位置信息，采用對比法給出2套差分GPS設備間的定位相對位置誤差。

2.1 不同高度平飛、爬升、下降

試飛原理：飛機在差分GPS作用下，試驗機全包線范圍內以不同高度做穩定平飛，平飛覆蓋不同的航向；并結合飛機起飛、降落檢查飛機爬升、下降條件下的定位精度。

由于衛星運行的高動態性和全球分布相對均勻特性，飛行測試可分不同時段進行，間隔時間4～6h，共飛行3～4 次?？紤]通常情況下電離層對定位精度影響最大，飛行時間中需包含當地時間下午2 點，因為電離層影響在此時達到峰值[5]。

2.2 不同姿態飛行

試飛原理：試驗機以不同橫滾角盤旋飛行，并在安全飛行高度內檢查飛機在不同仰角條件下的飛行。

試驗機所處環境為空中，受地面多徑效應影響較小，當試驗機以不同俯仰、橫滾飛行時，造成局部范圍內的多徑效應。并因為衛星天線遮擋能影響到衛星天線搜星數，且機載數傳天線的方向性會影響到定位精度。

2.3 覆蓋范圍進近飛行

試飛原理：飛機從遠處，在差分站數傳電臺有效覆蓋指標范圍內(通常是50～100km)朝地面差分站進近試飛。

當差分站和機載衛星接收機較近時(<20km)，公共誤差部分包括衛星星歷誤差、星鐘誤差、相對論效應、電離層效應、對流層效應，這些誤差對于移動站和基準站而言是高度相關的，經差分定位系統處理完全可以消除。而通常有效覆蓋范圍指標為50～100km，因此需考核差分站和飛機較遠情況下的定位精度。

3 基于消除桿臂的數據處理

3.1 定位精度數據處理方法

根據美國聯邦導航規劃的規定，差分GPS定位系統水平定位精度為兩倍徑向均方根差(2RMS)，高度定位精度為兩倍標準方差(2σ)[6]。1倍標準方差的數據處理方法可參考GJB729-89慣性導航系統精度評定方法中位置誤差計算公式如下

60×1853

式中：Δλi為第i個采樣時刻的經度誤差(°)；Δφi為第i個采樣時刻的緯度誤差(°)；φi為第i個采樣時刻的緯度值(°)；m為有效采樣點次數。最后乘的2個常量是把以(°)表示的位置誤差轉換為以m為單位。

圖2所示為某次飛行兩部差分GPS定位結果，可以看出定位精度誤差基本保持在0.2m左右，其結果與飛機的姿態角尤其是橫滾角有較大關系。導致此現象出現的原因就是未對兩部差分GPS安裝天線間桿臂值進行補償。

3.2 消除桿臂數據處理

桿臂效應誤差是由于被試設備安裝位置與基準設備安裝位置不重合而引起位置輸出中的附加位置誤差[7-10]，它是差分GPS系統位置誤差的主要誤差源之一。飛機上GPS衛星天線安裝相對位置一般為米級，這對于考核差分GPS定位精度來說顯然不可接受。

如圖3所示，OnXnYnZn為導航坐標系(n系)，ObXbYbZb為與飛機載體固連的機體坐標系(b系)。假設ObPb為2個GPS衛星接收天線在機體坐標系下的相對位置，需要將在機體坐標系下的相對位置關系通過坐標旋轉變換到導航坐標系下表示成OnPn。將機體坐標系旋轉到導航坐標系的轉換矩陣如下

圖2 飛機的橫滾角、俯仰角與定位誤差Fig.2 Roll and pitch angle of the aircraft and positioning error

應用上式將安裝相對位置由機體坐標系(b系)轉換到導航坐標系(n系)下，得到桿臂效應引起的位置誤差在導航坐標系中的表達式如下

3.3 試驗結果

本次差分GPS定位精度試飛測試使用的是緊湊型天線，是一種可用于飛機且外形尺寸較小的天線，天線之間安裝位置為在飛機縱向偏置安裝，天線振元之間相對安裝位置間隔為20cm，即3.2節中的ObPb的[0 0.2 0]。經計算未消除桿臂誤差前的為2RMS=0.4066m，消除桿臂誤差后的為2RMS= 0.0288m，如圖4所示。通過試飛測試和數據處理可以看出，2個差分GPS在平飛和不同姿態下飛行時，定位一致性較好，定位精度可以滿足使用要求。

圖4 消除桿臂后的定位誤差結果Fig.4 The result of locating error after eliminating lever arm

4 結論

機載差分衛星導航系統的飛行測試包含定位精度、完好性、覆蓋范圍、信號質量等指標驗證，本文針對機載差分衛星導航系統定位精度的考核，根據定位誤差特性設計的試飛方法能夠較好地反映出設備的真實水平，基于消除桿臂的數據處理方法可以正確地消除因為天線間安裝位置不同而引入的系統誤差。經過實際試飛驗證方法可行，且數據處理有效。

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