北斗轉發技術在飛行器外測中的應用

李中偉

摘 要：GPS在飛行器軌跡測量中發揮了重大作用，而隨著北斗導航定位系統能力的提升，利用北斗定位系統替換GPS完成飛行器軌跡測量任務成必然趨勢，也是未來擺脫GPS限制的測量方法。該文介紹了北斗轉發定位技術的原理，給出了北斗轉發外測系統的設計及工作流程，分析了北斗轉發快速定位技術及定位精度。北斗轉發定位技術完全滿足測量需求，在未來飛行器軌跡測量中必將發揮更大作用。

關鍵詞：北斗;轉發技術;定位精度

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0033-02

北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統。根據系統建設總體規劃，2018年底，完成19顆衛星發射組網，完成基本系統建設，向全球提供服務;2020年前后，完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統。

為了避免美國GPS對我們在特殊領域中的限制，利用北斗衛星導航系統替換GPS已成為必然趨勢。在飛行器高動態飛行試驗中，存在外測信號的初始捕獲及短時間重捕困難、測量設備跟蹤容易引起接收機失鎖等問題。而利用北斗定位信號轉發技術能較好的解決這些問題。

1 北斗轉發定位原理

北斗轉發定位主要是在飛行器上安裝變頻轉發器，變頻轉發器將飛行器上L頻段北斗收星天線接收到的北斗信號變頻到S頻段（2.2GHz～2.4GHz），疊加導頻并放大后轉發回地面。地面轉發外測接收設備接收飛行器轉發下來的S頻段信號，并完成對目標的捕獲、跟蹤，實時處理接收到的北斗衛星轉發信號并實現單點和差分定位，給出飛行器的軌道信息。

2 系統設計及工作流程

系統主要由接收天線、射頻耦合網絡、S頻段下變頻器、L頻段下變頻器、轉發北斗外測接收機、北斗基準接收機、檢前記錄器、轉發北斗外測處理計算機等設備組成。系統組成及工作流程圖如圖1所示。

轉發外測設備S頻段接收天線跟蹤并接收到轉發北斗外側信號后形成左右旋兩路射頻信號，經低噪聲放大器放大送至射頻耦合網絡，信號經射頻耦合網絡分路組合后分別送至S頻段下變頻器進行下變頻并輸出70MHz中頻信號。S下變頻器輸出的一路信號送至轉發北斗外測接收機進行信號處理，另一路送至檢前記錄器進行檢前數據記錄。同時北斗基準天線接收到北斗衛星信號送至L頻段下變頻器輸出70MHz中頻信號，一路送至北斗基準接收機進行基準數據處理后送至轉發北斗外測計算機，另一路送至檢前記錄器完成檢前數據的記錄。

轉發北斗外測計算機接收轉發北斗外測接收機通過網口送來的導航電文、時間、PDOP值、收星數目、星-彈-地偽距、偽距變化率、定位測速結果（X、Y、Z、、、）以及信道工作狀態（AGC電平、頻綜鎖定狀態）、通道工作狀態（通道號、衛星號、衛星健康狀態、衛星仰角、預報多普勒頻率、實測多普勒頻率、信噪比、鎖定指示）等信息;同時接收地面北斗基準接收機輸出的導航電文、偽距改正數及其偽距變化率的改正數等信息，對其作差分處理，獲得精度較高的飛行器外彈道數據。

3 快速定位技術及精度分析

3.1 北斗轉發快速定位技術

接收機的捕獲范圍需考慮信號多普勒不確定范圍，對于轉發外測來說，主要包括星的動態、飛行器的動態、飛行器上鐘漂、接收機鐘漂。轉發外測應用條件下存在星-飛行器和飛行器-地兩項徑向多普勒，在飛行器遠離衛星且遠離地面站或接近衛星且接近地面站條件下，最大產生±120kHz多普勒頻率偏移，在借助理論彈道輔助進行多普勒預報，理論上能夠消除載體動態產生的多普勒。衛星多普勒可以由電文星歷中準確預報。轉發器頻率準確度為5×10-6，由此引入到轉發衛星信號的多普勒誤差將達到±11kHz。而通過導頻輔助可徹底消除目標轉發器頻率準確度對轉發導航信號多普勒的影響。

接收機捕獲方法主要使用基于時域的匹配濾波法，對于每顆衛星在以零頻為基礎進行31個頻點進行搜索，每個頻點間隔0.5KHz，將本地設置一個靜止的擴頻序列，讓接收序列滑過本地序列并作相關運算，每一碼片時刻都會產生一個相關結果，當滑到兩序列相位對齊時，必有一個相關峰值出現。檢測到這個相關峰值，就用它啟動另一個相位相同狀態的本地序列發生器，該本地序列必然是與接收序列同步的。這樣，在序列的一個時間不確定范圍內，匹配濾波器把序列所有可能的相位狀態都搜索一遍。匹配濾波器法是時域的一種快速捕獲方法，原理如圖2所示。

在導頻和理論彈道雙重引導下，首次定位前，捕獲模塊搜索頻率±7.5kHz;定位后捕獲新衛星過程中則使用定位測速結果輔助，捕獲模塊搜索頻率±2kHz;當接收機不能定位則直接使用理論彈道引導，不再使用接收機最后一次定位測速結果。

3.2 精度分析

3.2.1 差分定位方式精度分析

由于飛行器在飛行過程中，與基準站的水平距離和高程差不斷增加，誤差項的相關性不斷減弱，導致差分定位精度逐漸降低。如果兩者距離過大，其精度甚至會低于普通導航定位精度。因此，基準站接收機和彈體的相對位置是決定偽距差分定位精度的關鍵因素。假設基準站和目標距離為100公里，測距誤差取5.7m，（1σ）。

當目標距離差分基準站100Km以內，在CGCS2000（或WGS84）坐標系中，X軸指向0°經線，Z軸指向北極，Y軸指向東經90°經線。北京地區為東經116°左右，北緯40°左右，因此X、Z向可基本認為是水平方向誤差，而Y向可基本認為是垂向誤差。使用典型的DOP值分布，HDOP/VDOP（1：1.4）=1.74/2.44，測距誤差取5.7m，X、Z方向的合成精度在9.92m，滿足X、Z方向的合成精度8X=11.2m，而垂向誤差在13.9m左右，滿足15m要求。

3.2.2 測速精度分析

測速精度取決于幾何因子和偽距變化率誤差因子的乘積。其中偽距變化率誤差因子的誤差源主要有：與衛星有關的誤差，主要是指導航衛星鐘漂的影響;與接收機有關的誤差，主要是指接收機測速噪聲誤差。除了偽距變化率誤差因子之外，影響速度精度的還有與所測衛星空間分布有關的幾何精度因子。幾何精度因子越小，速度精度越高。

測速精度估算：

導航衛星鐘漂的誤差約為0.006m/s，與載體動態無關。接收機的測速噪聲的誤差：接收機通過Costas環對被抑制載波的衛星導航信號進行載波跟蹤，以實現對載波相位和載波多普勒頻移的測量。載波多普勒頻移量最后通過濾波處理技術，對有關噪聲進行抑制后獲得精確的載波多普勒測量值，從而獲得較為精確的衛星徑向速度測量值，速度誤差估計如表1所示。

由結果可知測速誤差為0.072m/s，滿足需求。

4 結語

隨著北斗衛星定位導航系統的發展和完善，其定位精度和GPS相當，并具備良好的抗干擾性和保密性，北斗系統將會逐漸替代GPS。基于北斗轉發技術的飛行器外彈道測量系統技術成熟，定位速度快，擺脫了GPS系統的限制，將來在飛行器的軌跡測量中將發揮重大作用。

參考文獻

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