著艦引導雷達動態校驗系統的設計與實現

王鼎，謝洪森，王傳剛，黃子革

（海軍航空大學青島校區，山東青島 266041）

著艦引導雷達是艦載對空導航系統的重要組成部分，在引導艦載機安全著艦中發揮著不可替代的作用[1]。著艦引導雷達實時測量飛機的方位、仰角和距離等相對位置信息，并將相對位置信息和艦體姿態及升沉變化量發送給起飛和著艦引導指揮設施，同時通過無線信道傳送給艦載機[2]。

為檢驗對空導航設備發射的無線電信號的完好性，飛行校驗是常用也是最有效的技術手段[3]。目前，我國陸基對空導航系統飛行校驗技術和應用比較成熟，而艦載對空導航系統動態校驗方面的研究還處于起步階段。與陸基對空導航系統不同的是，著艦引導雷達和艦載機均處于運動狀態，這給校驗基準獲取和誤差處理增加了難度[4]。該文將針對著艦引導雷達的動態校驗問題，討論校驗系統的構建、校驗基準的獲取與誤差處理等問題。

1 動態校驗系統總體結構

著艦引導雷達動態校驗的基本原理是將艦載機飛行過程中通過無線信道接收的雷達相對位置信息與高精度空間基準數據進行對比，以評估著艦引導雷達引導性能的好壞，其中空間基準的精度直接決定了動態校驗的精度和可靠性[5]。著艦引導雷達本身就是一種高精度的著艦引導系統，對該系統進行動態校驗的空間基準必須精度更高。校驗基準方案采用移動基準站實時動態載波相位差分定位技術（MB-RTK），即建立在實時處理兩個觀測站的載波相位基礎上的相對定位技術，基準站（艦載）通過數據鏈路實時將其載波觀測值和原始定位信息一起傳送給用戶站（機載），利用相對定位原理將這些觀測值進行差分，削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等影響，并對基線求解、解算載波相位差分改正值，然后解算出飛機相對艦船的精確位置信息[6]。

著艦引導雷達動態校驗系統由艦載部分和機載任務系統兩大部分構成，如圖1 所示。

圖1 動態校驗總體結構框圖

1.1 艦載部分

艦載部分主要包括高精度艦船位置和姿態信息基準測量系統、無線數傳單元與雷達相對位置信息傳輸設備。艦船位置和姿態信息基準測量系統由GNSS 接收機、艦船姿態信息處理單元和便攜式維護計算機等組成，如圖2 所示。

圖2 艦船位置和姿態信息基準測量系統示意圖

系統中的艦船姿態信息處理單元利用GNSS 接收機和艦船的船搖信息實時計算出著艦跑道的真航向和設備天線相位中心的經度、緯度、高度信息。這些信息與差分數據一起通過無線數傳單元傳送給校驗飛機的機載任務系統。

1.2 機載任務系統

機載任務系統主要包括雷達相對位置信息機載接收設備、飛機位置和姿態信息基準源、數據同步采集處理單元、導航校驗計算機與無線數傳單元等。

導航校驗飛機通過任務系統的數據傳輸通道接收艦船姿態數據。機上的GNSS 接收機實時測量飛機的動態經度、緯度和高度數據；同時通過差分鏈路，接收艦面基準站的RTK 數據。通過解算獲得飛機相對著艦引導雷達天線相位中心的方位、仰角和距離，并以此作為校驗的基準。

導航校驗計算機在接收校驗基準數據的同時，同步捕獲雷達相對位置信息機載接收設備輸出的方位、仰角和距離信息，并對一組同步數據進行對比，通過數字濾波和算法模型，獲得著艦引導雷達的校驗結果[7]。

2 動態校驗基準獲取

2.1 精度需求分析

根據飛行校驗理論，校驗精度（即校驗基準精度）應至少為被校設備系統精度的3倍以上。根據國外同類著艦引導系統的精度要求，在著艦參考點處的方位測量誤差折算成水平距離誤差約為1.26 m（3δ），仰角測量誤差折算成垂直距離誤差約為1.35 m（3δ）；那么對校驗基準的要求應為水平定位誤差優于0.42 m，垂直定位誤差優于0.45 m。

載波相位差分用戶定位誤差（CsrUNE）分為水平定位誤差（CsrHNE）和垂直定位誤差（CsrVNE），由用戶觀測幾何精度因子（DOP值）、差分用戶等效距離誤差（CsrUERE）、置信概率（Pr）決定，在星座分布確定條件下，可將用戶定位精度需求轉化為偽距差分等效距離誤差需求[8]。

按照載波相位差分水平定位精度為0.42 m，垂直定位精度為0.45 m（置信概率為99.7%限定）進行分解：

可知載波相位差分用戶等效距離誤差要求為0.075 m。

在星座分布確定條件下，可將用戶定位精度需求轉化為偽距差分等效距離誤差需求，載波相位差分等效距離誤差可分解為：

其中，σemp為星歷誤差造成的基線誤差，σtrop為對流層延時誤差，σiono為電離層延時誤差，σair為機載接收機誤差，σship為艦面基準接收機誤差。載波相位差分等效距離誤差分解如表1 所示。

表1 載波相位差分等效距離誤差分解

假定衛星星歷誤差為5 m，系統作用距離為40 km，導航衛星軌道高度為20 000 km，根據公式：

計算可得σemp≤0.01 m，σemp分解預算值為0.01 m。

根據公式：

計算可得σtrop≤0.008m，σtrop分解預算值為0.008m。

根據公式：

計算可得σiono≤0.012 m，σiono分解預算值為0.012 m。

艦面基準接收機誤差σship分解預算值為0.04 m，基準接收機載波相位測量精度按0.02 周（1δ，以BD2 B1 頻點波長0.236 m 為例），其測量精度為0.005 m（1δ），小于誤差預算值，能夠滿足系統精度需求。

機載接收機偽距誤差σair分解預算值0.06 m，機載接收機載波相位測量精度按0.04 周（1δ），其測量精度為0.009 m（1δ），小于誤差預算值，能夠滿足系統精度需求。

基于以上分析，對于載波相位差分，在基準接收機載波相位測量精度滿足0.02 周（1δ），機載接收機載波相位測量精度滿足0.04 周（1δ），能夠確保系統精度指標滿足要求。從目前國內接收機的水平來看，我國北斗二號系統監測型接收機的載波相位測量精度達到0.01 周（1δ），能夠滿足如上的指標要求。

2.2 相對定位處理流程

為實現動態校驗對基準精度的嚴格要求，采用二級導航定位算法[9]進行載波相位差分相對定位的計算，第一級計算對單個測距源的觀測量進行濾波，以估計與寬巷頻率相關的整周模糊度，第二級完成單個觀測量每個頻率上的載波觀測量的整周模糊度計算，在整周模糊度的確定以及隨后的導航計算中[10]，第二級算法可以通過載艦和飛機對可見衛星的雙差觀測量移除系統偏差。

2.3 可行性分析

為驗證算法的可行性與有效性，進行了兩組動態實驗[11]，第一組為單動態實驗，第二組為雙動態實驗。

2.3.1 單動態實驗

實驗條件：固定兩GNSS 天線，兩天線基線矢量為b0=[3.267，-0.338，0.008]T，基線長為3.285 m。另外設置一動態GNSS 天線，作低速率圓周運動，數據采樣率為1 Hz，試驗時長為45 min，共2 700 歷元。

首先對基線b1和b2分別進行解算，利用北斗B1、B2 頻點聯合解算，然后將b1-b2的結果與b0作比較，若兩者一致，則說明基線解算正確[12]。圖3 為b1-b2的結果，與b0相一致，可以判斷基線b1和b2解算正確。從圖中還可以看出，該結果精度在0.1 m 以內，因此可以認為相對定位的基線解精度優于0.1 m。

2.3.2 雙動態實驗

實驗條件：實驗采用移動基準載體、移動載體，采用所研究的相對定位算法，進行雙動態移動實驗，兩載體最大距離為2.5 km，進行周期性相對運動，實驗時間約1 h，數據采樣率為5 Hz。

圖3 基線b1和b2作差結果

圖4 給出了移動載體與移動基準的相對距離，圖5 給出了實時相對定位的誤差。由圖可知，三維最大相對定位誤差優于0.06 m，滿足2.1 分析所得的精度要求。

圖4 實時相對距離示意圖

圖5 實時相對定位誤差示意圖

3 動態校驗數據誤差處理

由于航母在航行或停泊的時候，受到風浪、潮汐等洋流復雜的沖擊和影響，使航母的船體姿態和形狀發生變化，船體的位置也不像陸基導航臺那樣固定不變，而是漂移的。因此艦載航空導航系統的校驗數據，除了與陸基同類系統類似的誤差修正外，還要做船姿、船體變形等修正處理，才能獲得比較準確的校驗數據[13]。

鑒于艦載航空導航系統動態校驗特殊的測量過程，將誤差分為三大類：隨機誤差，主要包括各種不確定因素變化引起的誤差和環境與設備狀態擾動引起的誤差；系統誤差，主要包括艦載航空導航設備本身的調零誤差、軸系誤差以及跟蹤過程中的時延誤差等；船搖誤差，主要包括船搖引起的隱周期誤差[14]。

對于測量誤差，若僅靠提高硬件設備的精度或靠增加設備數量來提高精度往往會有困難，也是不經濟的。目前，廣泛采用的策略是通過先進的數據后期處理方法來彌補設備精度的不足，即充分利用動態校驗的歷史數據，綜合統計學與現代信號處理技術，分離測量誤差，以提高系統的精度[15]。根據上述思想，通過對歷史校飛殘差的分析與處理，得到系統的一些先驗特征，如殘差特性、誤差模型等，并將校飛數據處理的結果應用到實測中，處理流程如圖6所示。

圖6 基于歷史數據分析的動態校驗誤差處理流程

4 實驗驗證

4.1 飛行實驗與結果

采用無人直升機作為飛行平臺，掛載相應的校驗任務載荷完成對著艦引導雷達方位、仰角和距離的校驗實驗[16-19]。受無人直升機飛行能力限制，對飛機校驗的航線和航程進行了裁剪，飛行軌跡共選擇2條航線，分別為：

1）距著艦點8 km，3°下滑角，中心線進場；

2）距著艦點11 km，下滑3°，方位+2°斜線進場。

同時，為驗證校驗系統的有效性，提前將著艦引導雷達輸出的距離信息進行了調整，即傳輸的距離信息與雷達測距結果相比有+40 m 的偏差。

第一次飛行檢驗的數據分析結果如圖7～9 所示，第二次飛行檢驗的數據分析結果如圖10～12 所示，圖中曲線為相應的誤差曲線，直線為誤差門限和跑道入口位置。

圖7 第一次飛行方位誤差曲線圖

圖8 第一次飛行仰角誤差曲線圖

4.2 結果分析與結論

圖9 第一次飛行距離誤差曲線圖

圖10 第二次飛行方位誤差曲線圖

圖11 第二次飛行仰角誤差曲線圖

圖12 第二次飛行距離誤差曲線圖

從圖7、10 所示的方位誤差曲線可以看出，兩次方位誤差曲線均在誤差門限之內；中心線進場和斜線進場方位誤差曲線略偏低，建議方位掃描中心角向左調整0.02°。從圖8、11 所示的仰角誤差曲線可以看出，兩次仰角誤差曲線均在誤差門限之內；中心線進場和斜線進場仰角誤差曲線略偏高，建議仰角掃描中心角向上調整0.03°。從圖9、12 所示的距離誤差曲線可以看出，兩次距離誤差曲線均超過誤差門限；中心線進場和斜線進場距離誤差曲線均偏高，存在約40 m 固定偏差，這與實驗前對精密測距設備的調整是一致的。實驗表明，提出的著艦引導雷達動態校驗方案是可行的、有效的。

5 結束語

針對著艦引導雷達的動態校驗問題，提出了校驗系統的總體結構，重點對校驗基準的精度要求、獲取方案以及校驗數據的誤差處理等關鍵技術進行了研究，通過仿真和實驗驗證了方案的可行性和有效性，對艦載航空導航設備動態校驗的發展具有一定的理論指導意義，對提高艦載航空導航系統的可靠性也具有一定的實踐價值。