基于RTK定位的差分衛星引導技術研究

梁穎茜, 常紹平, 王青林

(1.航空工業西安飛行自動控制研究所，陜西 西安 710076；2.航空工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

艦載機著艦是一項復雜的系統工程。自1911年1月18日美國飛行員駕駛飛機在“賓夕法尼亞”號巡洋艦上進行了首次降落以來，艦載機的發展大致經歷了螺旋槳式艦載機、噴氣式艦載機、綜合艦載機群、常規艦載機和垂直/短距起降艦載機并存等階段。艦載機著艦早期以人工引導為主，著艦事故率比陸基高3～6倍，著艦失敗率占總失敗率的85%。為滿足全天候作戰能力，美軍在20世紀70年代就開發了全天候著艦引導系統，它能夠在無飛行員操縱的情況下進行著艦，減輕飛行員負擔，提高著艦安全和作戰效能。

目前，陸基無人直升機的著陸點一般是固定的，主要依靠機載GPS導航引導、慣性導航引導或組合導航引導等方式，實現自動著陸或由地面站操作人員手動進行著陸。艦基無人直升機需在一定海況下進行著艦，將受到海浪、艦尾流和載艦甲板運動等因素的影響，著艦環境更為復雜，著艦位置不固定，因此需要配置專門的無人直升機著艦引導系統用于進行機艦相對位置等信息測量和解算，以滿足全自動著艦的需求[1]。

針對著艦引導系統，研究人員先后提出了多種引導體制方案，主要包括以下幾種：人工引導著艦、儀表著艦系統、微波著艦系統、聯合精密進近著陸系統和視覺引導系統等。其中，聯合精密進近著艦系統核心依賴于實時動態定位(Real-Time Kinematic,RTK)技術。

RTK定位即實時動態載波相位差分定位,是一種基于衛星載波相位觀測值的實時動態定位技術，通過架設基準站并將基準站數據與流動站數據進行差分解算，進而獲取流動站的精確位置，從而得到比傳統衛星導航定位更為精確的結果[2-4]。目前，由于基準站固定，獲得精確流動站的定位結果的RTK定位被廣泛應用于無人機精確定位、大地測量和工程測量等領域。當將固定站固定在移動的艦船上、流動站固定在無人直升機上時，通過差分解算即可得到無人直升機相對于艦船的精確定位信息，從而滿足無人直升機全自動著艦的引導信息需求。

目前，成功應用于無人直升機自動著艦引導系統有美國的無人機通用自動恢復系統(UAV Common Automatic Recovery System,UCARS)、聯合精密進近著陸系統、法國的SADA自動甲板起降系統等。國內公開信息中尚無類似的無人直升機著艦引導系統，本文開展的基于RTK定位的差分衛星引導系統研制工作可以為未來無人機艦上的使用提供一種積極的嘗試和探索。

1 基于RTK定位的差分衛星引導系統設計

1.1 系統總體方案

RTK定位差分衛星引導系統由艦載分系統和機載分系統兩個部分組成，設備詳細組成配置如表1所示。

表1 差分衛星引導系統設備組成表

差分衛星引導系統通過數據鏈進行艦載分系統和機載分系統的數據傳輸。艦載衛星接收機接收解算北斗導航衛星信號，將艦載偽距/載波相位觀測量等信息通過數據鏈上傳至無人直升機。機載衛星接收機接收解算北斗導航衛星信號，同時接收數據鏈傳輸來的艦載偽距/載波相位觀測量等信息，從而完成艦機高精度相對定位解算。RTK定位差分衛星引導系統示意圖如圖1所示。

圖1 RTK定位差分衛星引導系統示意圖

1.2 衛星接收機原理

衛星導航接收機由射頻通道模塊、信號處理模塊和信息處理模塊、接口及電源變換模塊組成。衛星導航接收機原理如圖2所示。

圖2 衛星導航接收機原理圖

其主要工作原理如下。

① 射頻通道。主要完成信號放大、下變頻、濾波和數字化(Analog to Digital Converter,ADC)，輸出量化后的數字信號直接送入基帶部分進行信號處理。

② 信號處理。主要完成對量化后的數字信號進行捕獲、跟蹤等數學運算。

③ 信息處理。主要完成電文解析、PVT解算、載波相位/偽距差分計算和最終數據打包輸出。

④ 接口及電源變換。主要用于連接用戶設備、輸出位置和時間等信息。電源模塊為接收機硬件各模塊電路提供所需的電源。

1.3 測量型衛星天線

測量型衛星天線包括天線陣列和電源板等模塊。其中，天線陣列包括1個B1零相位陣元、1個B3零相位陣元，射頻/RDSS基帶板包括B1/B3濾波放大電路。B1/B3濾波放大電路部分由接收機板5 V饋電供電，以實現高精度測量控制。測量型衛星天線功能框圖如圖3所示。

圖3 測量型衛星天線功能框圖

1.4 軟件技術方案

RTK定位差分衛星引導系統的信號處理軟件包括北斗定位模塊、RTCM協議模塊和相對定位模塊共3個部分，包括信號的冷熱啟動、基帶處理、定位、RTCM協議、相對定位、授時、RAIM、自檢等。軟件實現信號流程圖如圖4所示。

圖4 軟件實現信號流程圖

北斗定位模塊從零相位天線單元獲取對應的衛星信號，獨立完成信號跟蹤、解碼和定位計算；同時將星號、偽距、載波相位值和航速發送給相對定位模塊。

RTCM協議實現將基準站觀測信息，包括星號、偽距、載波等信息編碼和解碼，以供相對定位模塊使用。

相對定位模塊的軟件接收基準站發送過來的衛星號、偽距、載波相位等信息，利用實時載波差分技術計算出精確的相對位置，最后通過通信設備發送給艦載基準站設備。

2 算法設計及實現流程

2.1 RTK定位原理

載波相位差分技術使用衛星信號的位置、時間、偽距和載波相位觀測值等信息實現艦載和直升機間的相對位置矢量解算，其中的關鍵技術是載波相位整周模糊度的解算[5-6]。本方案中結合了代爾夫特科技大學P.J.G Teunissen博士提出的近似整數去相關法(最小二乘去相關模糊搜索算法，LAMBDA)和阻尼最小二乘估計原理，采用基于阻尼LAMBDA算法的單歷元基線解算技術，其實現流程如圖5所示。

圖5 基于阻尼LAMBDA算法的單歷元基線解算技術實現流程

2.2 RTK定位工作流程

系統啟動后，首先進行系統和參數初始化，然后以基帶中斷為觸發源，以輸入的導航基帶數據為數據源，進行捕獲跟蹤、電文解析與完好性檢測、PVT解算、載波相位差分、數據輸出、通道控制與長碼控制等閉環處理；同時，接收慣導數據對捕獲跟蹤進行輔助。

在驅動層的捕獲跟蹤模塊通過信號量觸發應用層軟件模塊后，程序按照二分選星、電文解析與完好性檢測、導航解算、載波相位差分和通道控制順序執行，具體如下[7]。

① 根據各通道的信號跟蹤狀態機信號強度進行選星。

② 根據各通道碼同步、幀同步情況提取衛星星歷、歷書。

③ 根據載波跟蹤環路和碼跟蹤環路的測量值，結合衛星星歷時間提取觀測量，得到偽距、多普勒頻移、載波相位、信號發射時間等。

④ 根據測量值和得到的報文計算出接收機位置。在初始上電階段，采用最小二乘法解算。穩定階段采用卡爾曼濾波算法，根據最小二乘結果對卡爾曼濾波進行初始化。

⑤ 從外部差分數據觀測量中選取共視星觀測量，建立雙差觀測方程，采用LAMBDA算法解算整周模糊度，得到精確的載波相位觀測量后，計算基線矢量，進行測向和差分定位。

⑥ 通過通道控制部分根據衛星的軌道參數和接收機本身位置，確定衛星是否可見，根據此分配通道對可視衛星進行跟蹤。

2.3 RTK算法設計

原始偽距、載波相位和多普勒頻移觀測值會受到很多誤差的影響，消除或減小這些誤差影響的有效方法就是不同接收機和不同衛星的觀測值之間作差分處理[8-9]，常用的差分形式有單差和雙差。

偽距、載波相位的雙差觀測方程通常寫為

(1)

(2)

式中：P為偽距觀測值(m)；ρ為雙差衛星到接收機的幾何距離(m)；ts為衛星信號發射時刻;tr為衛星信號接收時刻；dtrop為雙差對流層誤差(m)；I為雙差電離層誤差(m)；f為載波頻率(Hz)；MP為雙差多徑誤差(m)；εP為偽距觀測值測量噪聲；φ為載波相位觀測值(rad)；λ為載波波長(m)；N為整周模糊度(rad)；εφ為載波相位觀測值測量噪聲。

對于短基線，經過差分后，衛星位置誤差和大氣延遲誤差影響大大減小，被差分放大的多路徑效應和觀測噪聲成為主要誤差。而對于中長基線，雙差殘余誤差(如衛星位置誤差、大氣延遲誤差)仍然較大，是影響模糊度整數估計和定位結果精度的主要誤差。因此，一般采用雙頻載波的組合觀測值來進行數據處理。

2.4 整周模糊度求解

載波相位觀測量的精度比偽距觀測量的精度要高出2～3個數量級，精密相對測量必須使用載波相位觀測量，而利用雙差載波相位進行精密相對定位的關鍵是求解整周模糊度[10-11]。

快速求解模糊度的主要方法就是減少模糊度的搜索空間，這不但會影響模糊度的求解速度，而且會影響模糊度的求解準確率。搜索空間越小，就越容易搜索出唯一一組正確解。可采用以下2種方法。

① 使搜索的方差協方差陣非對角線元素的值減小，從而減少模糊度備選值的個數。方差陣與GNSS幾何分布(即GDOP值)和觀測值的精度這2個因素有關。為了減少觀測噪聲，采用載波相位平滑來求解模糊度的初始解，此外利用LAMBDA方法使載波相位雙差值降相關，減小模糊度的搜索空間。

② 減少搜索空間的維數，并減少模糊度備選值的個數。大多數情況下GNSS可視衛星數多于6顆，按一定的準則把GNSS衛星分為基本組和次要組，只對基本模糊度進行搜索，這樣能大大減少模糊度備選值的個數。

整周模糊度求解步驟如下。

① 使用碼偽距和載波相位計算模糊度浮點解及其協方差矩陣。

② 建立模糊度域的搜索空間，在此空間內進行搜索，即以所有可能的模糊度值結合載波相位觀測值反算出測相偽距，進行最小二乘平差，并記錄相應的殘差二次型。

③ 取后驗方差最小和次小的兩組模糊度進行Ratio檢驗，若Ratio檢驗結果小于限值，則還需要利用下一個歷元的數據對剩下的模糊度組進行最小二乘搜索，直到Ratio檢驗結果大于限值為止。

由于P碼測距精度較高，可提高雙觀測量實時解算中的偽距權重，尤其是初始幾個歷元的權重，可用偽距引導載波相位的求解，加快浮點解的收斂速度。

為加快整周模糊度解算，減少電離層和觀測噪聲的影響，采用雙頻載波相位形成寬巷雙頻組合觀測量。通過擴大組合觀測量的波長，解算組合觀測量的模糊度，以提高搜索效率。

3 試驗結果

3.1 艦面靜態試驗

設置艦船處于錨泊狀態，飛機固定在船上，圖6為艦面靜態試驗中差分衛星定位模式，其中0為不定位；1為偽距差分；2為浮點解；3為定點解。通過統計可知，衛星載波相位差分固定率(定點解統計)為95.73%。圖7為在地球坐標系下差分衛星測得定點解X、Y、Z位置，由于錨泊狀態下船會出現一定搖擺，由圖7可知，X、Y、Z位置相對基線維持穩定。圖8為以平均基線為基準時的相對定位基線誤差，最終統計定位誤差為0.005 m(RMS)。

圖6 艦面靜態試驗中差分衛星定位模式

圖7 艦面靜態試驗中差分衛星測得的定點解位置

圖8 艦面靜態試驗中差分衛星相對定位誤差

3.2 著艦飛行試驗

設置艦船以5 m/s航行，無人直升機在進行自主著艦。圖9為自主著艦試驗中差分衛星定位模式，其中0為不定位；1為偽距差分；2為浮點解；3為定點解。通過統計可知，衛星載波相位差分固定率為98.14%。圖10和圖11分別為以載波相位差分后處理定位結果為基準，計算得到的實時相對定位誤差，統計水平定位誤差為0.0051 m(RMS)，垂向定位誤差0.0191 m(RMS)。

圖9 自主著艦試驗中差分衛星定位模式

圖10 自主著艦試驗中相對位置水平方向誤差

圖11 自主著艦試驗中相對位置垂向誤差

4 結束語

本文設計了一種基于RTK定位的差分衛星引導系統，通過RTK定位算法和軟硬件系統的實現，實時計算艦船和無人直升機的相對位置，經過艦面靜態試驗和飛行試驗，驗證了該系統可以滿足無人直升機全自主著艦時對著艦精度、實時性和穩定性的要求。