北斗转发技术在飞行器外测中的应用

李中伟

摘 要：GPS在飞行器轨迹测量中发挥了重大作用，而随着北斗导航定位系统能力的提升，利用北斗定位系统替换GPS完成飞行器轨迹测量任务成必然趋势，也是未来摆脱GPS限制的测量方法。该文介绍了北斗转发定位技术的原理，给出了北斗转发外测系统的设计及工作流程，分析了北斗转发快速定位技术及定位精度。北斗转发定位技术完全满足测量需求，在未来飞行器轨迹测量中必将发挥更大作用。

关键词：北斗;转发技术;定位精度

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0033-02

北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统。根据系统建设总体规划，2018年底，完成19颗卫星发射组网，完成基本系统建设，向全球提供服务;2020年前后，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。

为了避免美国GPS对我们在特殊领域中的限制，利用北斗卫星导航系统替换GPS已成为必然趋势。在飞行器高动态飞行试验中，存在外测信号的初始捕获及短时间重捕困难、测量设备跟踪容易引起接收机失锁等问题。而利用北斗定位信号转发技术能较好的解决这些问题。

1 北斗转发定位原理

北斗转发定位主要是在飞行器上安装变频转发器，变频转发器将飞行器上L频段北斗收星天线接收到的北斗信号变频到S频段（2.2GHz～2.4GHz），叠加导频并放大后转发回地面。地面转发外测接收设备接收飞行器转发下来的S频段信号，并完成对目标的捕获、跟踪，实时处理接收到的北斗卫星转发信号并实现单点和差分定位，给出飞行器的轨道信息。

2 系统设计及工作流程

系统主要由接收天线、射频耦合网络、S频段下变频器、L频段下变频器、转发北斗外测接收机、北斗基准接收机、检前记录器、转发北斗外测处理计算机等设备组成。系统组成及工作流程图如图1所示。

转发外测设备S频段接收天线跟踪并接收到转发北斗外侧信号后形成左右旋两路射频信号，经低噪声放大器放大送至射频耦合网络，信号经射频耦合网络分路组合后分别送至S频段下变频器进行下变频并输出70MHz中频信号。S下变频器输出的一路信号送至转发北斗外测接收机进行信号处理，另一路送至检前记录器进行检前数据记录。同时北斗基准天线接收到北斗卫星信号送至L频段下变频器输出70MHz中频信号，一路送至北斗基准接收机进行基准数据处理后送至转发北斗外测计算机，另一路送至检前记录器完成检前数据的记录。

转发北斗外测计算机接收转发北斗外测接收机通过网口送来的导航电文、时间、PDOP值、收星数目、星-弹-地伪距、伪距变化率、定位测速结果（X、Y、Z、、、）以及信道工作状态（AGC電平、频综锁定状态）、通道工作状态（通道号、卫星号、卫星健康状态、卫星仰角、预报多普勒频率、实测多普勒频率、信噪比、锁定指示）等信息;同时接收地面北斗基准接收机输出的导航电文、伪距改正数及其伪距变化率的改正数等信息，对其作差分处理，获得精度较高的飞行器外弹道数据。

3 快速定位技术及精度分析

3.1 北斗转发快速定位技术

接收机的捕获范围需考虑信号多普勒不确定范围，对于转发外测来说，主要包括星的动态、飞行器的动态、飞行器上钟漂、接收机钟漂。转发外测应用条件下存在星-飞行器和飞行器-地两项径向多普勒，在飞行器远离卫星且远离地面站或接近卫星且接近地面站条件下，最大产生±120kHz多普勒频率偏移，在借助理论弹道辅助进行多普勒预报，理论上能够消除载体动态产生的多普勒。卫星多普勒可以由电文星历中准确预报。转发器频率准确度为5×10-6，由此引入到转发卫星信号的多普勒误差将达到±11kHz。而通过导频辅助可彻底消除目标转发器频率准确度对转发导航信号多普勒的影响。

接收机捕获方法主要使用基于时域的匹配滤波法，对于每颗卫星在以零频为基础进行31个频点进行搜索，每个频点间隔0.5KHz，将本地设置一个静止的扩频序列，让接收序列滑过本地序列并作相关运算，每一码片时刻都会产生一个相关结果，当滑到两序列相位对齐时，必有一个相关峰值出现。检测到这个相关峰值，就用它启动另一个相位相同状态的本地序列发生器，该本地序列必然是与接收序列同步的。这样，在序列的一个时间不确定范围内，匹配滤波器把序列所有可能的相位状态都搜索一遍。匹配滤波器法是时域的一种快速捕获方法，原理如图2所示。

在导频和理论弹道双重引导下，首次定位前，捕获模块搜索频率±7.5kHz;定位后捕获新卫星过程中则使用定位测速结果辅助，捕获模块搜索频率±2kHz;当接收机不能定位则直接使用理论弹道引导，不再使用接收机最后一次定位测速结果。

3.2 精度分析

3.2.1 差分定位方式精度分析

由于飞行器在飞行过程中，与基准站的水平距离和高程差不断增加，误差项的相关性不断减弱，导致差分定位精度逐渐降低。如果两者距离过大，其精度甚至会低于普通导航定位精度。因此，基准站接收机和弹体的相对位置是决定伪距差分定位精度的关键因素。假设基准站和目标距离为100公里，测距误差取5.7m，（1σ）。

当目标距离差分基准站100Km以内，在CGCS2000（或WGS84）坐标系中，X轴指向0°经线，Z轴指向北极，Y轴指向东经90°经线。北京地区为东经116°左右，北纬40°左右，因此X、Z向可基本认为是水平方向误差，而Y向可基本认为是垂向误差。使用典型的DOP值分布，HDOP/VDOP（1：1.4）=1.74/2.44，测距误差取5.7m，X、Z方向的合成精度在9.92m，满足X、Z方向的合成精度8X=11.2m，而垂向误差在13.9m左右，满足15m要求。

3.2.2 测速精度分析

测速精度取决于几何因子和伪距变化率误差因子的乘积。其中伪距变化率误差因子的误差源主要有：与卫星有关的误差，主要是指导航卫星钟漂的影响;与接收机有关的误差，主要是指接收机测速噪声误差。除了伪距变化率误差因子之外，影响速度精度的还有与所测卫星空间分布有关的几何精度因子。几何精度因子越小，速度精度越高。

测速精度估算：

导航卫星钟漂的误差约为0.006m/s，与载体动态无关。接收机的测速噪声的误差：接收机通过Costas环对被抑制载波的卫星导航信号进行载波跟踪，以实现对载波相位和载波多普勒频移的测量。载波多普勒频移量最后通过滤波处理技术，对有关噪声进行抑制后获得精确的载波多普勒测量值，从而获得较为精确的卫星径向速度测量值，速度误差估计如表1所示。

由结果可知测速误差为0.072m/s，满足需求。

4 结语

随着北斗卫星定位导航系统的发展和完善，其定位精度和GPS相当，并具备良好的抗干扰性和保密性，北斗系统将会逐渐替代GPS。基于北斗转发技术的飞行器外弹道测量系统技术成熟，定位速度快，摆脱了GPS系统的限制，将来在飞行器的轨迹测量中将发挥重大作用。

参考文献

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