飞行器精密进近导航着陆设备关键技术专业技术报告

来源 :科学导报·学术 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pan2009pan
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  一、研究概述
  伴随着民用航空的蓬勃发展,安全问题一直是各国航空部门极为重视的问题。在飞机进近和着陆过程中,着陆场可能出现各种复杂的气象条件,例如低云、低能见度、雨雪等情况,使飞行员无法目视建立着陆航线、进场和着陆,从而对飞行安全造成影响。据统计有40%的事故发生在这一过程中。仪表着陆系统和微波着陆系统即是为了保障飞机进近和着陆安全所研制的无线电导航系统,但它们分别存在着精度不高和系统复杂的缺点。近十多年来,高新科技的研制和应用正在并将进一步提升民用航空的安全水平,促进民用航空持续快速发展。在空中交通管理领域广泛应用现代通信卫星自动化和计算机技术,展开了以星基导航为主导的空管技术革命。基于卫星导航及其增强系统的实时精密导航,不仅能连续提供三维位置信息,而且能提供准确的速度和时间信息,能很好的解决上述问题,并且有能力取代陆基无线电导航。我国正在加速建设的北斗卫星导航系统已于2020年实现了全球覆盖,带动了国内北斗导航相关产业蓬勃发展。随着卫星导航在各个领域的应用,人们对卫星定位的精度、可靠性、完好性和连续性的要求越来越高。特别是航空领域中,单纯的导航已经无法满足航空领域在所有飞行阶段的需求,尤其是精度和可靠性要求极高的精密进场和着陆阶段。为此卫星导航系统增强技术相继出现。卫星增强系统除了提供对伪距和电离层广域差分的校正之外,同时提供了GNSS的完好性信息,比普通的广域差分系统具有更好的实用价值。
  本项目研发的高精度北斗天线和高精度北斗板卡,是飞行器精密进近导航着陆设备的两项关键技术,因为只有开发出这两項技术,才能真正实现毫米级的定位精度,以这两项关键设备构成地面和机载高精度导航接收机,结合新一代无线通信技术,利用差分定位算法提高卫星导航精度,能够使机场覆盖空域范围内的配置相应机载设备的飞机获得更高标准的精密进近、着陆引导服务。最终实现航空器的自动降落,大大提高飞行安全和舒适度,提升航空技术的水平。
  二、研究背景及意义
  本项目属于航空产业中的航空电子设备范畴,是航空设备制造中的核心技术,是航空产业链中的高附加值产品,随着航空产业相关标准的推广和国家大飞机以及配套产业的不断推进,国防工业中相关应用的不断深化,产品的使用环境必将不断推广。
  本项目产品的研发和生产不仅填补了国内此类设备的空白,而且对航空电子产业的发展和提高航空电子设备的技术水平有重要意义。产品属于军民融合的技术,在和中航相关单位的合作中,产品的精度、抗干扰性和可靠性已经得到了验证,或得到了良好的使用效果,累积了大量宝贵的实验数据,因此项目的实施具有良好的技术基础和可实现性;项目建设符合国家产业政策,是深圳市政府重点支持的发展领域;能充分利用我市电子信息产业和装备制造的优势,项目应用前景广阔,对地方经济和产业结构调整具有积极的意义。
  三、研究内容
  高精度定位天线和高精度导航板卡的设计和实现。
  要实现GBAS地基增强系统的功能,高精度定位天线和高精度导航板卡的研发是必不可少的,它们也是实现整个系统的关键部件,其指标对系统整体功能有着决定性作用。
  1.高精度定位天线
  高精度定位天线的高精度指的是天线相位中心的高精度,这就涉及到相位中心的技术领域。天线的相位中心是其等效的辐射中心,理想的天线只有一个唯一的相位中心,其等相位面为球面,此时天线接收各个方向的卫星信号时不会因为天线本身额外的相差产生定位的误差。然而绝大部分天线不存在唯一的相位中心,此时天线在接收不同方向来的卫星信号时就会产生额外的相位误差,从而造成测量的误差。
  因此,如何设计具有高稳定相位中心的天线,减小天线相位中心偏差带来的测量误差,是测量型天线应用中需要迫切解决的问题。多馈点馈电技术是一个有效的手段,馈电点越多,对称性越好,相位中心稳定度越高,但相应的缺点是馈电网络越复杂。采用四个馈电点的微带天线,结合精心设计的功分网络,在获得了高稳定度的相位中心的同时,使得天线具有一个很低的剖面,在实际应用中具有很大的优势。通过对影响天线相位中心的各个因素进行建模,进行变量分析,从而在加工制造中进行针对性的管控,相位中心精度目前已经可以做到业界最高的1mm,而且目前正在向更高的精度目标迈进。为本项目配套建设的天线高精度相位中心测试实验室,拥有先进的高精度三轴测试转台和自动化测试系统,保证了产品的测试精度,同时获得了宝贵的相位中心测试原始数据,可以配合高精度导航板卡优化整个系统的精度。
  高精度定位天线的另一个重要部件是低噪声放大电路,它的要求是:低噪声系数、高抑制、低功耗。卫星导航系统的特点对天线的方向图有这样的要求:高辐射效率获得高的系统信噪比,宽波束的方向图确保低仰角效果,高前后比以及低的轴比提高系统抗多径效应的影响。
  在实际的天线使用环境中,因为周围一些遮挡物等障碍的存在,还会引入一个多径干扰的问题。特别是用于地面参考接收战的天线,如果受到干扰,将严重影响导航信号的联系性和完好性,对导航着陆系统系统的功能实现造成威胁。多径效应是高精度卫星导航测量的重要误差来源,这就要求天线具有较强的抗多径干扰的能力。大多数的多径信号是一次反射引起的反射信号,属于左旋圆极化波,因此提高天线极化纯度可以有效抑制多径信号;天线的下半空间接收到的信号都不是直达信号,因此减小天线的后向辐射同样可以抑制多径信号。另外,将天线安装在扼流圈上可以有效抑制多径信号的接收,通过对扼流槽的个数、槽宽、槽深等参数进行优化设计,就能使得天线的前后向辐射比得到提高,水平角度附近的信号接收水平都得到极大抑制,从而提高系统的抗多径能力。
  2.高精度导航板卡
  高精度导航板卡基本功能划分如下图所示:
  高精度导航板卡软件按照功能划分可以分解为几个大部分(其中黄色部分需要由FPGA端负责辅助完成),每个部分的功能如下:   基带信号层:主要完成从AD端数字化后的中频数据输入到获得电文数据和原始观测量数据的功能。该部分为底层处理模块,由顶层模块进行控制启动和关闭。
  信息层:主要管理接收机内部各部分的信息内容,负责数据的获取/保存/推估等。是接收机端的主要管理模块。其中又包括几部分:
  卫星信息:主要完成对GNSS导航系统各卫星端数据。包括卫星信息(轨道参数/可用性等)
  卫星到接收机信息:包括各种观测量信息(伪距/载波相位/多普勒/载噪比等)和接收电文信息
  接收机端信息:主要包括PVT信息和本地时频信息。
  用户层:主要负责接收用户指令和向外输出用户需要的信息。主要进行指令解析和协议管理等。
  卫星引导着陆系统,采用了高精度载波相位跟踪能力的接收机,这就意味着在进行差分定位时,可以采取载波相位相关的定位手段,成熟的应用即为载波相位差分解算算法。通过载波相位差分,消除测站之间的误差,提高测站间相对定位精度。载波相位差分技术是目前卫星导航定位领域定位精度最高的定位算法,理论及实际的大量数据成果表明,载波相位可以达到1cm+1ppm的相对定位精度。
  由本项目研发的导航板卡和高精度定位天线组成的系统是目前测量精度最高的一种北斗姿态测量产品,拥有静态航向精度0.05deg/L(1б RMS)的技术指标。远超国内外同类技术所能提供的精度,在短基线情况下就能达到与军用级高精度惯性导航设备同样的航向精度。
  四、研究的技术路径
  技术路线为:
  联合精密进近系统设计方案如下图所示:
  系统由以下几部分组成:
  中心控制站分系统:主要用于获得高精度差分信息、接收机载接收机实时精密位置、计算实时进近轨道并引导着陆、以及空中交通管理功能。
  ●高精度GNSS差分参考站:主要用于获得高精度差分信息并通过数据链分系统发送至机载终端设备进行定位。
  ●进近轨道引导:主要用于根据飞机实时精密位置,生成实时轨道,并报给机载电子设备进行导航。
  监测分系统:用于对GNSS系统完好性监测以及对控制系统链路进行监测。
  数据链分系统:主要用于中心站和机载设备间进行必要的数据传输功能。
  机载终端设备:包括高精度GNSS定位终端和组合导航设备,通过卫星导航和惯性导航组合实现高精度定位功能。
  以飞机自动着舰为例,舰船上的GPS接收机接收GPS信号,稳定平台测出舰船运动信息,将这两者通过数据链发送到飞机上,飞机接受舰船发来的GPS观测量,与机载GPS接受机观测量组合解算两GPS天线之间的相对位置。同时飞机接收舰船的运动姿态信息,结合机载的精密惯性导航系统的输出信息,将两天线间的相对位置转化为舰载机尾钩与着舰点及甲板中心线的相对位置,将此相对位置与理想着舰轨迹进行比较,得出纵向、横侧向误差,送舰载机控制器,控制飞机纠偏。
  采取“方案—>技术攻关目标分解—>技术手段—>产品测试—>产品成型”的技术路径,通过目标分解,把产品的研发细化到7项具体的技术实现手段作为攻关的目标。
  2 结论
  1)研发目标:本项目是以高精度定位天线和高精度导航板卡为开发目标,从无线射频一直到后段的信号处理,系统整合度高,涉及的知识复杂,具有长期的技术领先优势。
  2)小型化设计:是本项目的突破性创新。航空航天器上各种设备堆集,同时系统有整体重量设计目标,因此对导航分系统同样存在严苛的尺寸和重量要求,本项目开发的地面抗多径天线,将外形尺寸由行业普遍使用的直径380 mm缩减到了160 mm,同时保持了优良的性能。开发的小型化抗干扰天线是目前业内最小的抗干扰天线,尺寸缩减至直径89mm,同时是目前业内精度最高的航空型天线,得到了客户的好评。
  3)抗干扰设计:射频干扰是星基导航着陆系统面临的一个重要问题,严重情况下会造成卫星接收机跟踪中端.射频干扰的来源和形式多种多样,很多是事先不可预测的,这就要求卫星导航的接收机和天线具备很强的抗干扰能力。本项目从各个组件本身到整个系统的电磁兼容等各个方面都积累了一些独创的技术和丰富的经验。从天线来说,主要是采用了新型多路径干扰抑制板,可有效减少对多径信号的接收;从接收机来说,采用频域滤波可用于抑制有界窄带和连续波带内干扰源及强带外干扰源。时相滤波用与复杂的窄带噪声和连续波干扰源,通过调整天线和接收机之间的匹配、互耦和接地可进一步提升信号质量和系统的整体抗干扰能力。
  五、项目解决的关键技术
  (1)天线相位中心高精度技术
  天线的设计目标是相位中心精度达到1mm,设计上采用了多点馈电的技术,这就需要攻关高效率天线馈电网络技术,保证天线馈电输入幅度和相位的精度。
  (2)天线相位中心校准技术
  精确的测量相位中心随空间角度的变化,通过数据修正可以提高定位精度,就需要攻关天线相位中心在微波测量暗室中的测量和标定系统。
  (3)天线抗多径干扰技术
  考虑到机载环境往往是多径干扰强烈的环境,对系统的测量精度有很大的影响,这就需要攻关天线的抗多径干扰的技术,特别是在小型化的前提下提高抗多径能力,需要用到超材料等新抑径板技术。
  (4)高性能射频前端技术
  对射频前端的技术攻关要求就是高增益、低噪声系数和强抗干扰能力,该模块的指标对系统的接收灵敏度有直接的影响。
  (5)高灵敏度基带信号处理技术
  基带信号处理是导航接收机中的核心功能部分,需要攻关的技术包括数字处理接收通道、码捕获、多普勒频率校正、码跟踪、载波同步和解调等。
  (6)导航解算后处理技术
  解算后处理技术需要攻关的技术包括:兼容解算算法、整周模糊度搜索算法、周跳检测算法等
  (7)电磁兼容技术
  需要攻关的技术主要是电磁兼容技术,通过滤波、隔离、屏蔽、接地等方法提高系统抗外部电磁辐射能力和改善系统内部的电磁干扰。
  六、项目技术成果的应用前景
  项目产品属于航空工业中的航空电子设备,属于航空产业中的高科技产业,产品本身是高附加值产品。目前航空产业得到了国家的高度重视,是产业升级换代的一个重点战略性产业。据国内权威机构统计,飞机和机场作为航空业的基础,其数量和规模持续扩大,机场数量超过200个,机队规模超过2600架,且在持续增长中。美国波音公司预测,未来20年中国将需要6330架新飞机,总价值9500亿美元,机队规模将扩大三倍。中国市场将是全球增速最快的市场,随着国内中产阶级人口的扩大和人口收入的提高,跨境贸易和旅游需求的旺盛,还将有一个很长的增长周期。
  国产大飞机C919项目的不断推进和支线客机ARJ21的商业运营,为中国航空产业的发展插上了翅膀。中国不光要有自己的大飛机,实现这一长久以来的梦想,也要使我们的大飞机实现真正的完全的国产化,就需要航电设备在内的一系列上下游企业的共同努力,这是一条艰难的道路也是我们必须走得一条道路
  随着机场和航线的数量不断增加,而空域资源是一定和有限的。这其中的矛盾会越来越大,就需要本项目所开发的精密进近导航着陆设备这样的科技产品来解决其中一部份问题。而从国际标准到行业的呼声都认为星基导航着陆设备是未来空中交通管理系统的一个基础,是必然要达到的一个技术状态,国内外都对此给与了充分的重视和肯定,因此本项目有着光明的应用前景。
  (作者单位:深圳市鼎耀科技有限公司)
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