机载北斗定位系统应用研究

李亚玲 杨玉卫 周甄

摘  要：机载北斗定位系统在某型飞机上与GPS和GLONASS同步使用，均与激光惯性/卫星组合导航系统交联，实现北斗、GPS、GLONASS或其组合导航，用以修正纯惯性导航状态下的导航积累误差，当机载北斗定位系统发生故障只会影响到自身功能，既不影响惯导系统的使用功能，也不影响飞机的飞行安全。对某型飞机机载北斗定位系统飞行使用中频繁报“BD数据无效”的现象，采用故障树展开具体分析研究，查找问题原因并进行完善，通过反复的改进验证最终满足系统飞行使用要求。

关键词：机载北斗定位系统;故障树;数据无效

中图分类号：TN967.2       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0036-04

Research on the Application of Airborne Beidou Positioning System

LI Yaling1，YANG Yuwei2，ZHOU Zhen1

（1.Hanzhong Aircraft Branch of AVIC Aircraft Co.，Ltd.，Hanzhong  723000，China;

2.Chinese Flight Test Establishment，Xian  710089，China）

Abstract：The airborne Beidou positioning system is used synchronously with GPS and GLONASS on a certain type of aircraft. It is linked with the laser inertial/Satellite Integrated Navigation System （inertial navigation system for short） to realize Beidou，GPS，GLONASS or their integrated navigation，so as to correct the navigation accumulation error under the pure inertial navigation state. When the airborne Beidou positioning system fails，it will only affect its own functions，that is，it will not affect the inertial navigation system use of functions does not affect the flight safety of the aircraft. In this paper，the failure tree is used to analyze and study the phenomenon of “BD data invalid” frequently reported in the flight of Beidou positioning system on an aircraft，find out the cause of the problem and improve it，and finally meet the requirements of the system flight through repeated improvement and verification.

Keywords：airborne Beidou positioning system;fault tree;invalid data

0  引  言

美国全球定位系统（GPS）和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）是比较成熟的卫星导航系统，在全世界范围内广泛应用并且其稳定性得到认可，遍布军民生活。中国北斗卫星导航系统作为继GPS和GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，是中国自行研制的全球卫星导航系统，可以在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠的全球导航定位服务，并具有授时、短报文通信能力，虽然其功能和性能有很大的优势，但其在飞机上的广泛应用还处在一个逐步成熟的进程中。笔者针对北斗二號卫星导航系统在某型飞机配置设备使用中出现的问题进行研究解析，通过反复的改进验证最终满足系统飞行使用要求，为其后续的广泛成熟应用奠定技术经验基础。

1  系统概述

某型飞机配备的机载北斗定位系统属于国产飞行航空电子产品，具有接收北斗二代卫星信号，实现更高精度的定位、测速功能和授时功能。系统与机上配置的惯导（激光惯性/卫星组合导航系统）交联，实现北斗或INS/北斗组合导航，用以修正纯惯性导航状态下的导航积累误差，提高导航精度，同时在综合显示器上显示即时经度、纬度、时间和速度信息，并自动记录、存贮导航期间经度、纬度、速度等导航参数，生成航行轨迹图，存入相应的存贮器，用户可通过监控接口随时调用所需的导航参数。

2  系统应用

2.1  应用现象

某型飞机机载北斗定位系统飞行使用中出现频繁报“BD数据无效”的现象。根据故障现象现场对系统设备的连接插头进行检查，未发现缩针、断针等情况，检查各部件之间的连接可靠;地面通电检测，系统收星正常，卫星信噪比在正常范围内，系统工作正常，地面检查无法准确定位问题。

2.2  机理分析

某型飞机机载北斗定位系统与惯导组合交联，“BD数据无效”是由惯导对机载北斗定位系统的导航数据进行判定后上报给综合显示系统，其上报条件如表1所示。

机载北斗定位系统在进行导航解算时，为保证数据的可用性，自身先对数据进行判定，并在送给惯导的RS-422导航数据的第21字节进行状态提示，定位状态为1则数据可用，定位状态不为1则数据不可用。第21字节不为1的条件如表2所示。

2.3  故障树分析

根据飞行使用现象对机载北斗定位系统进行逐级排查，建立系统故障树如图1所示。

2.3.1  北斗接收天线故障

北斗接收天线用于接收北斗二号卫星导航信号，进行放大后送给卫星导航接收机使用，北斗接收天线性能直接影响卫星信噪比及收星数。针对出现“BD数据无效”飞行数据进行采集，经过分析，飞机在平飞时定位卫星数正常，在机动过程中定位卫星数偶尔会减少，造成PDOP值变大，当PDOP过大时，系统RS-422导航数据中报“PDOP值太大”和“非正常定位”，机上报“BD数据无效”，但参与定位的卫星信噪比正常，因此排除北斗接收天线故障。

2.3.2  高频电缆故障

高频电缆用于传输天线送给北斗接收机的卫星导航信号。假设高频电缆故障，则会导致无法收星或卫星信噪比降低。根据飞行监测及数据分析，飞行全程可以正常接收卫星，卫星信噪比在正常范围内，因此排除高频电缆故障。

2.3.3  抗干扰处理模块故障

抗干扰处理模块位于北斗接收机内部，用于对天线送来的射频信号下变频后进行抗干扰处理，滤除干扰后进行上变频，再将射频信号送至导航模块进行定位解算。根据飞行监测及数据分析，系统只是在机动过程中出现收星减少、PDOP值变大，但参与定位的卫星信噪比正常，且全程正常定位。假设抗干扰处理模块故障，会影响卫星信噪比，则所有飞行姿态都会受到影响，不会只影响机动过程，因此排除抗干扰处理模块故障。

2.3.4  导航模块硬件故障

导航模块用于对接收到的卫星信号进行捕获跟踪及定位解算。根据飞行监测及数据分析，系统只是在机动过程中出现收星减少、PDOP值变大，但参与定位的卫星信噪比正常，且全程正常定位。假设导航模块硬件出现故障，会无法定位或卫星信噪比下降，因此排除导航模块硬件故障。

2.3.5  捕获跟踪模块故障

捕获跟踪模块程序控制FPGA完成每个通道对卫星信号的捕获与跟踪。在试验室使用相同技术状态的北斗接收机及北斗接收天线进行收星测试，测试时使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟机上飞行过程，在软件中插桩进行测试，卫星信号的捕获跟踪正常，未发现异常，因此排除捕获跟踪模块问题。

2.3.6  基带数字信号处理模块故障

接收机在捕获、跟踪接收信号后，基带数字信号处理模块对信号进行位同步和帧同步处理，从信号中获得信号发射时间和导航电文。在试验室使用相同技术状态的北斗接收机及北斗接收天线进行收星测试，测试时使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟飞行过程，并在软件中插桩进行测试，卫星信号位同步和帧同步处理正常，可获得信号发射时间和导航电文，未发现异常。因此排除基带数字信号处理模块故障。

2.3.7  故障检测模块故障

故障检测模块用于检测接收机故障识别与输出。根据飞行采集数据，飞机飞行过程中速度、高度均处于有效范围内，飞机机动时，可用卫星数减少使PDOP值增大，系统RS-422导航数据中报“PDOP值太大”和“非正常定位”，导致机上报“BD数据无效”。因此判定故障检测模块存在问题。

PDOP值反映了卫星的分布情况，当PDOP较大时，表明空中的卫星几何分布不理想，定位精度就可能低。根据目前北斗系统卫星分布情况，将原PDOP阈值进行调整，将通讯协议中RS-422定义报“PDOP过大”的条件进行完善。

在试验室使用卫星信号模拟器设置PDOP值，分别进行上千次静态测试和动态测试，定位精度分别满足重点区域定位精度和非重点区域定位精度的使用要求。对系统进行软件更改后采集飞行数据分析，未再出现PDOP超过阈值的情况，但发现两个问题：其一，飞机机动时偶尔出现不定位;其二，在整点时刻附近偶尔出现不定位，这两个问题也会导致机上报“BD数据无效”。

2.3.8  伪距测量值解算故障

在试验室使用卫星信号模拟器，对北斗接收机及北斗接收天线进行收星测试，测试时使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟飞机机动过程，并对软件进行插桩实时监控，对接收到的卫星伪距解算结果进行观察，与卫星信号模拟器上的伪距值进行对比，接收机解算的伪距与模拟器一致，伪距解算正常。因此排除伪距测量值解算模块故障。

2.3.9  接收机位置解算模块故障

在试验室使用卫星信号模拟器，对北斗接收机及北斗接收天線进行收星测试，测试时使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟飞机机动过程，并对软件进行插桩实时监控，对接收机定位结果进行监测保存，与模拟器设置的位置进行对比分析，接收机解算的定位误差小于5米，在正常范围内。因此排除接收机位置解算模块故障。

2.3.10  接收机速度解算模块故障

在试验室使用相同状态的北斗接收机及北斗接收天线进行收星测试，测试时使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟飞机机动过程，并对软件进行插桩实时监控，在转动过程中偶尔出现个别低仰角卫星测速残差超过门限设置，当测速残差超过门限时，软件判定测速结果不可用，造成不定位，接收机报“非正常定位”。因此判定接收机速度解算模块存在问题。

在试验室使用转台改变北斗接收天线方位和姿态，模拟飞机机动过程。对软件进行插桩实时监控，在转动过程中，由于遮挡或多径，偶尔会出现个别低仰角卫星跟踪状态不稳定、信号质量变差、信噪比不稳定，且多普勒跳动范围明显大于其他正常卫星。速度解算需要使用多普勒积分值，如果该值跳动大，该卫星的多普勒积分值会影响测速，由于软件中测速解算不能剔除信号质量差的卫星，当该卫星参与定位时，会出现测速残差超限，此时软件判断该帧定位数据无效，造成系统不定位，机上报“BD数据无效”。针对此问题，在建立解算观测模型后加入测速残差门限检测，若超过门限，则查找多普勒跳动异常的卫星并将其剔除，然后重新进行速度解算，剔除测速残差超限的异常卫星，使用正常的卫星参与解算，确保速度解算正确，定位精度不受影响。

对系统软件更改完善后采集飞行数据分析，解决了飞机机动时偶尔会出现测速残差超限不定位，以及整点时刻附近偶尔不定位问题，但仍存在偶尔报障的现象。

2.3.11  电文缓存解析故障

导航电文以子帧的形式连续发送，系统对接收到的电文进行存储并解析，得到卫星星历中的时间、卫星运行轨道、电离层延时等信息用于导航解算。在试验室使用相同状态的北斗接收机及北斗接收天线进行收星拷机测试，同时进行软件插桩监测，当收星较多且逐渐增多时，因电文缓存空间存在溢出现象，出现丢弃新收电文的现象，造成电文不完整，无法准确获取卫星的星历信息，导致短时间不定位，机上报“BD数据无效”。因此判定电文缓存解析存在问题。

在不影响其他参数的存储空间的前提下，将电文缓存空间进行调整，即可以保证电文缓存空间足够使用，且留有一定的余量。

2.3.12  串口数据模块故障

串口数据模块用于完成2路RS-422惯导口数据及1路RS-232监控口数据构造，计算校验和，响应收发指令。在试验室与惯导进行联试，发现系统设备送给惯导的RS-422数据未出现不连续、丢帧，校验和错误现象，但出现一次错误数据，导致惯导报“BD数据无效”。因此判定串口数据模块存在问题。出现问題的情况是：解算完成，组RS-422数据→收到一帧抗干扰处理器的数据→存入glUartRecvCmd_DSPUart1并且glUartRecvCmdSetPos_DSPUart1大于20→将mSendBuf中的数据修改，由于组完RS-422后，马上执行RS-422发送数据，在组帧和发送之间被Uart1的接收中断打断，并正好修改了发送buff地址中的数据，所以出现了错误帧。针对此问题重新设置拷贝长度，每次只给数组一行赋值，不会改写其他地址数据。

2.4  故障消除

综上所述机载北斗定位系统频繁报“BD数据无效”是因为PDOP阈值不合理、测速残差超限的卫星未剔除、电文缓存空间不足、拷贝数据长度变量设置错误造成，通过更改完善软件调整PDOP阈值门限、剔除测速残差超限的卫星、增加电文缓存空间、修正拷贝数据长度变量的措施，使系统故障现象消除，系统工作正常。

3  结  论

在排查“BD数据无效”的过程中从机上多次采集数据分析，定位数据为实时接收卫星信号进行解算，且卫星导航信号较弱，易受干扰、遮挡或多径等外部因素影响，虽然数据无效只持续几秒，但无法保证定位数据100%有效。所以在惯导判断逻辑上，对北斗导航数据进行连续判读再报，以减少误报，增强了系统使用的稳定性，经飞行使用验证效果良好。

参考文献：

[1] 王雪.GPS与北斗卫星导航系统异同分析 [J].科技创新导报，2013（9）：136.

[2] 刘元贞.基于北斗卫星系统在现代航标导航系统中的应用 [J].环球市场，2018（27）：358.

[3] 常国松.中国的“北斗”——北斗卫星导航系统 [J].中国海事，2012（9）：15-17.

作者简介：李亚玲（1979.06—），女，汉族，陕西渭南人，飞机设计高级工程师，本科，工学学士，研究方向：航空电子集成。