顾及电离层梯度监测的JPALS阵列接收机设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31075

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

顾及电离层梯度监测的JPALS阵列接收机设计

徐鑫¹, 李亮¹(), 李家祥², 蒋家昌¹, 危亦林¹

^1.哈尔滨工程大学智能科学与工程学院，哈尔滨 150001
^2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011

收稿日期:2024-08-19 修回日期:2024-10-31 接受日期:2024-11-18 出版日期:2024-12-06 发布日期:2024-12-05
通讯作者: 李亮 E-mail:liliang@hrbeu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62373117)

JPALS reference receivers topology design for ionospheric gradient monitoring

Xin XU¹, Liang LI¹(), Jiaxiang LI², Jiachang JIANG¹, Yilin WEI¹

^1.College of Intelligent Systems Science and Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
^2.Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China

Received:2024-08-19 Revised:2024-10-31 Accepted:2024-11-18 Online:2024-12-06 Published:2024-12-05
Contact: Liang LI E-mail:liliang@hrbeu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62373117)

摘要/Abstract

摘要：

电离层梯度是北斗卫星导航联合精密进近着舰系统（JPALS）在空间大气层所需监测的主要风险源，利用母舰多重短基线参考接收机的载波相位观测量可有效监测电离层梯度，而参考接收机阵列构型决定了电离层梯度监测的灵敏度。由于母舰复杂姿态变化以及整周模糊度固定错误的双重制约，导致传统平面型参考接收机阵列的监测灵敏度降低。为此，提出一种空间型参考接收机阵列设计方法，通过构建表征电离层梯度监测盲区的代价函数，优化参考接收机阵列构型以缩小监测盲区，从而提升精密进近阶段电离层梯度监测的灵敏度。同时，针对母舰的适装需求，提出约束姿态变化的次优空间型参考接收机阵列，以提高参考接收机布设的灵活性。仿真结果表明，在整周模糊度固定正确条件下，正四面体构型的监测灵敏度可免疫母舰姿态变化的影响。此外，相比于传统平面正方形构型，所设计的次优空间构型的监测盲区最大可减小39.32%。

关键词: 北斗JPALS, 完好性, 电离层梯度, 监测灵敏度, 空间构型

Abstract:

Ionospheric gradient is the major risk source to be monitored at the atmospheric segment for the Joint Precision Approach and Landing System （JPALS） of the BeiDou navigation satellite system （BDS）. The phase observations collected from multiple short-baseline reference receivers installed on the aircraft carrier are always leveraged to monitor the ionospheric gradient. The topologies of reference receivers determine the sensitivity of ionospheric gradient monitoring. The limitations due to the carrier’s moving deck and the incorrect ambiguity fixing， the ionospheric gradient monitoring sensitivity based on the traditional planar topologies is inevitably reduced. In this paper， a design method of spatial reference receivers’topologies is proposed. A cost function representing the dead-zone of ionospheric gradient monitoring is constructed to adjust the topologies of reference receivers and to reduce the monitoring dead-zone， thereby improving the sensitivity of ionospheric gradient monitoring during the precise approach phase. Additionally， a suboptimal spatial topology of reference receivers， considering the constraints of attitude changes， is proposed to meet the installation requirements of the carrier. Simulation results show that the monitoring sensitivity of the proposed regular tetrahedron topology can be immune to attitude changes when the ambiguity is correctly fixed. Furthermore， when compared with the traditional planar square topology， the designed suboptimal spatial topologies can reduce the monitoring dead-zone by 39.32%.

Key words: BDS JPALS, integrity, ionospheric gradient, monitoring sensitivity, spatial topology

中图分类号:

V249.3

徐鑫, 李亮, 李家祥, 蒋家昌, 危亦林. 顾及电离层梯度监测的JPALS阵列接收机设计[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 331075.

Xin XU, Liang LI, Jiaxiang LI, Jiachang JIANG, Yilin WEI. JPALS reference receivers topology design for ionospheric gradient monitoring[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(8): 331075.

图/表 11

图 1

图 2

图 3

图 4

表1

图 5

图 6

图 7

表2

图 8

图 9

参考文献 31

1	RIFE J， KHANAFSEH S， PULLEN S， et al. Navigation， interference suppression， and fault monitoring in the sea-based joint precision approach and landing system［J］. Proceedings of the IEEE， 2008， 96（12）： 1958-1975.
2	LUNGU M H， CHEN M， VÎLCICĂ DINU D A. Backstepping- and sliding mode-based automatic carrier landing system with deck motion estimation and compensation［J］. Aerospace， 2022， 9（11）： 644.
3	于志同，黄彦，胡洛佳，等. 面向极地航运的卫星观测技术发展研究［J］. 船舶， 2023， 34（1）： 12-19.
	YU Z T， HUANG Y， HU L J， et al. Research on the status and development trend of satellite observation technology for polar shipping［J］. Ship & Boat， 2023， 34（1）： 12-19 （in Chinese）.
4	王永庆. 固定翼舰载战斗机关键技术与未来发展［J］. 航空学报， 2021， 42（8）： 525859.
	WANG Y Q. Fixed-wing carrier-based aircraft： key technologies and future development［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（8）： 525859 （in Chinese）.
5	PERVAN B， CHAN F C， GEBRE-EGZIABHER D， et al. Performance analysis of carrier-phase DGPS navigation for shipboard landing of aircraft［J］. Navigation， 2003， 50（3）： 181-191.
6	郭鹍，陆玮，王兴川，等. 极地通信导航及探冰设备现状与发展［J］. 船舶， 2023， 34（1）： 143-153.
	GUO K， LU W， WANG X C， et al. State-of-the-art of polar navigation and ice exploration equipment［J］. Ship & Boat， 2023， 34（1）： 143-153 （in Chinese）.
7	HAN H. Visual navigation method for carrier-based aircraft landing［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2022， 2166（1）： 012005.
8	王官龙，崔晓伟，陆明泉. 北斗三频海基JPALS无故障导航算法［J］. 航空学报， 2017， 38（12）： 321340.
	WANG G L， CUI X W， LU M Q. Triple-frequency sea-based JPALS fault-free navigation algorithm for BDS［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（12）： 321340 （in Chinese）.
9	SOKOLOVA N， MORRISON A， JACOBSEN K S. High latitude ionospheric gradient observation results from a multi-scale network［J］. Sensors， 2023， 23（4）： 2062.
10	WANG Z P， LI T L， LI Q， et al. Impact of anomalous ionospheric gradients on GBAS in the low-latitude region of China［J］. GPS Solutions， 2020， 25（1）： 2.
11	程建华，李家祥，李亮，等. 多参考地基增强系统电离层梯度完好性监测方法［J］. 中国惯性技术学报， 2021， 29（4）： 467-474.
	CHENG J H， LI J X， LI L， et al. Multi reference-based integrity monitoring of ionospheric gradient for ground based augmentation system［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2021， 29（4）： 467-474 （in Chinese）.
12	LI W， JIANG Y P. Risk overbounding for ionospheric gradient monitor using geometry-free double differenced carrier phase measurements［J］. GPS Solutions， 2024， 28（3）： 128.
13	AFFONSO B J， MORAES A， SOUSASANTOS J， et al. Strong ionospheric spatial gradient events induced by signal propagation paths aligned with equatorial plasma bubbles‍［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（4）： 2868-2879.
14	JIANG Y P， SHAO J H. Code-carrier coherence monitoring for dual frequency SBAS［J］. Advances in Space Research， 2024， 74（2）： 727-739.
15	BUDTHO J， SUPNITHI P， SAITO S. Single-frequency time-step ionospheric delay gradient estimation at low-latitude stations［J］. IEEE Access， 2020， 8： 201516-201526.
16	PATEL J， KHANAFSEH S， PERVAN B. Detecting hazardous spatial gradients at satellite acquisition in GBAS［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2020， 56（4）： 3214-3230.
17	SHAHID K， GURFIL P. Carrier phase null space monitor for ionospheric gradient detection［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2014， 50（4）： 3230-3243.
18	WANG Z P， YIN Y， SONG D， et al. Dual smoothing ionospheric gradient monitoring algorithm for dual-frequency BDS GBAS［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2020， 33（12）： 3395-3404.
19	KHANAFSEH S， PULLEN S， WARBURTON J. Carrier phase ionospheric gradient ground monitor for GBAS with experimental validation［J］. Navigation， 2012， 59（1）： 51-60.
20	李家祥，程建华，李亮，等. GBAS对流层异常完好性监测参数研究［J］. 航空学报， 2024， 45（7）： 328817.
	LI J X， CHENG J H， LI L， et al. Troposphere anomaly integrity monitoring parameters for GBAS［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（7）： 328817 （in Chinese）.
21	LI J X， YIN H， CHENG J H， et al. A two-step non-nominal troposphere monitor for GBAS［J］. GPS Solutions， 2023， 27（4）： 176.
22	LI L， LIU X S， JIA C， et al. Integrity monitoring of carrier phase-based ephemeris fault detection［J］. GPS Solutions， 2020， 24（2）： 43.
23	张悦，王志鹏，李强. GBAS基准站布设方案设计与评估方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2018， 44（12）： 2545-2555.
	ZHANG Y， WANG Z P， LI Q. A design and evaluation strategy for GBAS reference station layout scheme［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2018， 44（12）： 2545-2555 （in Chinese）.
24	JING J， KHANAFSEH S， LANGEL S， et al. Optimal antenna topologies for spatial gradient detection in differential GNSS［J］. Radio Science， 2015， 50（7）： 728-743.
25	CHENG J H， LI J X， LI L， et al. Carrier phase-based ionospheric gradient monitor under the mixed Gaussian distribution［J］. Remote Sensing， 2020， 12（23）： 3915.
26	徐峰，周心桃，李德聪，等. 国外典型航母目标特性探析［J］. 舰船科学技术， 2018， 40（17）： 151-157.
	XU F， ZHOU X T， LI D C， et al. Analysis of the target characteristics of foreign typical aircraft carrier［J］. Ship Science and Technology， 2018， 40（17）： 151-157 （in Chinese）.
27	喻思琪，张小红，郭斐，等. 卫星导航进近技术进展［J］. 航空学报， 2019， 40（3）： 022200.
	YU S Q， ZHANG X H， GUO F， et al. Recent advances in precision approach based on GNSS［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（3）： 022200 （in Chinese）.
28	贾春，赵琳，李亮，等. 改正接收机频间偏差的短基线北斗三频紧组合RTK方法［J］. 中国科学：地球科学， 2020， 50（1）： 90-103.
	Jia C， Zhao L， Li L， et al. BDS triple-frequency tightly coupled short-baseline RTK method by calibrating the between-receiver inter-frequency biases［J］. Scientia Sinica Terrae， 2020， 50（1）： 90-103 （in Chinese）.
29	WANG Y Y， ZHANG Y， XU D J， et al. A deformation measurement algorithm based on adaptive variable parameter multiple model for large ships［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2021， 70： 8504310.
30	PETOVELLO M G， O’KEEFE K， LACHAPELLE G， et al. Measuring aircraft carrier flexure in support of autonomous aircraft landings［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2009， 45（2）： 523-535.
31	GIORGI G， HENKEL P. Ionospheric bias detection in carrier phase-only ground-based augmentation systems［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2015， 51（3）： 1853-1866.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

仿真参数	数值
完好性监测误警率P_fa	10^-9
完好性监测漏检率P_md	10^-7
仿真频点	B1C/B3I
电离层梯度监测阈值I_req/（mm·km^-1）	220
载波相位非差标准差σ₀/mm	3^［19］

参考接收机阵列构型	l/m
参考接收机阵列构型	姿态范围10°	姿态范围15°	姿态范围20°	姿态范围25°	姿态范围30°
平面正方形	132.50	138.00	145.50	156.50	171.50
平面“Y”型	187.00	194.31	205.30	220.72	241.80
次优空间型（h=10）	186.94	194.26	205.20	220.56	241.60
次优空间型（h=20）	186.86	194.10	204.90	220.07	240.90
次优空间型（h=30）	186.74	193.80	204.40	219.30	240.00

[1]	赵靖, 宋丹. 无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328943-328943.
[2]	李家祥, 程建华, 李亮, 那志博, 贾春. GBAS对流层异常完好性监测参数研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328817-328817.
[3]	李瑞杰, 李亮, 蒋家昌, 程力, 王柳淇. 基于多星最差故障搜索的RAIM完好性风险估计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 328684-328684.
[4]	张洁, 赵琳, 杨福鑫, 孙治国, 李亮. 面向大众导航应用的精密单点定位完好性监测方法[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 327904-327904.
[5]	喻思琪, 张小红, 郭斐, 李昕, 潘林, 马福建. 卫星导航进近技术进展[J]. 航空学报, 2019, 40(3): 22200-022200.
[6]	徐肖豪, 杨传森, 刘瑞华. GNSS用户端自主完好性监测研究综述[J]. 航空学报, 2013, 34(3): 451-463.
[7]	伍维甲, 吴德伟, 戚君宜. GNSS双频导航信号用户完好性监测机制研究[J]. 航空学报, 2012, 33(12): 2246-2252.
[8]	李亮, 赵琳, 丁继成, 高帅和. 提高LAAS空间信号可用性的完好性监测新膨胀算法[J]. 航空学报, 2011, 32(4): 664-671.
[9]	张军. 空域监视技术的新进展及应用[J]. 航空学报, 2011, 32(1): 1-14.
[10]	张强;张晓林;常啸鸣. 用于卫星导航多星故障识别的新方法[J]. 航空学报, 2008, 29(5): 1239-1244.
[11]	孙国良;孙明菡;陈金平. 时-集综合的接收机自主完好性监测方法研究[J]. 航空学报, 2006, 27(6): 1171-1175.

顾及电离层梯度监测的JPALS阵列接收机设计

JPALS reference receivers topology design for ionospheric gradient monitoring

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 31

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价