用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定装置及方法与流程

本发明属于卫星导航着陆系统，涉及GPS、COMPASS系统，特别是一种卫星导航着陆系统的检测标定装置及方法，可用于卫星导航着陆系统地面设备架设前的位置预标定和机场位置参数的标定、卫星导航系统地面设备的一线检测。

背景技术：

卫星导航着陆系统是一种基于卫星导航系统增强技术的飞机进近着陆导航系统。卫星导航着陆系统包括卫星导航系统(空间段)、地面设备(地面段)和机载设备(机载段)。其中：

卫星导航系统(空间段)：是指导航卫星产生测距信号，发送给地面设备和机载设备的系统。

地面设备(地面段)：包括多个基准接收机、一个数据处理器和一套差分增强数据链，根据卫星测距信号和事先已知的基准接收机精确位置计算卫星的伪距差分修正数据和载波相位差分增强数据，通过完好性监测算法获得系统完好性信息，最终将这些信息封装成增强信息报文经差分增强数据链播发给机载设备。

机载设备(机载段)：接收和处理由卫星导航系统和地面设备发射的信号，输出伪距和载波相位差分定位结果和完好性告警信息。

随着卫星导航局域增强技术的不断发展，卫星导航着陆系统也逐渐进入实际应用阶段，而在卫星导航着陆系统应用中目前缺乏有效的快速检测标定手段，在对位置标定时只能采用专用的测绘设备进行测绘标定，成本比较高，周期比较长；而对卫星导航着陆系统地面设备的检测则只能采用飞行校验的方式进行，成本非常高。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种便携式检测标定装置，具备便携、方便使用等特点，能够实现点位参数快速标定和地面设备快速检测，有效降低卫星导航着陆系统参数标定和地面设备检测的周期和成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定装置，包括：

卫星导航接收机单元及天线单元：用于接收卫星导航信号，输出导航数据到检测标定处理单元；

收发电台单元及天线单元：用于接收检测标定处理单元输出的卫星导航着陆系统差分增强信息报文并进行广播，或者接收卫星导航着陆系统差分增强信号、解析并输出差分增强信息到检测标定处理单元；

显示控制单元：用于显示检测标定处理单元输出的状态和数据信息，或者将通过人机交互界面输入的控制信息和模式选择信息输出给检测标定处理单元；

检测标定处理单元：利用卫星导航接收机单元输出的信息进行单点条件下的位置标定；利用地面设备播发的载波相位差分增强信息实现参考点的快速标定能力；部署于已知位置点利用卫星导航接收机单元输出的信息和收发电台输出的差分增强信息实现差分定位计算，对地面设备当前工作状态进行检测。

本发明还提供一种用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定方法，包括以下步骤：

(1)利用显示控制单元进行工作模式选定，工作模式包括单点位置标定、载波相位差分位置标定和地面设备外场检测；

(2)单点位置标定工作模式下：

(2a)卫星导航接收机及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(2b)检测标定处理单元完成载波相位平滑码伪距单点定位计算，并对计算结果进行平滑滤波和误差统计处理，获得待标定点位的位置参数统计值；

(2c)检测标定处理单元将生成的坐标统计值输出到显示控制单元显示，并记录到本地文件中；

(3)载波相位差分位置标定工作模式下：

(3a)卫星导航接收机及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(3b)收发电台及天线单元接收差分增强信号，实时解析得到差分增强信息，输出给检测标定处理单元；

(3c)检测标定处理单元完成双频条件下的载波相位差分定位计算，并对计算结果进行平滑滤波和误差统计处理，获得位置坐标的统计值；

(3d)检测标定处理单元将生成的坐标统计值输出到显示控制单元显示，并记录到本地文件中；

(4)地面设备外场检测工作模式下：

(4a)卫星导航接收机及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(4b)收发电台及天线单元接收地面设备广播的差分增强信号，实时解析得到差分增强信息，输出给检测标定处理单元；

(4c)检测标定处理单元模拟机载设备在每个历元完成伪距差分定位计算、载波相位差分定位计算，记录设定时间内所有历元的定位结果，将定位结果与预先标定的精确值进行对比分析，获取位置坐标的统计误差并与许可误差进行对比，判别地面设备的可用性；

(4d)检测标定处理单元将判别得到的地面设备可用性显示处理，当地面设备判定为不可用时进行告警提示。

本发明的有益效果是：具备快速、灵活的位置标定能力，能够对机场内需要定期标定的位置点进行方便的标定处理，提升卫星导航着陆系统的运行安全性。

具备便捷、灵敏的卫星导航着陆系统地面设备检测能力，能够快速对地面设备的工作状态进行短周期的检验和测试以确定设备工作状态，还可以作为性能监视设备部署于机场固定点位，对地面设备工作状态进行实时性能监视，及时发现故障情况，缩短了故障告警时间，有效地提高对系统服务的精度、完好性、连续性和可用性的监视能力。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明检测标定处理单元的结构框图；

图3为本发明的传输关系图；

图4为本发明的方法流程示意图；

图5为本发明方法中的单点位置标定工作流程示意图；

图6为本发明方法中的载波相位差分位置标定工作流程示意图；

图7为本发明方法中的地面设备外场检测工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定装置，包括：

卫星导航接收机单元及天线单元：用于接收卫星导航信号，输出导航数据到检测标定处理单元；

收发电台单元及天线单元：用于接收检测标定处理单元输出的卫星导航着陆系统差分增强信息报文并进行广播，或者接收卫星导航着陆系统差分增强信号、解析并输出差分增强信息到检测标定处理单元；

显示控制单元：用于显示检测标定处理单元输出的状态和数据信息，或者将通过人机交互界面输入的控制信息和模式选择信息输出给检测标定处理单元；

检测标定处理单元：根据通过显示控制单元设定的工作模式，实现三种检测标定处理能力：1)利用卫星导航接收机单元输出的信息进行单点条件下的位置标定；2)利用地面设备播发的载波相位差分增强信息实现参考点的快速标定能力；3)部署于已知位置点利用卫星导航接收机单元输出的信息和收发电台输出的差分增强信息实现差分定位计算，对地面设备当前工作状态进行检测；

电源组合单元：利用电源处理和蓄电池组构成的电源组合单元，实现外部供电开/关的无缝切换以及无外部供电条件下的续航检测能力。

所述的导航数据包括测距源伪距、星历、历书和卫星钟差。

所述的卫星导航着陆系统差分增强信息包括伪距差分修正数据、载波相位差分修正数据、完好性信息。

所述位置数据包括经度、纬度和高度。

为实现上述目的，本发明提供的用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定的方法，包括以下步骤：

(1)利用显示控制单元进行工作模式选定，工作模式分为三种：1)单点位置标定；2)载波相位差分位置标定；3)地面设备外场检测；

(2)单点位置标定工作模式下：

(2a)卫星导航接收机单元及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(2b)检测标定处理单元完成载波相位平滑码伪距单点定位计算，并对计算结果进行平滑滤波和误差统计处理，获得待标定点位的位置参数统计值；

(2c)检测标定处理单元将生成的坐标统计值输出到显示控制单元显示，并记录到本地文件中；

(3)载波相位差分位置标定工作模式下：

(3a)卫星导航接收机单元及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(3b)收发电台单元及天线单元接收差分增强信号，实时解析得到差分增强信息，输出给检测标定处理单元；

(3c)检测标定处理单元完成双频条件下的载波相位差分定位计算，并对计算结果进行平滑滤波和误差统计处理，获得位置坐标的统计值；

(3d)检测标定处理单元将生成的坐标统计值输出到显示控制单元显示，并记录到本地文件中；

(4)地面设备外场检测工作模式下：

(4a)卫星导航接收机单元及天线单元接收卫星信号，实时测量得到导航数据，输出给检测标定处理单元；

(4b)收发电台单元及天线单元接收地面设备广播的差分增强信号，实时解析得到差分增强信息，输出给检测标定处理单元；

(4c)检测标定处理单元模拟机载设备在每个历元完成伪距差分定位计算、载波相位差分定位计算，记录一段时间内所有历元的定位结果，将定位结果与预先标定的精确值进行对比分析，获取位置坐标的统计误差并与许可误差进行对比，判别地面设备的可用性；

(4d)检测标定处理单元将判别得到的地面设备可用性显示处理，当地面设备判定为不可用时进行告警提示。

本发明的实施例所涉及的卫星导航着陆系统包括卫星导航系统(空间段)、地面设备(地面段)和机载设备(机载段)。卫星导航系统产生测距信号，发送给地面设备和机载设备的系统。地面设备根据卫星测距信号和事先已知的基准接收机精确位置计算卫星的伪距差分修正数据和载波相位差分增强数据，通过完好性监测算法获得系统完好性信息，最终将这些信息封装成增强信息报文经差分增强数据链播发给机载设备。机载设备接收和处理由卫星导航系统和地面设备发射的信号，输出伪距和载波相位差分定位结果和完好性告警信息。

参照图1，本发明用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定装置能够通过卫星导航接收机天线单元接收卫星导航系统信号，通过收发电台天线单元完成卫星导航着陆系统广播信号的接收解析以及差分增强信息的对空广播。本发明装置包括：卫星导航接收天线单元A、卫星导航接收机单元B、电台收发天线单元C、收发电台单元D、显示控制单元E、检测标定处理单元F和电源组合单元G。检测标定处理单元F包括：控制处理模块F1、单点定位标定模块F2、载波相位差分标定模块F3、地面设备外场检测模块F4，如图2所示。

参照图3，本发明整个装置的传输关系如下：

卫星导航接收机单元B通过网络通信连接将接收机原始观测量、导航电文、接收机工况、指令响应回执等信息传输给检测标定处理单元F，支持其完成单点定位标定、载波相位差分标定和地面设备外场检测，即将接收机数据1发送到单点定位标定模块F2，将接收机数据2发送到载波相位差分标定模块F3，将接收机数据3发送到地面设备外场检测模块F4，将接收机数据4发送到控制处理模块F1。此外，检测标定处理单元F能够向卫星导航接收机单元B发送控制指令，由控制处理模块F1将指令数据5发送到卫星导航接收机单元B。

收发电台单元D通过串口通信连接将接收的差分增强信息报文、工况数据、指令响应回执等信息传输给检测标定处理单元F，支持其完成载波相位差分标定和地面设备外场检测，即将收发电台数据6发送到载波相位差分标定模块F3，将收发电台数据7发送到地面设备外场检测模块F4，将收发电台数据8发送到控制处理模块F1。此外，检测标定处理单元F能够向收发电台单元D发送控制指令，由控制处理模块F1将指令数据9发送到收发电台单元D。

显示控制单元E通过总线接口将操作人员通过人机交互界面完成的设置信息传输给检测标定处理单元F，支持其完成检测标定控制，即将显示控制数据10发送到控制处理模块F1。此外，检测标定处理单元F能够向显示控制单元E发送需要显示的数据信息，由控制处理模块F1将显示数据11发送到显示控制单元E。

单点定位标定模块F2接收控制处理模块F1的控制指令数据12，结合卫星导航接收机单元B输出的接收机数据1完成单点定位及位置标定处理，形成位置标定结果数据13，并将位置标定结果数据13通过内部接口传输给控制处理模块F1。

载波相位差分标定模块F3接收控制处理模块F1的控制指令数据14，结合卫星导航接收机单元B输出的接收机数据2以及收发电台单元D输出的差分增强信息报文数据6，完成载波相位差分标定处理，形成位置标定结果数据15，并将位置标定结果数据15通过内部接口传输给控制处理模块F1。

地面设备外场检测模块F4接收控制处理模块F1的控制指令数据17，结合卫星导航接收机单元B输出的接收机数据3以及收发电台单元D输出的差分增强信息报文数据7，完成地面设备外场检测处理，形成差分定位结果和保护级数据16，并将差分定位结果和保护级数据16通过内部接口传输给控制处理模块F1。

控制处理模块F1通过接收显示控制单元E发送的显示控制数据10，完成分解处理后形成控制指令数据12、控制指令数据14和控制指令17，将控制指令数据12输出到单点定位标定模块F2，将控制指令数据14传输到载波相位差分标定模块F3，将控制指令数据17传输到地面设备外场检测模块F4。此外，控制处理模块F1通过接收单点定位标定模块F2输出的位置标定结果数据13、载波相位差分标定模块F3输出的位置标定结果数据15、地面设备外场检测模块F4输出的差分定位结果和保护级数据16，完成数据的分析处理后转换为显示数据11并发送到显示控制单元E进行显示。

参考图4，本发明用于卫星导航着陆系统的便携式检测标定的方法，包括如下步骤：

步骤1，工作准备：卫星导航接收机天线和收发电台天线的安装部署。

根据使用目的，完成卫星导航接收机天线和收发电台天线的安装部署：

1a、用于位置标定时，将卫星导航接收机天线部署于待标定位置点，将收发电台天线部署于设备附近点位；

1b、用于地面设备外场检测时，将卫星导航接收机天线部署于事先标定好的位置点，将收发电台天线部署于设备附近点位。

步骤2，设备加电并进行自检。

根据设备部署位置情况，确定设备供电形式：

2a、无须外部供电时，直接启动设备电源，完成设备各单元的上电自检并运行显控软件；

2b、需要外部供电时，先连接外部电源并观察电源指示灯，指示灯正常情况下启动设备电源，完成设备各单元的上电自检并运行显控软件。

步骤3，工作模式设定。

根据使用目的，在显控软件界面上完成工作模式选择和工作参数设置，将工作模式和参数作为控制指令发送给各组成单元和模块，进入相应处理模块进行处理和显示。

步骤4，单点定位标定处理

单点定位标定处理通过接收卫星导航接收机单元输出的观测数据和导航电文完成单点定位解算及位置标定处理，利用定位结果进行滤波和统计分析处理，形成位置标定结果数据。

如图5所示，本发明方法中的单点定位标定处理过程，包括以下步骤：

4a、单点定位标定模块通过网络通信接口接收卫星导航接收机输出的接收机观测量、导航电文等数据；

4b、利用接收机载波相位观测量对伪距观测量进行载波相位平滑处理，处理方法为滑动窗口(Geometric Moving Averaging，GMA)方法下的平滑方法；

4c、利用载波相位平滑处理后的伪距观测量，采用最小二乘定位计算方法完成单点定位计算；

4d、利用随机量的互差滤波方法，完成单点定位结果的滤波收敛，生成单点定位标定结果数据。

步骤5，载波相位差分标定处理。

载波相位差分标定处理通过接收卫星导航接收机单元输出的观测数据和导航电文以及收发电台单元输出的差分增强信息报文，完成载波相位差分标定处理，形成位置标定结果数据。

如图6所示，本发明方法中的载波相位差分标定处理过程，包括以下步骤：

5a、载波相位差分标定模块通过网络通信接口接收卫星导航接收机输出的接收机观测量、导航电文等数据；

5b、载波相位差分标定模块通过串口接收收发电台单元输出的差分增强信息报文数据；

5c、利用周跳检验算法检验载波相位观测量中是否存在周跳，如果存在则对周跳进行修复处理；

5d、对完成周跳检测与修复后的载波相位观测量和伪距观测量进行Kalman滤波处理；

5e、利用伪距观测量求解载波相位观测量的浮点解数值；

5f、利用LAMBDA算法在载波相位观测量浮点解的基础上完成整周模糊度解算，求解载波相位观测量整周模糊度固定解数值；

5g、利用求解模糊度固定解所得Ratio值与门限作比对判定固定解是否满足标准，如满足标准则进入下一步骤完成位置解算，如不满足标准则退回到步骤5d；

5h、利用载波相位固定解，采用最小二乘定位计算方法完成载波相位差分定位计算，根据所取得的矢量相对位置结合差分增强信息报文中的基准站位置生成定位结果数值；

5i、对载波相位差分标定处理获得的定位结果数值进行统计分析，获得位置标定结果。

步骤6，地面设备外场检测处理。

地面设备外场检测处理通过接收卫星导航接收机单元输出的观测数据和导航电文以及收发电台单元输出的差分增强信息报文，模拟机载设备完成完好性和定位处理，形成差分定位结果和保护级数据，并将结果数据与已知点位位置进行对比分析，对地面设备进行功能性检验。

如图7所示，本发明方法中的地面设备外场检测处理过程，包括以下步骤：

7a、地面设备外场检测模块通过网络通信接口接收卫星导航接收机输出的接收机观测量、导航电文等数据；

7b、地面设备外场检测模块通过串口接收收发电台单元输出的差分增强信息报文数据；

7c、利用接收的数据完成完好性保护级计算与判定分析；

7d、利用接收的数据完成载波相位平滑码伪距差分定位处理、RTK差分定位处理；

7e、对定位及完好性保护级判定分析结果进行统计分析，如统计结果均满足系统设计指标要求，则判定地面设备功能有效。

步骤7，检测标定显示处理。

显示控制单元接收控制处理模块输出的三种工作模式下生成的检测结果数据和标定结果数据，将结果以数据或图表的形式显示在人机交互界面上，对出现异常的情况进行告警显示处理。

上述实施例中，单点定位标定处理过程提高了卫星导航着陆系统地面设备在无外部辅助条件下的快速位置标定能力，缩短了地面设备的开通准备时间；载波相位差分标定处理过程提高了卫星导航着陆系统地面设备在存在已有参考点条件下的快速位置标定能力，有效缩短了地面设备的开通时间；二者结合能够完成机场参考点的快速位置标定，对卫星导航着陆系统的快速展开和服务保障具有非常良好的使用效果。地面设备外场检测处理过程有效弥补了当前卫星导航着陆系统应用中目前缺乏有效的快速检测标定手段的问题，提供一套便携式检测标定装置，提高了卫星导航着陆系统的应用保障能力。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。