海基JPALS系统技术分析

海基JPALS系统技术分析
作者：王晓旺槐会萍原彬
来源：《科技视界》 2013年第11期
王晓旺1 槐会萍2 原彬1
（1.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安710068；2.陕西华达科技股份有限
公司技术部，陕西西安 710065）
【摘要】美国海军为提高其航母着舰引导能力，发展了海基联合精密进近与着陆系统(SB-JPALS)。

本文研究了美军海基JPALS系统运行概念、组成以及性能需求，在此基础上深入
分析了其技术原理，着重探讨了海基JPALS在导航定位技术、抗干扰技术以及故障监视技术等
几个核心技术方面的应用分析，对美军海基JPALS的发展情况做出了总结。

【关键词】JPALS；卫星导航；SRGPS；LDGPS
０引言
JPALS全称为联合精密进近与着陆系统（Joint Precision Approach and Landing Sytem，JPALS），是由美国国防部（Department of Defense，DoD）牵头，联合海军、空军、陆军等共同推进的军用高精度精密进近着陆系统。

该系统通过增强GPS信号以满足美军军用飞机着陆/着舰引导质量要求。

JPALS系统的目标是建设一个精确的、可快速部署的、抗天气和地形影响、
易存活、易维护、具有互操作性的差分GPS着陆系统，支持陆基着陆阶段和舰基全飞行阶段运行，支持CAT I/II/III精密进近。

根据美国空军和海军的不同需求，JPALS发展了陆基（Land-based）和海基（Sea-based）
两个不同的系统：
（1）LDGPS（Local Differential GPS，本地差分GPS）；
（２）SRGPS（Shipboard Relative GPS，舰载相对GPS）。

海基JPALS是由美国海军牵头开展研究的JPALS系统，由于其对海基航母平台的飞机着舰
引导应用需求更为迫切，因此海基JPALS系统的研究进度和计划节点均较陆基JPALS系统更快，预计将于2014年底实现初始运行能力。

1 海基JPALS系统
1.1 海基JPALS系统运行概念
SRGPS（Shipboard Relative GPS，舰载相对GPS）由美海军牵头建设，主要为自动舰载着
陆提供高精确度和完好性的GPS导航，同时支持军舰所需的全部CNS/ATM功能。

SRGPS运行的
完整过程如图1所示。

（１）SRGPS通过单向数据通信实现全天候条件下的航母位置确定，200海里的水平引导精度为5m；
（２）SRGPS通过位置报告增补雷达和敌我识别系统数据实现50海里的航母控制区域覆盖，50海里的水平引导精度为2m；
（３）SRGPS在10海里范围内提供高精度相对定位进近引导，启动进近引导程序；
（４）SRGPS在1海里处将激活基于载波相位差分的相对定位，提供精度达到15cm的精密
导航；
（５）航母周围360度全向10海里范围内的舰载机向航空母舰空中交通管中心提供定位结果以供航母进行进近监视。

1.2 海基JPALS系统性能需求
JPALS系统的性能需求如表1所述，其中海基JPALS系统的性能需求为最高。

与民航CAT
III的性能需求相比，SRGPS在精度方面的要求更高，这体现在导航系统误差和告警门限要求上，而民航CAT III在完好性、连续性和可用性方面的要求更为严格。

2 海基JPALS技术原理分析
2.1 海基JPALS基本原理
海基JPALS系统利用基于GPS军码测量数据的高精度差分相对定位技术实现导航信息生成，系统运行基本原理如图2所示。

２．１．１舰载设备通过多接收机测量信息完成完好性处理（海基JPALS完好性监视方
法JSIM，包括故障监测和误差分析），并计算差分修正量，形成报文信息；
２．１．２通过舰空双向数据链将修正量及完好性参数发送给飞机；
２．１．３机载设备完成完好性判断及故障监测处理，计算相对定位结果，经过补偿运
算等处理后生成导航引导信息。

2.2 海基JPALS关键技术分析
海基JPALS系统建设中关注的三个最重要的技术问题就是导航定位方法、干扰抑制和故障
监视，其中导航定位方法致力于解决相对定位精度和保护级完好性的问题，是系统应用基础。

故障监视技术则考虑导航定位方法和干扰抑制仍不能解决的卫星导航系统以及着舰应用中面临
的故障或异常情况，通过建立专门的监视器来完成状态监视和告警，是保障系统安全和可靠运
行的必要条件。

干扰抑制致力于解决系统应用中遇到的复杂干扰条件所带来的问题，是提升系
统应用环境适应性和应用安全性的重要手段。

２．２．１导航定位技术
（１）技术原理：定位精度和保护级完好性层面的技术，采用了基于GPS双频军码测量的
伪距差分相对定位、载波相位差分相对定位技术以及保护级完好性处理技术；
（２）应用方法：在飞机进入航母控制区域即开始进行舰面端和机载端测量的载波相位观
测量的持续监视，并结合两端的测量数据进行宽巷组合观测量整周模糊度的解算和持续跟踪，
在这一时间段内利用伪距差分相对定位进行定位计算；在飞机进入到最终进近过程（如1海里）处时，系统转入利用载波相位差分进行相对定位计算；在这一过程中，可能需要对载波相位整
周模糊度进行长达十几分钟的跟踪、分析和评估，以确保最终使用过程中的载波相位观测量稳定、可靠、误差小。

２．２．２自适应调零与波束技术
抗干扰层面的技术，采用了结合多波束扫描技术和自适应调零技术两种抗干扰天线技术实
现干扰抑制。

２．２．３故障的缓解和监视
故障完好性层面的技术，针对海基应用特殊性，在陆基故障完好性监视的基础上增加了频
间偏差监视、干扰信号监视、天线基线监视以及电离层梯度监视等故障监视模式，实时对观测
数据进行监视处理，以检测系统故障情况并在相关故障可能导致运行风险的时候提出告警。

3 海基JPALS系统应用技术分析
3.1 导航定位技术
SB-JPALS 采用宽巷RTK 算法，这与LB-JPALS 和LAAS 原理有较大差别，这是由于SB-JPALS较高的性能需求决定的（99.7%的可用性，1.1 米的VAL，以及支持自动着陆），而分米
级的定位精度和DFS平滑算法已不能满足需求，因而，SB-JPALS 采用实时动态载波相位差分定位原理，以达到厘米级的定位精度，核心是整周模糊度在航解算，主要使用双频P 码伪距的方法，处理过程较为复杂。

在航母中心参考站对载波相位宽巷组合观测值进行预平滑处理，若在舰载飞机端的宽巷组
合观测值超出了航母中心站发出的参考值，也要进行预平滑处理。

这种预处理与LB-JPALS 的DFS 算法有些类似，但又有所区别，SB 的预平滑处理针对的是宽巷组合观测值实数域平滑（WLFS）。

通过对宽巷组合观测值的WLFS，再对其进行星间和站间作双差处理得到与几何无关的宽巷
组合观测值双差模型，然后再估计载波相位宽巷组合观测值的整周模糊度的实数解。

航母中心
站通过数据通信链路实时播发每颗卫星的宽巷组合观测值，L1/L2 原始观测量，以及估计的误
差范围。

当舰载机飞入SB-JPALS 的发播半径内，舰载机接收中心站发播的电文并结合机载设
备接收的观测值，可计算舰载机差分改正后的宽巷组合观测值和宽巷组合观测值的整周模糊度，通过这些修正的观测量和整周模糊度即可计算出舰载机实时的位置坐标。

若舰载机距离航母平
台较近时，可认为航母中心参考站和舰载机之间的电离层和对流层误差对解算宽巷组合观测值
的整周模糊度以及L1/L2 载波相位整周模糊度的影响不大。

由于宽巷组合相位观测值的波长为86 厘米，而且目前P 码伪距观测噪声为亚米级，因而
只要用少数几个历元甚至一个历元即可有效确定宽巷整周模糊度。

一旦宽巷整周模糊度确定，
即可使用宽巷相位观测值转换的较高精度的宽巷测相伪距计算用户坐标，由于宽巷相位观测值
的噪声为1.2 厘米，因而还可以使用此结果进一步解算L1 和L2 的模糊度，进行最终的高精
度定位。

如果只有C 码观测值而没有高精度的P 码观测值，宽巷模糊度的解算仍存在问题，倘若宽巷模糊度不能确定，即不能进一步解算L1 和L2 的模糊度。

双频P 码伪距法求解宽巷模
糊度的优点是只利用原始观测值，卫星间相关性不大，计算较为简单，但一定要高精度的P 码
伪距观测值，这对于普通民用接收机是不适用的。

3.2 抗干扰技术
美国在提高卫星导航抗干扰性能的技术主要采用：GPS与INS组合技术和自适应调零天线
技术，抗干扰滤波器技术，直接Y码捕获技术、新时间源（如小功率原子钟）、波束形成天线
技术、提高军用信号功率、使用新的伪码结构，伪卫星技术以及数字波束控制天线技术等。

美军目前使用的GPS接收机分为三类：一类是采用了选择可用性反欺骗模块（SAASM）的新型接收机，这类接收机由于采用先进技术可直接捕获P码而不需要C／A码辅助；第二类接收机虽然没有采用SAASM模块，但采用了抗干成技术，这类接收机在干扰环境中也能继续工作；第
三类是普通的军用Y码接收机。

JPALS系统中的干扰抑制研究集中在天线抗干扰装备中，主要针对FRPA和CRPA天线进行
了分析。

尽管与集成多径限制天线（IMLA）相比，FRPA更简单且能提供更好的抗干扰保护，但
其带来的精度下降较为严重，事实上，使用FRPA恨可能导致精度无法满足要求，CRPA技术比FRPA技术具备更客观的好处。

一个CRPA天线可以使用自适应调零、波束扫描或者两者均使用。

使用调零技术，可以在接收机中通过使用算法将指向干扰源方向上的总能力最小化。

尽管干扰信号大大降低了，多径抑
制效果和总的性能也变差了。

波束扫描方法在多径抑制效果上要好些，但抗干扰性能有所降低。

在使用双频的时候联合使用波束和调零方法能够给出满意的结果。

多径抑制产生的精度曲线大
体上与LAAS GAD C曲线相当。

CRPA的一个显著的下降是，尽管多径被抑制了，但是其量级和相位并不知道。

天线方向图
不断在变化以使波束对准卫星并在干扰方向调零。

由于多径通常与仰角相关，进入接收机的多
径的总量随时间而变化。

由于动态载波相位相对定位计算依赖于相位（比预期存在更多的噪声），CRPAs的这种用法降低了算法的精度。

使用具备波束和调零两种方法的CRPAs天线很明
显是最佳解决方法。

基于上述分析，美军在海基JPALS中使用了具备波束和调零两种方法的CRPAs天线来解决
干扰抑制和多径抑制问题。

3.3 故障监视技术
3.3.1 故障模式
与LAAS和陆基JPALS相比，海基JPALS还需要考虑诸如频间偏差等多种故障模式，描述如下：
（１）电离层闪烁：闪烁事件会造成电离层折射情况发生异常，降低信噪比，有时候会导
致快速重组，造成电离层延迟急剧减小。

（２）异常的信号畸变：码信号波形畸变会由于接收机各自的特性而产生不一致性。

（３）互相关：不同卫星的信号码之间的互相关会在码跟踪的过程中导致相关峰信号畸变。

（４）供电中断：由于数据传输设备供电中断会导致导航服务中断。

（５）数据传输欺骗：传输差分修正数据的数据传输链路可能会被攻击并施加欺骗干扰。

（６）钟加速度：发生钟加速度的时候，卫星钟漂速度加大，该卫星时钟与其他卫星时钟
偏差迅速增加。

（７）码载偏离度：码载偏离是钟加速度的一种表现形式，不同历元的码和载波测量数据
间的偏差迅速增加。

（８）频间偏差：对频间偏差进行实时监视评估，保护设备能够及时发现较大或变化的频
间偏差。

（９）对流层风暴：对流层风暴通常在雷雨天气下出现，引入较大的测量误差变化。

（１０）电离层风暴：太阳活动造成电离层电子风暴，在严重的电离层异常条件下，码和
载波之间、不同频率之间会引入非线性的关系。

（１１）天线运动：由于天线支撑结构形变会在天线相对于着舰点位置中引入误差。

（１２）接收机故障：某一个特定接收机天线、低噪放或其它模块出现故障会导致接收机
测量误差增大。

（１３）剧烈的多径：在出现严重多径情况下，反射的信号会造成直达信号相关峰畸变并
引入偏差。

（１４）硬件老化：接收机损坏或者老化可能导致严重的随机误差。

（１５）错误的星历数据：运控系统注入的卫星星历可能存在错误，未声明的卫星机动也
可能会导致卫星星历不能真实表达轨道位置。

（１６）低卫星信号功率：过低的信号功率会造成接收机失锁或者无法跟踪卫星。

3.3.2 应对策略
1）通过结构设计解决故障模式
海基JPALS通过利用硬件设备和技术可以缓解几种故障模式的威胁，包括电离层闪烁、异
常的信号畸变、互相关、供电中断以及数据传输欺骗等。

在海基JPALS中使用直接的军码直捕测量可以缓解闪烁、异常信号畸变、互相关三种威胁。

通过直接跟踪、捕获、测量军码，与使用民码测量相比，军码测量具备更高的码速率、更长的
码序列和更好的信噪比。

供电中断以及数据传输欺骗等故障模式是由海基JPALS自身设计引入的，可通过供电电路
的冗余组合、数据链信息加密和校验等手段缓解。

2）通过算法中的偏差消除缓解故障
海基JPALS算法通过设计消除了除了天线校准误差之外的几乎全部的无故障假设下的观测
量偏差，同时这些算法还消除了多种感应误差，包括：
钟加速度偏差：在飞机和载舰观测量共用了相同的时间标签时，载波相位双差观测量也可
以消除特定卫星的钟偏；
广义散度：广义散度包含了码载偏离度和频间偏离度，由于偏离时间发生在卫星上，这些
观测量偏离同样可以通过基准接收机和机载接收机双差消除。

3）通过故障监视器缓解故障
通过结构设计或者算法设计均无法缓解的故障，必须建立故障监视器进行监视和缓解。

3.3.3 故障监视器设计
1）电离层梯度监视：利用单频码-载偏离度变化率来检测电离层时间变化情况，据此来推
算电离层空间梯度的到达时间；利用接收机自主完好性监测（RAIM）来进行直接的梯度检测。

2）多接收机一致性检验：通过检测多个接收机同一时刻的观测数据来识别某一个测量数据中出现的故障，避免将其引入计算以带来大的误差，舰面设备需要利用B值来标识无效的观测
数据，通过对比所有基准接收机测量的所有可见卫星的观测数据，排除存在问题的观测数据或测距源。

3）天线基线监视器：持续监视天线点位与着舰点之间的变化，这些变化可以通过位置域监视方法进行检验。

4）σ-υ监视：通过σ-υ监视器对B值进行大量样本的统计分析，检测慢变故障积分变化情况，在故障积累影响到完好性的时候能够检测并给出标识。

5）星历异常监视：星历异常监视的方法有新旧星历检测、星历历书检测以及使用RAIM检测方法等。

6）干扰信号监视器：通过直接设计基于码和载波测量数据的监视器，能够提供直接识别测量数据误差标准差的方法，且能够分析干扰对相对定位精度的影响，可以通过调整保护级来确保干扰条件下的完好性。

7）综合监视器设计：综合监视器通过对各独立故障监视器的检测结果进行综合分析，将检测到的一个故障从系统中排除掉，同时可以在该故障条件解决之后再次将其引入系统，最后确定能够用于相对定位的观测数据的集合。

4 结论
本文首先研究了美军海基JPALS系统运行概念、组成以及性能需求，在此基础上深入分析了其技术原理，并从海基JPALS关键技术入手，着重探讨了海基JPALS在导航定位技术、抗干扰技术以及故障监视技术等几个核心技术方面的应用分析。

通过本文的研究和分析可知，在美军海基JPALS系统中，为确保系统所能提供的引导信息的全面质量（包括精度、完好性、连续性、可用性）和使用安全性，系统在应用高精度的载波相位差分相对定位的基础上，还建立了保护级完好性监视处理和故障完好性监视处理算法，并通过抗干扰天线及电子设备保障复杂干扰环境条件下的系统性能。

由此可知，基于卫星导航的着陆/着舰技术不应单纯以精度为目标，应该以精度为基础，完好性为必要条件，充分考虑干扰等应用环境和应用条件，才能为用户提供完整的着陆/着舰能力。

【参考文献】
［１］Jason Rife, Samer Khanafseh, Sam Pullen.Navigation, Interference Suppression, and Fault Monitoring in the Sea-Based Joint Precision Approach and Landing System[J].Proceedings of the IEEE ,Vol.96, No.12, December 2008．
［２］Navy Landing System Overview[Z].OPNAV N8853,CDR Brett “Bucket” Easler．
［３］Shipboard Relative GPS (SRGPS) Concept of Operations (CONOPS)[Z].Ian Gallimore, Raythe, ION GPS 2000, 19-22 September 2000．
［４］ Bruce R. Peterson, Greg Johnson.Feasible Architectures for Joint Precision Approach and Landing System (JPALS) for Land and Sea[C]// ION GNSS 17th International Technical Meeting of the Satellite Division.21-24 Sept.2004,
［责任编辑：王静］。