航空母舰整个作战链条中，精密着舰是其中最重要的环节之一，也是事故发生率最高的环节。统计数据表明，航母舰载机约80%的事故是在着舰过程中发生的^[1]，因此如何保证着舰过程的可靠性是实现精密着舰的关键技术之一。目前已有的着舰导航方式，从人工目视着舰到仪表半自动着舰，再到现在的全自动着舰，历经信号灯、“菲涅尔”光学助降镜、仪表着舰、着舰引导雷达、卫星引导等多种着舰导航体制，如表1所示。相应着舰体制的装备物理形态如图1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 着舰引导体制发展概况 Tab. 1 Developing of ship-landing schemes 时间 体制 基本特点 1950年前 信号灯+信号旗 靠驾驶员经验，风险大 1950年起 “菲涅尓”光学助降镜 作用距离短（3 n mile）、易受风雨浓雾影响 20世纪80年代末 ACLS：着舰雷达+仪表着舰+塔康+ “菲涅尓”光学助降镜+测速测距雷达 进近阶段需人工辅助、引导架数有限2架、引导距离有限 （10 n mile）、设备安装复杂、引导精度较低m级 2014年（形成作战能力） 精密JPALS（卫星差分）测速测距雷达+ “菲涅尔”光学助降镜 引导范围广（200 n mile）、不受恶劣天气影响、 可引导多架>6架、安装简易、引导精度高dm级

表 1 着舰引导体制发展概况 Tab.1 Developing of ship-landing schemes

图 1 各着舰系统的物理形态 Fig. 1 Physical styles of several landing systems

由表1可知，采用信号灯、菲涅尔光学助降镜、仪表着舰、着舰引导雷达等着舰引导体制，还存在如：进近阶段需人工辅助，同时引导架数较少（仅2架），引导距离有限（10 nmile），设备安装复杂以及引导精度低（仅为米级）等缺点，其根本原因在于以上系统还无法避免大气环境和进场方式对着舰的影响，因而难以满足“全天候”和高可靠性的着舰需求。而卫星导航的日趋成熟，以其全天候、作用范围广以及导航定位精度高等特点，极大提升了着舰的有效性，从而有望满足着舰引导作用范围广，“宽天候/全天候”，可同时引导多架，安装简易，支持多类型的着舰飞行器、引导精度达到分米级等新需求，已成为着舰导航技术的研究热点。

目前，以美国为首的多个国家都在研究利用卫星导航技术支撑全自动着舰。美国受到陆基增强系统辅助民用航空着陆的启发，研发基于海上移动平台的联合精密进近着舰系统（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）并于2015年成功辅助X-47B无人舰载机在“布什”号航母上完成了世界上首次弹射起飞和舰载机着舰性能测试及测试。欧洲多个拥有航母的国家也开展了舰载机着舰导航及其性能测试技术的研究，英国早在2010年就开始研究GPS相对定位技术辅助舰载机着舰性能测试，并由此研制成真正意义上具有自主性能的舰载机着舰系统，并计划在“伊丽莎白女王”号航空母舰上完成海上测试。法国2012年在拉菲特级护卫舰上完成了舰载无人机的舰载机着舰系统的测试及其性能标校，但是该套着舰测试系统不依赖于卫星导航系统，因此仍然受到着舰天气和着舰进场容量的限制，无法将舰载机着舰的作战优势发挥到最大。从美国先进的JPALS系统所采用的着舰技术所披露的技术来看，它并未采用支持民用航空陆基增强系统的伪距差分定位技术，其主要原因在于传统基于伪距差分定位精度难以满足着舰系统的精度需求，而是采用了基于载波相位实时差分定位技术，这使研究基于载波相位差分定位技术的完好性监测成为必然要求。

考虑到海上应用环境的特殊性，载波相位差分观测量主要受3种误差源的影响更为突出：1）差分电离层延迟误差。电离层延迟误差具有的空时效应将导致差分电离层延迟误差的存在^[2]。在某些极端情况下（如电离层闪烁或高动态环境），该部分误差会急剧增大，可对相对定位精度产生灾难性的影响^[3]。2）差分对流层延迟误差。在差分过程中一般都可近似忽略，但是在基站和用户端天线高度相差较大时，将对定位误差产生确定性的影响。3）多径误差。文献[4]的研究表明由于基站与用户端之间多径误差的强非相关性，多径误差成为载波相位差分定位主要误差源之一。

上述多种误差的存在使得载波相位双差观测量中不仅包含零均值高斯误差，而且还有非零均值高斯误差和非高斯误差，从而损害整周模糊度解算对各种误差分布做出的理论假设基础，进而影响载波相位差分定位解算的可靠性。正是基于这种原因，周扬眉^[5]博士的研究指出，整周模糊度的解算及其可靠性检验是载波相位差分定位的核心问题。在精密着舰过程中，一方面，前述各种误差将影响整周模糊度可靠性的检验。文献[6]的研究表明，多参考接收机引入的冗余性不仅有助于充分抑制多径误差以及接收机噪声等误差的影响，并可提供基线长度和模糊度空间约束等辅助条件，从而提高整周模糊度固定解的搜索效率和可靠性。另一方面，在外界导航环境较为恶劣时，所建立系统模型容易发生扰动甚至失真，例如安装在桁端和着舰点的参考接收机构成的相对基线矢量产生形变^[7]，从而影响差分定位的精度和可靠性。由此，进行基线形变量的完好性监测研究显得尤为必要。综上所述，将完好性监测理论应用于载波相位差分定位时，如何补偿非理想完好性风险源并建立完备的完好性风险概率分配技术，检验整周模糊度的可靠性，以及实现基线形变量的完好性监测，对保证精密着舰的可靠性提出更高的挑战。

由于着舰导航大气环境的恶劣性、海浪对母舰三自由度干扰以及母舰和着舰对象之间相对高动态性，载波相位差分定位误差源具有以下特点：一方面，由于多径误差近似服从类正弦分布，使得观测量残差表现出非高斯化的特征^[8]。另一方面，由于母舰和着舰对象的高速运动，差分模式下的电离层延迟误差具有非零均值的特点^[9]。为抑制误差源的多样性和复杂性对定位精度和实时性的干扰，有必要分析各误差源作用的时空特性，研究利用多频观测量的组合，以几何无关（Geometry Free，GF）和电离层无关（Ionosphere Free，IF）滤波方法为基础，构建新型滤波器以提高载波相位差分定位的抗干扰性能。上述各类型误差还将导致双差观测量误差的非理想性，使得整周模糊度可靠性检验理论的误差分布理想假设不再可靠。目前广泛采用sigma膨胀法及其改进型膨胀技术补偿包含非零均值高斯误差和非高斯误差在内的非理想误差^[10]，然而，为满足对各类型非理想误差的覆盖，传统sigma膨胀算法需要采用较大的膨胀系数，可用性水平将随之降低。尤其当非零均值过大或者非高斯化较为严重时，系统将失去可用性，因此必须恰当地选择膨胀方案，使其在误差覆盖和提升可用性水平2个方面的性能达到最优。此外，在提升基于膨胀算法的可用性水平方面，与卫星几何分布相关的几何因子对系统可用性水平具有显著的杠杆作用，因此有必要研究将膨胀方案和卫星几何分布的杠杆作用相结合，使得载波相位差分定位模式下的可用性水平达到最优。

影响精密着舰导航性能的完好性风险源众多，而对应完好性风险源所分配的完好性风险概率直接决定了其可用性水平，因此多完好性风险源的风险概率分配成为系统完好性监测首先要解决的问题。传统平均化分配的方法忽略了不同完好性风险源对定位误差贡献的主次问题，导致系统总体可用性水平低下。提高局部监测效率的方法也将引起系统可用性的“木桶效应”：即通过调整针对某一特定风险源的完好性风险概率以提高其可用性水平，而导致系统其他完好性风险源的可用性水平降低。因此有必要根据系统总体完好性风险要求，以最优可用性水平为目的，建立完备的完好性风险概率分配方案，实现对多完好性风险源的最优统筹监测。

实现高可靠性的精密定位关键之一在于如何依据整周模糊度的解算方法检验整周模糊度可靠性^{[5, 11]}。为此，Teunissen教授提出了可快速解算整周模糊度的LAMBDA算法^[12]，并提出为检验整周模糊度解算的可靠性，需采用假设检验理论通过至少3个检验步骤：1）模糊度浮点解的可用性检测；2）模糊度浮点解和固定解的差异性检验；3）模糊度最优固定解和次优固定解显著性检验^{[5, 12]}。围绕这3个关键问题，虽然国内外相关研究人员已提出较为完备的整周模糊度验证模型与理论^[13–15]，但是各种验证模型仍存在一定缺陷：首先，在进行模糊度固定解最优解和次优解的检验时，比率测试（ratio test）成为普遍采用的方法^[16]，但是比率测试不仅忽略了最优整周模糊度和次优整周模糊度之间的相关性，这使得步骤3中基于理想分布模型进行假设检验的理论假设不再可靠，而且检验过程中的各种检测门限值的选取依赖于经验值，缺乏严格的理论基础。其次，在模糊度最终固定解的可靠性检验中，广泛用于评价可靠性性能的重要指标之一是模糊度解算成功率，然而传统解算成功率的计算模型至少存在两方面的不足：一方面，由于模糊度固定解之间的相关性，使得影响解算成功率的模糊度归整域（pull-in region）呈现出狭长的特点^{[17 – 18]}，在保证足够成功率的情况下，模糊度固定解的确定需要耗费更多的时间，解算实时性难以得到满足；另一方面，只有在解算成功率充分接近1的情况下，对应模糊度解才是可接受的^[19]，但是对于这种接近1的程度无法有效衡量。若可确定包含至少3个相互独立的整周模糊度在内的模糊度子集，那么对应补集就可以由所选择子集包含的元素线性表出，这种冗余性不仅使得精确定量评估解算成功率成为可能，也为将完好性监测技术引入整周模糊度的可靠性检验提供了可行性。与完好性监测技术的结合不仅使得验证模型中检测门限的选取具有严格的理论基础，而且还可根据评价指标体系（如漏检率和误警率等）对整周模糊度解算的可靠性进行严密的检验。虽然英国帝国理工大学的研究人员也已经注意到完好性监测理论在检验整周模糊度可靠性时所具有的优势^[20]，但其研究本质上是以理想误差模型为基础，非理想误差对检验模型的影响还有待于深入的研究，此时引入sigma膨胀算法可有效弥补非理想误差对检测模型的损害。此外，传统的模糊度可靠性检验是在模糊度域展开，而将完好性监测理论应用于整周模糊度可靠性检验时，还可在观测量域和定位域进行多层次检验。

由于航母上所安装的着舰导航系统需辅助着舰对象获取高精度和高可靠性的定位解，可行的解决方案之一为引入多参考接收机。这是由于多参考接收机不仅可抑制非理想误差的影响^[6]，而且还可提供多种辅助条件，例如基线长度和模糊度零空间约束等，以提高整周模糊度可靠性检验的效率。同时，多参考接收机的引入意味着有必要考虑参考接收机故障对系统完好性监测性能的影响，为此可采用多参考一致性检测技术（Multiple Reference Consistency Check，MRCC）监测参考接收机故障^[21]，但是其应用仍面临以下问题：首先，由于整周模糊度的存在，意味着传统MRCC在测距域融合来自各参考接收机的差分修正量实现B值检测无法直接应用，因此有必要研究如何在定位域实现MRCC。其次，虽然基于极大似然准则的B值检测无需先验统计特性，但是Stanford大学GPS实验室的研究发现，电离层延迟异常和卫星星钟漂移都可导致斜坡型故障^[22]，根据申请者的研究，B值无法准确描述斜坡型故障引起的统计检测量的相关性^[23]，因此有必要研究基于新型最优估计准则的MRCC算法。此外，由于母舰并非理想刚体，在海上风浪、外力矩和外力的作用下，将产生一定程度的扰曲变形，而且其形变量峰峰值可以达到约10 cm^[24]，这就意味着不能简单地将母舰桁端上安置的参考接收机和甲板着舰点之间的基线长度视为常量，否则将会导致整周模糊度的解算失败，因此对基线变形量的监测效率也成为限制着舰导航满足所需导航性能要求的关键因素之一^[10]。若将基线形变量等效为对系统定位域观测模型的扰动，利用总体最小二乘理论对扰动模型进行最优估计，就可充分监测基线形变对载波相位差分定位解算可靠性的影响。由于参考接收机故障也将导致基线解发生有偏估计，因此有必要将MRCC与基线形变量的完好性监测结合起来，以保证基线解的可靠性。

纵观目前国内外关于基于卫星导航实现精密着舰的方法，由于没有综合考虑多完好性风险来源、完好性风险源的非理想性、整周模糊度的可靠性检验和基线存在形变量扰动等关键问题，因而不能充分保障精密着舰的可靠性。如何建立完备的完好性风险概率分配技术，利用sigma膨胀技术补偿完好性风险源的非理想性，基于完好性监测理论实现整周模糊度的可靠性检验，基线形变量的监测已成为实现精密着舰亟待解决的关键问题。因此，为满足精密着舰所需导航性能，急需建立完好性风险概率分配以及非理想完好性风险源的补偿方法，整周模糊度的可靠性检验以及基线形变量的完好性监测等技术，这不仅极大的拓展了区域增强系统的应用范围，还必将对精密定位完好性监测理论的研究和发展产生意义深远的影响。