基于航空數(shù)據(jù)鏈的陸基定位技術(shù)研究

李淑黨李琰謝洪森

1.中國人民解放軍91917部隊,北京 1024012.海軍航空工程學(xué)院青島分院，青島 266041

基于航空數(shù)據(jù)鏈的陸基定位技術(shù)研究

李淑黨1李琰1謝洪森2

1.中國人民解放軍91917部隊,北京 1024012.海軍航空工程學(xué)院青島分院，青島 266041

現(xiàn)役軍用飛機導(dǎo)航定位是關(guān)系到飛機生存能力和作戰(zhàn)效能發(fā)揮，我軍自主研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采取有源方式實現(xiàn)定位，難以滿足高速運動飛機的戰(zhàn)術(shù)要求，而我軍研發(fā)的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)本身并不具備定位功能，其作戰(zhàn)效能未能充分發(fā)揮。本文在研究傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位技術(shù)以及航空數(shù)據(jù)鏈相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了四種基于現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈的空中武器平臺定位系統(tǒng)的新技術(shù)體制，具有一定參考價值和借鑒作用。

航空數(shù)據(jù)鏈;無源定位;TDOA;布站形式;GDOP

引言

現(xiàn)役軍用飛機的自定位是關(guān)系到戰(zhàn)機的生存能力和作戰(zhàn)效能發(fā)揮，是軍事斗爭中迫切需要解決的問題。目前，世界上主要采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有GPS和GLONASS，它們是由美俄軍方控制，戰(zhàn)時可以關(guān)閉或施加干擾，而我國研制了了北斗一號雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用以解決我軍自主衛(wèi)星導(dǎo)航體系問題，但由于系統(tǒng)采取有源方式實現(xiàn)定位，戰(zhàn)時飛機定位申請信號的發(fā)射易于暴露自身的位置，且系統(tǒng)定位也難以滿足高速運動飛機的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。

數(shù)據(jù)鏈作為信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的紐帶，已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位領(lǐng)域。近年來，我軍研制的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)已取得了重大進展，對提高我軍信息化作戰(zhàn)整體實力發(fā)揮很好作用。由于我軍的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)本身并不具備定位功能，其作戰(zhàn)效能未能充分發(fā)揮，因此，提出航空數(shù)據(jù)鏈定位的新技術(shù)體制具有非常重要的意義。

1 航空數(shù)據(jù)鏈定位相關(guān)技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈實質(zhì)是鏈接數(shù)字化戰(zhàn)場上的指揮中心、作戰(zhàn)部隊、武器平臺的一種信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)，是實現(xiàn)指揮和控制功能的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。它主要采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議，實現(xiàn)機載、陸基、艦載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交換，由傳輸與終端設(shè)備、通信規(guī)程和協(xié)議等組成。

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)克服了航空話音通信系統(tǒng)傳輸速度慢、占用信道時間長、可靠性差等缺點，具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點，獲得了廣泛的應(yīng)用。航空數(shù)據(jù)鏈的基本作用是利用數(shù)據(jù)通信手段保證飛機之間、飛機與地面指揮員或管制員之間快速交換情報資料，共享各飛機掌握的所有情報，實時監(jiān)視空中飛機態(tài)勢，增強飛行員、地面指揮員、管制員的態(tài)勢認(rèn)知能力，提高飛機飛行安全和飛行作戰(zhàn)時相互協(xié)同能力、作戰(zhàn)能力和生存能力，保證訓(xùn)練飛行、民用飛行時的安全。

航空數(shù)據(jù)鏈中涉及定位相關(guān)技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡(luò)同步、工作模式、組網(wǎng)方式、調(diào)制方式、布站形式、碼速率等。

1.1 網(wǎng)絡(luò)時間同步

運載體定位是基于信號到達時間或到達時間差的測量值，沒有精確的時間同步，系統(tǒng)所測得的信號到達時間及到達時間差就無法作為計算目標(biāo)位置的依據(jù)，故高精度時間頻率同步系統(tǒng)是時間測量的根本前提。

1.2 組網(wǎng)方式

多網(wǎng)信息傳輸或大信息量傳輸時，需要完成多批次、多任務(wù)、海量信息的高速實時傳輸。當(dāng)利用多部電臺組成多個網(wǎng)絡(luò)時，可以在多個信道上并發(fā)的方式進行信息傳輸，使航空數(shù)據(jù)鏈的有效工作范圍覆蓋整個戰(zhàn)區(qū)。根據(jù)地空數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)的工作模式以及數(shù)傳端機的工作調(diào)制方式，地面網(wǎng)絡(luò)采用FDM-TDM的工作方式，充分合理利用頻率資源。

1.3 布站形式

通信臺站或定位基站布局的幾何形狀不僅要最大限度的滿足基站與作戰(zhàn)空域內(nèi)航空武器良好的可視性，保證無縫鏈接，其布站的幾何結(jié)構(gòu)也是影響定位精度的關(guān)鍵因素之一。

2 航空數(shù)據(jù)鏈定位技術(shù)體制分析

根據(jù)我軍航空數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)特點，從戰(zhàn)術(shù)上考慮可采用基于TOA的無源定位、基于TDOA的有源定位、基于TDOA的無源定位、地空雙基定位四種不同的體制。

2.1 基于TOA的無源定位

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)地面部分的終端（基站）相當(dāng)于GPS全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，每個獨立的定位系統(tǒng)地面部分由四個基站組成，其中一臺為主控站，其余為輔站，如圖1所示。

主控站，為整個定位系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，保證地面各基站的時間同步。主站協(xié)調(diào)地面各基站以固定周期向飛機發(fā)送定位測量信息。

輔站，在地面主站的協(xié)調(diào)下，保持與主站的時間同步，并以固定周期向空中發(fā)送定位測量信息，信息內(nèi)容包括基站端機號、定位測量信息發(fā)送時間等。

機載終端接收機，同時接收地面各基站發(fā)送的定位測量信息，在定位信息處理單元獲取定位信號，由地面基站到機載平臺接收機的傳播時延TOA，估計各地面基站與空中平臺之間的偽距（因時鐘同步誤差，所測距離并非真實距離）融合基站三維坐標(biāo)，解算機載終端的集團坐標(biāo)。

圖1 基于TOA的無源定位示意圖

圖2 基于TDOA的有源定位系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.1.2 定位原理

系統(tǒng)定位是以地面基站和機載接收機之間的距離觀測值為基準(zhǔn)，每個地面基站與被定位飛機之間的測距可確定一個定位球面，四個基站確定的定位球面便可相交于唯一的載機位置，并根據(jù)已知的地面臺站坐標(biāo)，來解算機載接收機所對應(yīng)的位置坐標(biāo)。

為確定機載接收機的位置，只需3個獨立距離觀測值即可。但考慮到地面臺站與機載接收機時鐘難以保持嚴(yán)格同步，所以，可將其作為一個未知參數(shù)在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，單個獨立定位系統(tǒng)地面部分設(shè)立4個以上地面基站。

如果地面部分以多基站位置，機載接收機可同時接收多于4個基站的信號，則可列出誤差方程，按最小二乘原理求解位置的三維坐標(biāo)，將會得到更準(zhǔn)確的解。

2.1.3 系統(tǒng)技術(shù)特點

基于TOA的無源定位，采用頻分多址方式，各地面基站工作在不同的頻率上。機載接收機根據(jù)信號的頻率來區(qū)分來自各個基站的定位信號。在實現(xiàn)定位的整個過程中，空中飛機無需發(fā)射信號，保證了飛機的電磁隱蔽性。

與GPS全球定位系統(tǒng)相似，地面基站只負責(zé)向作用區(qū)域發(fā)射定位測量信號，定位信號的接收、信號傳播時延TOA的提取、偽距測量、定位解算等過程完全由機載接收機來完成。故該定位系統(tǒng)的容量不受限制。

系統(tǒng)工作原理較簡單，一些技術(shù)問題可能參照GPS全球定位系統(tǒng)予以解決，且定位精度較高。系統(tǒng)基于航空數(shù)據(jù)鏈，地面基站平臺無需作較多改動。定位測量信號的接收機和定位信息處理單元基于機載終端，需對現(xiàn)役機載數(shù)傳端機做較大改動。系統(tǒng)定位依據(jù)是定位測量信號由地面基站到機載接收機的傳播時延TOA。TOA定位法精度較高，但對時間同步有較高要求，這包括地面各基站之間以及地面基站與機載接收機之間的時間同步。

基于TOA的定位算法采用遞歸算法，具有無明確的表達式解、需要一個與實際位置接近的初始估計位置、不能事先判斷是否收斂以及計算量大等缺點。

2.2 基于TDOA的有源定位

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于TDOA的有源定位系統(tǒng)構(gòu)成與基于TOA的無源定位系統(tǒng)構(gòu)成相似，如圖2所示。每個獨立的定位系統(tǒng)的地面部分初步設(shè)計由四個基站組成。其中一臺為主控站，三臺為輔助基站。

主控站，為整個定位系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，各地面基站均應(yīng)與主控站的精確時鐘同步，主控站接收來自飛機的定位請求信號，并且協(xié)調(diào)各基站的時鐘同步，做好接收機載定位測量信號的準(zhǔn)備，并向機載終端發(fā)送機載定位許可信號。另外，主控站含有各輔站所不具備的定位信息處理單元。在定位信息處理單元內(nèi)，完成機載終端發(fā)送的信號至各地面基站的到達時間差即TDOA的估計，并依據(jù)TDOA，融合各地面基站精確已知的三維坐標(biāo)，按照設(shè)計的算法解算出機載終端的坐標(biāo)。在定位信息處理單元還要完成定位結(jié)果坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

各地面基站通過自備的高精度時鐘源，提供精密的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)與主站的時間同步。各地面基站接收來自機載終端的定位測量信號，加入各自基站本地時間、地面端機號等信息，將信號變頻調(diào)制后發(fā)送至主站的定位信息處理單元。

2.2.2 定位原理

基于TDOA有源定位原理是目標(biāo)信號到達各地面接收站的埋單差，即TDOA，稱為時差定位或雙曲線定位，如圖3所示。它通過處理三個或三個以上測量站采集的信號到達差來對輻射源定位。在二維平面中，輻射源信號到達兩個測量站的時間差確定了一對以兩站為焦點的雙曲線。如果利用三站可形成兩對雙曲線來產(chǎn)生交點，再利用測向信息排除虛假點，就能把輻射源的位置確定下來。

在三維空間中，輻射源信號到達兩測量站的時間差規(guī)定了一對以兩站為焦點的雙曲面，若要確定三維空間的任一輻射源，則至少需要四個站形成三個單邊雙曲面來產(chǎn)生交點，以確定輻射源的位置。機載終端發(fā)射的信號到達地面四個基站，形成三個TDOA，即三個雙曲面，它們的共同點即為飛機的位置。實現(xiàn)過程中，根據(jù)TDOA對飛機三維坐標(biāo)解算時可能會出現(xiàn)無解或定位模糊問題，實際應(yīng)用中常利用測向信息來排除定位模糊，以確定輻射源的位置。

該系統(tǒng)中，機載終端發(fā)射的信號到達地面四個基站，各輔站再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給主站，在主站的定位信息處理單元完成三個TDOA的估計，可形成三個雙曲面，得到三個雙曲面共同的交點，再利用某個基站對于機載終端的測向信息，消除可能存在的定位模糊，從而確定機載終端的準(zhǔn)確位置。

2.2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點

系統(tǒng)定位機理是機載終端發(fā)射的定位測量信號到達地面各基站的時間差，這種定位體制不需要機載終端和地面基站的時間同步，只需地面各基站之間實現(xiàn)精確的時間同步即可，這大大減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。

系統(tǒng)只有在機載終端發(fā)出定位請求時，地面基站才進入定位工作狀態(tài)，并且整個定位過程地面基站不需向機載終端發(fā)送信息，沒有占用數(shù)據(jù)鏈的通信資源。但由于系統(tǒng)為有源工作方式，即空中平臺必須先向地面發(fā)射電磁信號，地面基站才能提取信號的時延差，進而進行定位解算，這在戰(zhàn)時是非常避諱的。同時在求解非線性時差定位方程組時，可能出現(xiàn)定位模糊問題，需要冗余信息（如方位角信息）去模糊。

此外，該系統(tǒng)還具有有源定位的一個共同的缺點即容量受限問題。機載終端發(fā)出定位測量信息后，信息的接收、時間到達差TDOA的提取、定位解算均要在地面基站系統(tǒng)完成，由于組網(wǎng)方式、通信資源的限制，地面基站系統(tǒng)能夠同時處理的定位請求的容量是非常有限的，且不能滿足高速運動的飛機實時定位的需求。

圖3 TDOA平面定位原理示意圖

圖4 基于TDOA的無源定位系統(tǒng)構(gòu)成示

2.3 基于TDOA的無源定位

2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于TDOA無源定位系統(tǒng)的構(gòu)成與前兩種定位方案構(gòu)成相似。每個獨立的定位系統(tǒng)的地面部分初步設(shè)計由四個基站組成，如圖4所示。該系統(tǒng)定位依據(jù)是地面各基站定位測量信號到達機載接收機終端的時延差，由地面基站發(fā)送定位信號，機載終端處理定位信號并計算載機自身坐標(biāo)。

主控站，為整個定位系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，保證地面各基站的時鐘同步。主站協(xié)調(diào)地面各基站以固定周期向飛機同步發(fā)送定位測量信息。

輔站，在地面主站的協(xié)調(diào)下，保持與主站的時間同步，并以固定周期向空中發(fā)送定位測量信息，信息內(nèi)容包括基站端機號、定位測量信息發(fā)送時間等。

機載接收機同時接收地面各基站發(fā)送的定位測量信息，在定位信息處理單元獲取定位信號由地面各基站到機載平臺接收機的傳播時延差TDOA，估計各地面基站與空中平臺之間的距離差；融合基站三維坐標(biāo)，解算機載終端的位置坐標(biāo)。

2.3.2 系統(tǒng)定位原理

該系統(tǒng)的定位原理與基于TDOA有源定位相同，都是定位信號在地面各基站和機載平臺接收機之間的傳播時延差TDOA，即各地面基站與空中平臺之間的距離差，故定位原理相同，均采用雙曲面定位。

2.3.3 系統(tǒng)技術(shù)特點

基于TDOA的無源定位兼具時延差定位和無源定位的優(yōu)點。時延差定位無需地面基站與機載終端的精確時間同步，在保證系統(tǒng)定位精度的同時，減小了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度；無源定位體制在整個定位過程中，空中飛機無需發(fā)射信號，保證了機載終端的電磁隱蔽性，而且，該定位系統(tǒng)的定位容量不受限制。

定位測量信號的多通道接收機和定位信息處理單元是基于機載終端的，需對現(xiàn)役機載終端部分做較大改動。該系統(tǒng)基于時延差TDOA，定位可能出現(xiàn)模糊問題，需要冗余信息（如方位角信息）去模糊。

2.4 地空雙基定位

地空雙基定位將地面觀測站和空中平臺相結(jié)合來對空中遠距目標(biāo)進行定位和跟蹤，一定程度上可以擴大定位系統(tǒng)的有效工作范圍。可在相鄰定位小區(qū)無法正常工作的情況下，作為應(yīng)急方案，為超出本小區(qū)有效工作空域一定距離的空中目標(biāo)實施定位。

通過雙基定位，對于本小區(qū)有效工作范圍內(nèi)的空中目標(biāo)，可直接利用地面基站進行一次TDOA定位；而超出有效工作空域一定距離的空中目標(biāo)，首先對空中平臺定位，再以兩個空中平臺和兩個地面基站為觀測站，對空中目標(biāo)實施定位。

圖5 地面觀測站對空中平臺的定位

2.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

在基于地面基站和空中平臺的雙基定位方案中，該系統(tǒng)初步設(shè)計包含以下主要功能平臺：四個地面基站，兩個載機觀測平臺。系統(tǒng)對空中遠距目標(biāo)的定位的實現(xiàn)概括來講可分為以下兩個步驟：

圖6 地空平臺結(jié)合對空中目標(biāo)的定位

（1）一次定位

四個地面觀測站的三維坐標(biāo)精確已知，利用到達時間差法對空中平臺進行定位和跟蹤，可提供空中平臺的航跡參數(shù)、空中平臺的位置，實現(xiàn)對空中平臺的定位。訓(xùn)練時，可通過空中平臺機載或其它高空基準(zhǔn)站的GPS差分基準(zhǔn)站接收機的自身定位，對地面基站的定位結(jié)果進行位置差分，修正空中平臺或高空基準(zhǔn)站利用地面基站的定位結(jié)果，從而校正地面觀測站對機載平臺的定位結(jié)果，消除地面觀測站對空中平臺的系統(tǒng)固有定位誤差，減少到下一個步驟定位的積累誤差。地面觀測站對空中平臺的定位示意如圖5所示。

（2）二次定位

兩個空中載機觀測平臺和經(jīng)選站算法所確定的兩個地面觀測站利用到達時間差法對空中目標(biāo)進行定位。地空平臺結(jié)合對空中目標(biāo)的定位示意如圖6所示。

2.4.2 系統(tǒng)技術(shù)特點

該方案將地面觀測站和空中平臺相結(jié)合對空中遠距目標(biāo)進行定位和跟蹤，可以擴大單個定位系統(tǒng)的有效工作的空域范圍?？稍谙噜彾ㄎ恍^(qū)無法正常工作的情況下，作為應(yīng)急方案，為超出本小區(qū)有效工作空域一定距離的空中目標(biāo)實施定位。但該系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，時間同步非常困難，定位精度不能保證。

3 結(jié)束語

我軍航空數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)將能實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)信息資源的共享，適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)條件下信息戰(zhàn)的需要，極大地提高我海軍航空兵的戰(zhàn)斗力。本文在分析研究航空數(shù)據(jù)鏈相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)想了四種在現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈條件下的定位技術(shù)體制，剖析了其關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點及可行性，以增強我軍航空數(shù)據(jù)鏈功能，更好的發(fā)揮航空數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)效能。

[1]孫仲康,周一宇,何黎星.單多基地有源無源定位技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996,181～182

[2]李莉.基于時間測量值的無線定位算法研究[D].成都:西南交通大學(xué),2002

[3]李劍峰.無源時差定位技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].成都:成都理工大學(xué),2004

[4]李興如.無源定位及其定位性能分析[D].成都:電子科技大學(xué),2001

Research of land-based positioning technology based on the Aviation Data Link

LI Shudang LI Yan XIE Hongsen
1.The PLA 91917 Unit, BeiJing,1024012.Naval Aeronautical Engineering Engineering Institute Qingdao Branch, QingDao, ShanDong, 266041

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.18.018

AbstractActive duty military aircraft navigation and positioning is related to the survival ability and combat efficiency of the aircraft.Our independent research and development of navigation satellite system, adopt active mode to realize the positioning, can not meet the requirements of high-speed tactical aircraft.Our army research and development of aviation data link system itself does not have positioning function, its effectiveness has not been brought into full play.Based on the study of the traditional navigation systems, satellite navigation and positioning system positioning technology and aviation data link technology foundation, proposed in four based on the existing aviation data link air weapons platform positioning system new technology system, has a certain reference value and draw lessons from action.

KeywordsAviation data link;Passive location;TDOA;Station distribution form；GDOP