多定位系統融合技術研究

摘 要:星基導航是未來導航系統的發(fā)展趨勢，本文對基礎的雷達設施和星基導航的融合提出了技術上的要求和分析。

關鍵詞:ADS 雷達 融合

中圖分類號:TN967文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0044-01

隨著民航新航行系統的逐步論證與實施，未來民航導航將逐漸依靠星基導航系統，而不再使用慣導系統。衛(wèi)星導航由于其有極高的定位精度與可靠性，得到了普遍認同。依靠GPS的導航設備在我們生活中也隨處可見。在民航方面，GPS、ADS-B利用率在不斷攀升。可是，如果出現衛(wèi)星故障，則導航信號質量將極大降低，用戶的定位與姿態(tài)獲取將受到極大影響，其后果難以想象。而且，該系統主動權掌握在美國手里，使用者始終受制于人。這種情況下，迫切需要多星基導航系統組合導航技術。北斗的出現，正是順應了這一要求。

1 幾種定位系統比較

“北斗一號”衛(wèi)星能定位出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統從存儲在計算機內的數字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶出于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發(fā)送給用戶。這種主動式的定位方法將丟失信號隱蔽性，使系統安全性大打折扣。一代北斗系統的精度為幾十米，授時精度100ns。最有特色的是它的短信功能，每條能發(fā)送120個漢字。而二代北斗系統在一代基礎上提供全球服務和區(qū)域服務。全球服務定位精度:10m，測速精度:0.2m/s，授時精度:20ns。區(qū)域服務采用廣域差分服務，定位精度:1m，同時提供短報文通信服務。

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的偽距，然后綜合多顆衛(wèi)星的數據就可知道接收機的具體位置。GPS的C/A碼的誤差是29.3m到2.93米。一般的接收機利用C/A碼計算定位。在2000年5月2日，隨著SA(SelectiveAvailability)取消，現在的GPS精度能在15m以內，授時精度20ns。P碼的誤差為2.93m到0.293m是C/A碼的十分之一。

雷達。一次雷達探測空中飛行物的方位和距離，二次雷達提供飛機的編號、高度、方向等參數，二次雷達要和一次雷達一起工作，它們只有配套使用才能實現空中交通的雷達管制。二次雷達使用有選擇的詢問方式，一機一碼防止了同時應答造成的系統飽和以及信號串擾。但是受到天線掃略間歇限制，精度低。

2 多系統融合技術

伴隨ADS-B技術的深入，以及北斗網絡建設的日益成熟，如何將依賴GPS為基礎的ADS發(fā)展成為集北斗、多雷達為一體的導航系統也已提上日程。

2.1 數據的采集

北斗\\GPS數據的接收方式為請求-應答，機載導航系統獲得的導航信息(包含飛機識別信息和位置信息)，通過衛(wèi)星數據鏈或VHF空地數據鏈，自動地發(fā)送到地面接收和處理系統。

二次雷達數據的接收方式是請求-應答，雷達接收站通過上行數據鏈向飛機發(fā)送位置請求數據，飛機接收到請求后，將飛行位置信息通過下行數據鏈傳送至雷達接收站，二次雷達數據采樣周期固定，一般為3.8～6s，一次雷達采用回聲定位的方法。

2.2 準確性處理

將信號進行CRC校驗，對于CRC校驗不正確的數據，就直接丟棄，并記錄下錯誤個數。即使通過校驗，還可以進一步進行檢查。

2.3 格式轉換

涉及到兩個方面。一是由于坐標系選取不同(北斗采用CGS2000坐標系，GPS采用WGS-84坐標系，雷達采用極坐標)，要實現幾個不同坐標系下數據的處理，就必須進行坐標轉換。實際應用中，根據不同的精度要求和各方面因素綜合考慮，可以采用三參數模型或者七參數模型。地圖顯示的是平面坐標，需要采用地圖投影來將大地的經緯度信息投影到平面笛卡爾坐標，通常采用高斯克呂格和通用橫墨卡托等角地圖投影。這就是時空對準。二是報文格式不同，比如雷達是斜距、方位角和高度，ADS則是經緯度、高度。

2.4 關聯算法

如何把得到的“點”(點航跡)變成“線”(航跡)，一個很好的辦法就是跟蹤這個“點”，需要運用一定的算法。

首先要確定一個觀測點是已經確定的航跡上，還是一個新航跡的開始，那么雷達再次掃描產生新的點，根據之前的判定來對點跡相關。相關成功則產生航跡。以后的掃描都可以采用類似的法則，如果多次掃描沒有發(fā)現新的點，那么終止航跡。

2.5 多系統航跡生成

實現了目標航跡連續(xù)，就可實現多雷達和北斗\\ADS航跡關聯。航跡關聯在系統設置的取樣時刻進行。首先確定相應的相關規(guī)則，如航班號相關、二次雷達應答碼確認、高度相關、速度相關等，根據制定的規(guī)則，將對應同一目標的多臺雷達本地航跡關聯為系統航跡。可實現單雷達和北斗\\ADS本地航跡與系統航跡的關聯。

目前用于航跡關聯的主要算法有加權法、極大似然法、修正法、經典分配法、最近鄰域法、似然比法、K近鄰域法和多元假設檢驗法等。航跡關聯算法需要解決多個本地航跡之間的關聯，以及與系統航跡之間的關聯問題。

2.6 誤差消除

由于對目標的觀測值都可能產生一定誤差，包括坐標變換本身也會造成偏差，所以要盡可能減少誤差，使得得到的航跡盡量準確。本地的跟蹤和中心的數據融合都是以均方估計準則消除隨機誤差。目前使用最廣泛的算法是卡爾曼濾波法。卡爾曼濾波的誤差協方差陣，反映了當前航跡跟蹤的跟蹤質量，它是關于航跡跟蹤質量的一個合理的估計。當目標運動平穩(wěn)，新生量變化較小時，若測量值與估計值相差較小，則誤差協方差陣也較小，表明當前航跡跟蹤質量較高;而當測量值與估計值相差較大時，則誤差協方差陣增大，表明當前航跡跟蹤較為粗糙。

3 結語

多系統融合的導航技術，不僅在導航精度上取得了提高，同時安全性能也是單一系統不可比擬的。隨著北斗衛(wèi)星導航系統建設按照“先區(qū)域、后全球”的總體思路分步實施，采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，(第一步，2000年初步建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統;第二步，2012年北斗衛(wèi)星導航(區(qū)域)系統將為中國及周邊地區(qū)提供服務;第三步，2020年全面建成北斗衛(wèi)星導航系統。)將會在系統全面建成時，發(fā)揮巨大作用。

參考文獻

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