基于氣壓高度的機載RDSS系統(tǒng)定位精度提升

張延濤 韓旭 程佳靖 王穎 李曉鋒

摘要：隨著北斗RDSS在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，其導(dǎo)航定位精度提升問題也備受關(guān)注。本文針對機載北斗RDSS系統(tǒng)高空定位精度差的問題，提出基于氣壓高度數(shù)據(jù)進(jìn)行定位精度提升的方案，在一定程度上提高了機載北斗RDSS用戶導(dǎo)航可靠性，有助于RDSS系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：北斗RDSS系統(tǒng);雙星定位;氣壓高度

中圖法分類號： TN967 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

引言：

北斗最大的特色就是北斗RDSS系統(tǒng)，有與生俱來的通信與導(dǎo)航融合特性， 集定位與信息傳輸為一體，具備對目標(biāo)進(jìn)行管理和 監(jiān)視的雙重能力，可以作為通航空管的一個重要技 術(shù)手段。在空管雷達(dá)不能覆蓋的地區(qū)，提供位置報 告和簡單 雙 向 報 文 通 信，解 決 空 管 雷 達(dá)“盲 區(qū)”問 題;在空管雷達(dá)能夠覆蓋的地區(qū)，以較低的代價作 為一種備份和增強[1]。地面中心能夠直接知道導(dǎo)航用戶的位置信息，便于位置信息的獲取、匯集和統(tǒng)籌利用。而GPS用戶只能通過單向接受GPS衛(wèi)星信號來解算自己的位置，但用戶只有自己知道自己的位置，除非用戶借助另外的通信系統(tǒng)才能把自己的位置發(fā)送出來，所以北斗RDSS比較適合需要集中指揮調(diào)度行業(yè)的應(yīng)用。

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)海航行、非本土作戰(zhàn)的需求，北斗RDSS系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于機載航空領(lǐng)域，但是在機載用戶定位應(yīng)用過程中定位精度差的問題制約其在該領(lǐng)域的發(fā)展[2]。本文基于地面北斗RDSS終端的定位原理，對其在機載高空定位解算策略進(jìn)行完善，提高載機在高空的定位精度，提升其應(yīng)用的可靠性和安全性。

1北斗RDSS系統(tǒng)定位原理

北斗RDSS系統(tǒng)定位是基于北斗一代雙星定位系統(tǒng)，雙星定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星 、地面控制中心站和用戶終端 3 部分構(gòu)成[3]。

首先用戶終端向兩顆衛(wèi)星發(fā)送定位申請，衛(wèi)星帶有信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置向地面控制中心站轉(zhuǎn)發(fā)定位信號，地面控制中心站根據(jù)收到定位信號的時間延遲，計算出中心站——衛(wèi)星——用戶機的距離，由于中心站——衛(wèi)星的距離已知，由此可得用戶終端與衛(wèi)星的距離。然后地面中心站進(jìn)行用戶終端位置解算，以2顆在軌衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測定的衛(wèi)星與用戶終端的距離為半徑，形成2個球面，用戶終端將位于這2個球面交線的圓弧上;同時地面中心站配有數(shù)字高程地圖，提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面[4];該球面與圓弧相交出兩個焦點，分別位于數(shù)字高程地圖的南、北半球表面，位于北半球的交點即用戶終端的位置，如圖1。最后地面控制中心站將解算的定位結(jié)果通過衛(wèi)星發(fā)送給用戶，定位完成。

2機載北斗RDSS系統(tǒng)定位精度增強方案

從上述北斗RDSS系統(tǒng)定位原理分析可知，其定位是基于3球交匯測量原理完成位置坐標(biāo)的解算，對于航空應(yīng)用中，用戶位置處于萬米高空，用戶進(jìn)行有源定位時，地面中心站根據(jù)收到的數(shù)據(jù)解算時，以衛(wèi)兩顆星和用戶的距離形成的兩個球面與數(shù)字地球交匯的點作為用戶的定位點，可以發(fā)現(xiàn)該位置點是處于地球表面，而不是處于高空用戶的實際位置，所以定位的結(jié)果與實際位置存在偏差。根據(jù)北斗RDSS系統(tǒng)的定位原理分析，衛(wèi)星處于赤道上方，當(dāng)用戶處于地球北半球的高空時，以衛(wèi)星和用戶的距離為半徑形成的兩個球面相交形成的圓面，與地球球面交匯的得到定位點，該點的緯度值低于用戶實際緯度值，導(dǎo)致定位精度比較差，且用戶距離地面越高，緯度偏差越大。這不僅嚴(yán)重威脅機載航空用戶的安全 ，也制約著該系統(tǒng)在航空、遠(yuǎn)海領(lǐng)域的使用效果，因此提升RDSS系統(tǒng)高空用戶定位精度對于機載航空領(lǐng)域的安全性十分必要。

本文基于機載設(shè)備應(yīng)用的現(xiàn)狀，采用氣壓高度數(shù)據(jù)對RDSS系統(tǒng)的定位解算方法進(jìn)行修正，提出了一種機載RDSS系統(tǒng)定位精度提升的有效方案，便于機上實施改進(jìn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2.1基于氣壓高度RDSS定位系統(tǒng)架構(gòu)

飛機都配有氣壓高度數(shù)據(jù)測量設(shè)備，北斗RDSS系統(tǒng)與其交聯(lián)，采集載機用戶實時壓高度，定位流程如圖1所示。當(dāng)用戶利用北斗RDSS系統(tǒng)發(fā)出定位申請時，同時將定位時刻的載機氣壓高度數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星發(fā)送給地面中心站，地面中心站結(jié)合用戶的氣壓高度數(shù)據(jù)，利用三球交匯進(jìn)行位置解算。

2.2定位精度的優(yōu)化方法

地面中心站收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的載機用戶定位申請數(shù)據(jù)進(jìn)行位置解算，并根據(jù)載機用戶的氣壓高度H對原數(shù)字地球進(jìn)行修正[5]，得到一個加大的數(shù)字地球，再利用三球交匯的原理解算出用戶的位置坐標(biāo)。利用氣壓高度數(shù)據(jù)對三球交匯定位過程進(jìn)行修正的原理如圖3所示。

2.3定位解算過程

以地球中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，假設(shè)載機用戶所在位置坐標(biāo)，載機用戶的氣壓高度為，數(shù)字地球的半徑，兩顆衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為，則載機用戶距離兩顆衛(wèi)星的距離分別為和。

由于兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星的坐標(biāo)、地球半徑、氣壓高度已知，則可求得載機用戶的坐標(biāo)，從而得到用戶的位置信息[6]。

2.4仿真結(jié)果分析

依據(jù)上述分析，假定地球為標(biāo)準(zhǔn)的圓球，半徑6371393m，北斗雙星分別位于赤道、東經(jīng)80°和140°上方36000km高空，用戶所在位置處于東經(jīng)120°，北緯N°。通過分析用戶在所處經(jīng)緯度不變的情況下高程差H從0m～10000m連續(xù)變化時，地面解算時若不進(jìn)行高程修正定位申請后獲得的緯度N1結(jié)果與原實際緯度N的差別對比如下。

建立宇宙直角坐標(biāo)系，北斗衛(wèi)星1的坐標(biāo)如下：

北斗衛(wèi)星2的坐標(biāo)如下：

用戶所處高程差為m的實際位置坐標(biāo)如下：

若不進(jìn)行高程修正解算得到的用戶位置如下：

根據(jù)北斗RDSS系統(tǒng)“三球交匯”定位原理，可以得到用戶定位的緯度差與用戶的高程的關(guān)系曲線，詳見圖4。隨著用戶所處位置的氣壓高度數(shù)據(jù)越大，定位得到的緯度值與實際用戶實際所處的緯度值偏差越大，所以對于飛行和機載用戶，在進(jìn)行北斗RDSS系統(tǒng)定位時，采用氣壓高度數(shù)據(jù)對定位解算過程進(jìn)行修正尤為必要，從未保證用戶定位結(jié)果的置信度和可靠性。

3結(jié)束語

本文針對機載北斗RDSS系統(tǒng)高空定位精度差的問題，提出了基于載機氣壓高度數(shù)據(jù)進(jìn)行定位精度提升的方案，通過仿真對比分析，該方案解決了高空用戶利用北斗RDSS系統(tǒng)定位時精度較差的問題，提升了其在機載應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性和安全性，有助于其進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

【1】趙陸文，李廣俠，戴衛(wèi)恒，等，北斗 RDSS應(yīng)用于通航空管的機遇與挑戰(zhàn)[J].全球定位系統(tǒng)，2015，40（2）：26-40.

【2】馬衛(wèi)華，袁建平，羅建軍.北斗系統(tǒng)低緯度區(qū)域定位精度增強方案探討[J].全球定位系統(tǒng)，2005，46（3）：46-51.

【3】張怡，趙少松，王永生.基于雙星定位系統(tǒng)的無源定位方案的研究[J].電子測量技術(shù)， 2007，30（9）：153-156.

【4】劉膚體.一種北斗雙星定位新算法[J].全球定位系統(tǒng)，2007，25（2）：25-27.

【5】雙星系統(tǒng)工作方式改進(jìn)的探討[J].電子學(xué)報，2001（09）：1217-1219.

【6】吉春生，楊小小.一種基于雙星導(dǎo)航系統(tǒng)的無源定位方法研究及其實現(xiàn)方案[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報， 2005，17（3）：33-37.

作者簡介：張延濤，1991.09.05，漢族，陜西西安，碩士，初級，研究方向，機載設(shè)備通信，信號處理

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