鄭曉東，叢 麗，秦紅磊，許 鵬

(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191)

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng) (JTIDS)是美軍20世紀70年代開始研制、80年代開始裝備的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，由TDMA協(xié)議，JTIDS波形和TADIL J消息標準組成，具有集成的通信、導航和識別能力［1-2］。為改善、增強JTIDS系統(tǒng)功能，JTIDS與其他導航系統(tǒng)組合逐漸為人所采用，其中JTIDS/INS/GPS組合導航系統(tǒng)［3］得到了廣泛研究和應(yīng)用。隨著導航定位技術(shù)的發(fā)展，導航定位應(yīng)用到了各種領(lǐng)域，同時很多應(yīng)用對導航定位精度的要求也日趨提高，此時JTIDS/INS/GPS組合導航不能滿足這些應(yīng)用對高精度定位的要求。

將差分GPS［4］引入到 JTIDS/INS/GPS組合導航中，如果差分GPS的基準站是獨立于JTIDS之外的，不能融入到整個JTIDS網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)統(tǒng)一控制和資源分配，將使得差分GPS的基準站不容易控制，而且由于差分GPS的通信鏈路沒有使用Link 16一樣的抗干擾技術(shù)，因此傳輸差分信息時容易受到干擾，同時差分GPS為了傳輸偽距差分信息，需要專門的通信傳輸鏈路，占用了資源，使得整個系統(tǒng)趨向于復雜化。

為了實現(xiàn)差分GPS的偽距差分信息的高效傳輸，同時在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上簡化系統(tǒng)，節(jié)省資源，本文提出的JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)新體制，即組合導航系統(tǒng)中JTIDS的地理位置基準同時作為差分GPS的基準站，利用Link 16的通信鏈路傳輸偽距差分信息給網(wǎng)絡(luò)中其他成員，在新的體制下合理了設(shè)計偽距差分信息傳輸?shù)膬?nèi)容和傳輸格式。

1 JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)新體制總體工作流程

本文提出的JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)新體制工作示意圖如圖1所示，其工作流程為:JTIDS網(wǎng)絡(luò)中地理位置基準兼任差分GPS的基準站，基準站每一幀12 s播發(fā)一次偽距差分信息，基準站的導航時隙若為播發(fā)偽距差分信息時隙，則基準站將偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率等差分信息，以TADIL J消息的格式通過Link 16的通信鏈路與P消息一起播發(fā)出去。若基準站時隙不播發(fā)差分信息，則進行RTT或者只播發(fā)P消息。其他成員在非自己播發(fā)時隙先進行源選擇，地理位置基準對其他成員均被選擇為源，如果接收到基準站播發(fā)的偽距差分信息，先判斷是否在差分信息的作用區(qū)域，若是則對與基準站共視星的偽距進行修正;沒有接收到基準站的差分信息則判斷之前接收到的差分信息是否有效，若有效則對相對應(yīng)的共視星進行偽距修正，然后進行組合導航濾波得到定位結(jié)果。

圖1 JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)工作

2 偽距差分信息內(nèi)容的選取與傳輸格式

JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)新體制中偽距修正數(shù)，偽距修正數(shù)等差分信息以TADIL J消息格式與P消息一起通過Link 16中的通信鏈路發(fā)送給其他成員，因此需要對傳輸?shù)膫尉嗖罘值膬?nèi)容進行選擇和格式進行設(shè)計?；鶞收緜鬏?shù)膫尉嗖罘中畔?nèi)容選取參照RTCM SC-104中電文Type 1(差分GPS改正數(shù))和電文Type 2(△偽距改正值和△距離變化率改正值)［5］，偽距差分信息的傳輸格式嚴格按照TADIL J消息格式進行設(shè)計，本文采用TADIL J消息的P4SP封裝結(jié)構(gòu)，在一個導航時隙總共傳輸12個字，分兩個消息，其中第一個消息用來傳輸P消息，第二個消息用來傳輸偽距差分信息。

選擇傳輸電文Type 1時，需要發(fā)送的信息如下:①電文類型，1bit;②基站識別，1bit;③修正Z計數(shù)，13 bits;④基臺狀況，3 bits;⑤SF比例因子，1 bits;⑥衛(wèi)星識別ID，5 bits;⑦IOD數(shù)據(jù)發(fā)布日期，8bits;⑧偽距修正數(shù)PRC，16 bits;⑨偽距率修正數(shù)RRC，8bits;⑩相關(guān)距離D，8bits。

選擇傳輸Type2中如下偽距差分信息:①電文類型，1bit，0表示Type1，1表示Type2;②基站識別，1bit;③修正Z計數(shù)，13 bits;④基臺狀況，3 bits;⑤SF比例因子，1 bits;⑥衛(wèi)星識別ID，5 bits;⑦IOD數(shù)據(jù)發(fā)布日期，8bits;⑧△偽距修正數(shù)PRC，16 bits;⑨△偽距率修正數(shù)RRC，8bits;⑩相關(guān)距離D，8bits。

以傳輸偽距、偽距修正數(shù)變化率的J消息的初始字為例說明格式，如圖2所示，每個初始字有5b的J系列標識符、3b的J系列子標識 (7～9位)以及3b(10～12)的消息長度指示符 (MLI)。

3 JTIDS/INS/DGPS組合導航定位解算的實現(xiàn)

文中采用聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)，包括兩個子濾波器和一個主濾波器。其中兩個子濾波器為DGPS/INS子濾波器和JTIDS/INS子濾波器，兩個子濾波器通過主濾波器融合得到最終的定位結(jié)果。

3.1 偽距修正

其他成員接收基準站發(fā)送的P消息和偽距差分信息，若需要進行偽距修正，則根據(jù)基準站發(fā)送的偽距差分信息不同，進行修正的方法也不同。

圖2 初始字格式

(1)若發(fā)送的是偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率信息，則修正過程如下:

第一，政策環(huán)境優(yōu)越，政府高度重視。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了遼寧省各級領(lǐng)導的高度重視，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)上升為國家經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略。第二，市場需求巨大，發(fā)展前景廣闊。

時刻t的偽距修正數(shù)為

式中:PRC(t0)——16bit的偽距修正數(shù)，RRC——8bit偽距修正數(shù)變化率。t0——由第二個頭字得到的修正Z計數(shù)。

(2)若基準站發(fā)送的是偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率和△偽距改正值和△距離變化率改正值，利用下式計算出正確的偽距改正值

式中:PRC(IOD2)——接收到電文1中的偽距修正數(shù)，△PRC(IOD1)——接收到得電文2中的△偽距改正值(由上一次PRC減去當前PRC求得的)，RRC(IOD1)為接收到電文1中的偽距修正數(shù)變化率，t1是由第二個頭字得到的修正Z計數(shù)，△RRC(IOD1)接收到得電文2中的△距離變化率改正值 (由上一次RRC減去當前RRC求得的)。

由用戶測量得到的偽距PRM (t) 最終糾正如下

3.2 JTIDS/INS子濾波器

JTIDS/INS子濾波器分解為高度濾波器和平面位置濾波器，高度濾波器的狀態(tài)量和觀測量分別為(即INS高度誤差δh和天向速度誤差δV)、Zbv=hB－h(huán)I(引入BA高度數(shù)據(jù)后，觀測量為BA輸出高度hB與INS輸出高度hI之差)，平面位置濾波器的狀態(tài)量和觀測量分別為Xh(其中e，n，u為 INS 東向、北向、天向平臺誤差角，δλ，δL為INS經(jīng)度和緯度誤差，δVe，δVn為INS東向、和北向速度誤差)、Zρ= ρTOA－ rc(相對導航用戶端機提供的TOA偽距差觀測量為測量偽距與計算距離之差)。

3.3 GPS/INS子濾波器

GPS/INS子 濾 波 器，其 狀 態(tài) 量 X = ［e(用戶位置誤差、速度誤差、姿態(tài)角、GPS時鐘的鐘差和頻差)，觀測量為GPS/INS組合導航系統(tǒng)提供GPS測得的偽距ρGj和INS的計算偽距ρIj兩者得到的偽距之差ρGj－ρIj和兩者相應(yīng)的偽距率作為組合導航系統(tǒng)的偽距、偽距率。具體實現(xiàn)可以參閱參考文獻［1］。

4 仿真實現(xiàn)與分析

4.1 仿真條件

仿真中JTIDS網(wǎng)絡(luò)包含了10個成員，除地理位置基準之外其他成員模擬為運動的飛機成員，飛行軌跡包括平飛、轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖等飛行狀態(tài)。其中成員1和2的角色為地理位置基準 (GR)，且成員1兼任導航控制者 (NC)，擔任網(wǎng)絡(luò)時間基準的是成員3，能做有源校時的一級成員有4到7，剩下的成員是二級成員。JTIDS成員端機的參數(shù)為:時鐘頻率隨機誤差3×10－6/h，相關(guān)時間7200s，端機測距噪聲為10m(1 sigma)。GPS接收機的輸出頻率為1HZ，建立偽距模型如下

式中:r——接收機到衛(wèi)星之間的真實距離;δeph——衛(wèi)星星歷誤差，無差分設(shè)為2 m(1σ)，有差分時為0;δion——電離層延遲誤差，無差分時設(shè)為6 m(1σ)，有差分設(shè)為0.3 m(1σ)，且與播發(fā)偽距差分信息時間間隔的關(guān)系為0.08 m/s，與基準站距離的關(guān)系為0.2 cm/Km;δtrop——對流層延遲誤差，無差分時設(shè)為2.4 m(1σ)，有差分設(shè)為0.2 m(1σ)，且與播發(fā)偽距差分信息時間間隔的關(guān)系為0.06 m/s，與基準站距離的關(guān)系為2 cm/Km;c——光速，T——接收機鐘差;δmp——多徑誤差，無差分和有差分都為0.8 m(1σ);Vrevr——接收機噪聲，無差分和有差分都為0.4 m(1σ);δST——衛(wèi)星時鐘模型誤差，無差分設(shè)為2 m(1σ)，有差分時為0;偽距率誤差為0.1 m/s(1σ)。對于采用偽距差分信息的用戶站，還要考慮可見星，只有當用戶站與基準站有相同的可見星時，才應(yīng)用偽距差分信息。濾波周期為JTIDS導航時隙間隔0.0625 s，仿真時間為1000 s。本文以一級成員6為例給出不同情況的性能分析，所有成員在1000 s中的運動軌跡如圖3所示，成員6運動軌跡的起點的經(jīng)緯度為東經(jīng)112.7，北緯38.4。

圖3 成員1－10在1000s中的運動軌跡

4.2 仿真結(jié)果及分析

(1)無差分三組合和單基準差分三組合性能比較

JTIDS/INS/GPS組合導航系統(tǒng)、單基準JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)仿真1000s時間的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差曲線比較如圖4所示，并統(tǒng)計了1000s時間緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值以及相對導航的圓概率誤差如圖5所示。

由圖5可以看出，單基準應(yīng)用差分三組合導航較之JTIDS/INS/GPS的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值提高2 m左右，而相對導航的圓概率誤差要提高3.5 m左右。由于差分技術(shù)可以完全消除GPS偽距測量的衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差;大部分消除電離層誤差、對流層誤差，從而差分GPS較之單機GPS定位能顯著提高定位精度，進而提高三組合導航定位精度。

(2)單基準差分三組合和雙基準差分三組合性能比較

單基準JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)和雙基準JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)仿真1000 s時間的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差曲線比較如圖6所示，1000 s時間緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值以及相對導航的圓概率誤差比較如圖7所示。

由上圖可以看出，雙基準三組合導航較之單基準三組合導航的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值提高1m左右，而相對導航的圓概率誤差要提高1 m左右。由于2個差分基準站使得應(yīng)用差分GPS區(qū)域增大，多成員網(wǎng)絡(luò)中更多成員可以利用差分信息，同時對于具體成員來說，偽距差分信息的更新率提高，這都使得三組合導航定位精度提高。因此，差分基準站越多，三組合導航性能提高越大，但是成本將會增大，系統(tǒng)越容易受到攻擊，抗干擾能力減弱。

5 結(jié)束語

鑒于Link 16保密性、強抗干擾性和較高的傳輸速率，差分GPS能消去測量偽距中大部分誤差從而提高定位精度，利用Link 16傳輸偽距差分信息的JTIDS/INS/DGPS組合導航系統(tǒng)結(jié)合Link 16和差分GPS的優(yōu)點，JTIDS的地理位置基準兼任差分GPS的基準站，讓整個系統(tǒng)聯(lián)系更加緊密，易于統(tǒng)一控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;應(yīng)用Link 16傳輸偽距差分信息，節(jié)省了差分GPS所需的獨立通信鏈路，充分利用了整個系統(tǒng)的資源，節(jié)省了成本，降低了系統(tǒng)的復雜度，同時由于Link 16采用了各種加密和抗干擾技術(shù)，該方案提高了系統(tǒng)傳輸差分信息的抗干擾能力，使得系統(tǒng)的應(yīng)用性得到增強。通過VC++編程仿真實現(xiàn)，驗證了本文提出的方案的可行性與有效性，為實際應(yīng)用到對高精度定位要求環(huán)境與某些特定環(huán)境中提供了理論基礎(chǔ)。

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