亓沂濱 周鵬 謝洪森

1．海司信息化部， 北京 100084 2．海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041

引言

隨著現(xiàn)代航空業(yè)的迅猛發(fā)展，航空運輸事業(yè)持續(xù)增長，傳統(tǒng)的點到點的航路引導(dǎo)模式已不適應(yīng)空中交通管理要求，基于航空器自定位的空中定位系統(tǒng)將是解決更為有效的航路設(shè)計問題，提高空中交通容量的發(fā)展趨向。

目前世界上主要采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為飛機提供自定位信息。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要使用美國GPS。由于它是由美國控制，常會由于戰(zhàn)爭等因素關(guān)閉或施加干擾。慣性制導(dǎo)系統(tǒng)在給定初始定位信息后，短時間內(nèi)可由飛機自身完成定位工作，但要適當(dāng)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間增加產(chǎn)生的積累誤差，以保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)鏈作為地空通信的重要手段，是新航行系統(tǒng)的重要組成部分，可通過數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)定位功能。

1 地空數(shù)據(jù)鏈定位相關(guān)技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈實質(zhì)是鏈接空中交通管制中心、機場、航空器的一種信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)。它主要是采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議，實現(xiàn)地空之間的數(shù)據(jù)信息交換。

地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)克服了地空話音通信系統(tǒng)傳輸速度慢、占用信道時間長、可靠性差等缺點，并且具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點，獲得了廣泛的應(yīng)用。

地空數(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、地面管制員的態(tài)勢認(rèn)知能力，保證飛行安全。

地空數(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

航空器定位是基于信號到達(dá)時間或到達(dá)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(dá)時間或到達(dá)時間差就無法作為計算目標(biāo)位置的依據(jù)，所以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)利用多部通信設(shè)備組成多個網(wǎng)絡(luò)時，可以在多個信道上并發(fā)的方式進(jìn)行信息傳輸，使地空數(shù)據(jù)鏈的有效工作范圍覆蓋整個空域。

1．3 布站形式

地面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空域內(nèi)的航空器良好的可視性，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 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)的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l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。主站要協(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)，解算機載終端的位置坐標(biāo)。

圖1 定位示意圖

3 定位實現(xiàn)機理

系統(tǒng)定位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航空器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，只需要3個獨立距離觀測值即可。但是考慮到地面臺站與機載接收機時鐘之間難以保持嚴(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)地面部分必須設(shè)立4個以上地面基站。

如果地面部分以多基站布置，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。

4 系統(tǒng)技術(shù)特點

系統(tǒng)可采用頻分多址方式，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，航空器無需發(fā)射信號，減少了相互間的電磁干擾。

與GPS全球定位系統(tǒng)相似，地面基站只負(fù)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。所以，該定位系統(tǒng)的容量可不受限制。

該系統(tǒng)一些技術(shù)問題可以參照GPS全球定位系統(tǒng)予以解決，且定位精度較高。系統(tǒng)基于地空數(shù)據(jù)鏈，地面基站硬件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，需對機載數(shù)傳端機做較大改動。

該系統(tǒng)的定位依據(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。

5 結(jié)束語

地空數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)將能實現(xiàn)航行信息資源的共享，滿足現(xiàn)代信息條件下空中交通管理的需要，極大地提高空中交通容量。本文在研究、分析地空數(shù)據(jù)鏈相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)想了地空數(shù)據(jù)鏈空中定位系統(tǒng)設(shè)計，分析了其關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點及可行性，以增強地空數(shù)據(jù)鏈功能，更好的發(fā)揮地空數(shù)據(jù)鏈的使用效能。

[l]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)版社，1996．18l～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．無源時差定何技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]．成都：成都理工大學(xué)，2004

[4]張興如．無源定位及典型定位性能的分析[1]．成都：電子科技大學(xué)，2001