張麗敏

(西安外事學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 陜西 西安 710077)

PDOP因子在相對(duì)導(dǎo)航航路分析中的應(yīng)用研究

張麗敏

(西安外事學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 陜西 西安 710077)

基于分析相對(duì)導(dǎo)航定位精度受到PDOP因子影響的目的,采用MapX電子地圖軟件設(shè)計(jì)測(cè)試程序,計(jì)算出地圖中各個(gè)位置的PDOP值,以此為依據(jù)設(shè)計(jì)外場(chǎng)試驗(yàn)航路,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)航路進(jìn)行仿真測(cè)試,分析了不同航路的PDOP因子和相對(duì)導(dǎo)航結(jié)果,結(jié)果證明PDOP因子更有利的航路能夠獲得明顯更高的相對(duì)導(dǎo)航定位精度。

JTIDS；相對(duì)導(dǎo)航；PDOP；到達(dá)時(shí)間

JTIDS——聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng),是一種先進(jìn)的三軍一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的集成通信、導(dǎo)航、識(shí)別系統(tǒng),JTIDS的相對(duì)導(dǎo)航能實(shí)現(xiàn)精確的雙格網(wǎng)定位,使所有系統(tǒng)成員能在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中導(dǎo)航定位,從而使系統(tǒng)成員明確知道自身的地理位置和速度、航向等時(shí)空信息［1］。

由于相對(duì)導(dǎo)航是依賴于在工作區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干地面位置基準(zhǔn)來(lái)為飛機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航制導(dǎo),導(dǎo)航定位精度取決于相對(duì)導(dǎo)航算法和空間目標(biāo)的相對(duì)位置,即飛機(jī)與地面位置基準(zhǔn)的相對(duì)幾何位置和定位誤差有著很大的關(guān)系,這樣地面位置基準(zhǔn)的布設(shè)會(huì)直接影響著相對(duì)導(dǎo)航的精度,在確保較高導(dǎo)航精度條件下就需要合理地布設(shè)地面位置基準(zhǔn)的位置,同時(shí),盡可能的減少地面位置基準(zhǔn)的布設(shè)數(shù)量,以降低維護(hù)保養(yǎng)成本,所以,地面位置基準(zhǔn)的布設(shè)方案對(duì)相對(duì)導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用就顯的尤為重要。

1 相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系

JTIDS相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系是相對(duì)導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)。建立該坐標(biāo)系的過(guò)程是:

1）原點(diǎn)選擇:該點(diǎn)可以選在海平面任意一個(gè)點(diǎn),為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),一般選為陸基固定站。

2）過(guò)該點(diǎn)作切平面,形成東、北、天三維坐標(biāo)。北指的是切平面中該點(diǎn)真北向,東指的是切平面中該點(diǎn)的東向,天指的是與切平面垂直的法向方向。我們把這3個(gè)坐標(biāo)軸定為U、V、W。如圖1所示。

圖1 相對(duì)坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relative coordinate system

2 相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)

相對(duì)導(dǎo)航功能是以多邊技術(shù)為基礎(chǔ)。某個(gè)端機(jī)根據(jù)測(cè)量來(lái)自3個(gè)端機(jī) 的PPLI消息的到達(dá)時(shí)間（TOA）和發(fā)送端機(jī)的位置（包含在PPLI消息中）確定自己的三維位置。但是,多邊技術(shù)的精確度受到有關(guān)端機(jī)時(shí)鐘誤差和TOA并不是同時(shí)測(cè)量這個(gè)事實(shí)的影響。因此,通過(guò)一個(gè)遞歸濾波器處理組合TOA的測(cè)量,以確定出自身單元的位置、移動(dòng)和校正時(shí)鐘。對(duì)于移動(dòng)端機(jī),航位推測(cè)數(shù)據(jù)被用于外推位置數(shù)據(jù)［2］。

另外,向?yàn)V波器提供的航位推測(cè)數(shù)據(jù)用于從連續(xù)位置估計(jì)中導(dǎo)出移動(dòng)數(shù)據(jù)的最優(yōu)組合。端機(jī)根據(jù)自己的位置和時(shí)間數(shù)據(jù)及其它端機(jī)在PPLI消息中報(bào)告的位置和時(shí)間數(shù)據(jù)的精度（質(zhì)量）來(lái)選擇用于濾波器處理的TOA測(cè)量。理論上,地面位置基準(zhǔn)的數(shù)量越多,平面分布越均勻,對(duì)于相對(duì)導(dǎo)航解算越有利,越有利于相對(duì)導(dǎo)航算法根據(jù)不同的地面位置基準(zhǔn)組合進(jìn)行定位源選擇,找出與定位平臺(tái)的幾何分布關(guān)系最好的一組位置基準(zhǔn)進(jìn)行定位運(yùn)算。

3 PDOP定義

假設(shè)飛機(jī)位置的三維坐標(biāo)可用（xu，yu，zu）表示,地面位置基準(zhǔn)的時(shí)鐘偏差用tu表示。飛機(jī)測(cè)量的第j個(gè)位置基準(zhǔn)到用戶的偽距為:

其中（xj,yj,zj）表示第j個(gè)位置基準(zhǔn)的位置,c為光速［3］。位置基準(zhǔn)坐標(biāo)為已知。由此得到觀測(cè)方程為:

其中:X=（δxδyδzb）T為待估向量,（δxδyδz）T為位置改正量,b為接收機(jī)鐘差等效距離參數(shù)［4］,為n×3的列滿秩系數(shù)矩陣,ei=（exieyiezi）為接收機(jī)指向第i個(gè)位置基準(zhǔn)的方向余弦,滿足|ei|=1,即ei（i=1，2，…，n）均位于單位球面上,L為n×1觀測(cè)向量,其權(quán)陣為單位矩陣,ε為n×1隨機(jī)誤差向量［5］。

公式（2）中X的最小二乘解為:

由公式可知,PDOP表征了被測(cè)空中平臺(tái)和地面位置基準(zhǔn)在空間的幾何分布情況。

4 外場(chǎng)應(yīng)用

在相對(duì)導(dǎo)航的應(yīng)用中,由于各種原因,地面位置基準(zhǔn)的數(shù)量往往是有限的,而且通常所能安裝的位置也是相對(duì)固定的。在這種情況下,預(yù)先得出相對(duì)導(dǎo)航的航路分布圖是十分重要的。這樣能夠使用戶提前得知各種可能的航路設(shè)計(jì)對(duì)相對(duì)導(dǎo)航精度的影響程度。

為此,采用Visual C++編程語(yǔ)言和MapX4.5電子地圖編寫(xiě)測(cè)試程序,以外場(chǎng)試驗(yàn)階段的航路為測(cè)試條件,共有3個(gè)地面導(dǎo)航基準(zhǔn),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一個(gè),以運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為測(cè)試平臺(tái),依靠地面位置基準(zhǔn)進(jìn)行導(dǎo)航定位。相對(duì)導(dǎo)航航路共兩條,分別是4#航路和5#航路。

在地面位置基準(zhǔn)數(shù)量為3個(gè)的情況下,計(jì)算地圖上每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的精度因子PDOP,相鄰測(cè)試點(diǎn)之間間隔5 km,根據(jù)PDOP取值大小分為 5個(gè)范圍:PDOP＜4,4＜PDOP＜20,20＜PDOP＜40,40＜PDOP＜60,PDOP＞60,標(biāo)記為不同灰度的顏色。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 PDOP分布圖Fig.2 PDOP distribution map

同時(shí),統(tǒng)計(jì)計(jì)算4#航路和5#航路的PDOP和HDOP的平均值。

圖3 4#航路PDOP統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 4#route PDOP statistic chart

圖4 5#航路PDOP統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 5#route PDOP statistic chart

對(duì)4#航路的PDOP進(jìn)行采樣計(jì)算,采樣間隔為600 m,計(jì)算可得:PDOP=32.479118。

對(duì)5#航路的PDOP進(jìn)行采樣計(jì)算,采樣間隔為600 m,計(jì)算可得:PDOP=6.543598。

可見(jiàn),4#航路的PDOP較差,5#航路較好,理論上,5#航路應(yīng)能獲得更好的導(dǎo)航定位結(jié)果。

5 相對(duì)導(dǎo)航測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證航路分析的結(jié)果,對(duì)4#航路和5#航路進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)航模擬,為模擬實(shí)際情況,對(duì)測(cè)距加上高斯白噪聲。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試記錄表Tab.1 the test record

可見(jiàn),4#航路的TOA測(cè)距誤差比5#航路更高,但是PDOP值更優(yōu)的5#航路最終的導(dǎo)航結(jié)果明顯優(yōu)于4#航路:圓概率誤差CEP值僅為52.9。

6 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)導(dǎo)航是近年才發(fā)展起來(lái)的一門新型導(dǎo)航技術(shù),本文在介紹其概念的基礎(chǔ)上,針對(duì)相對(duì)導(dǎo)航定位精度受到定位平臺(tái)與地面位置基準(zhǔn)之間的幾何分布關(guān)系的影響的問(wèn)題,基于MapX地圖設(shè)計(jì)了PDOP分布測(cè)試軟件,對(duì)外場(chǎng)試驗(yàn)航路進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證,取得了很好效果,其設(shè)計(jì)思想可供其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案借鑒和參考。

［1］吳美平.軍用導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代防御技術(shù),2006，28（3）:38-39.WU Mei-ping.The trend of military development of navigation technology［J］.The Modern Defense Technology,2006，28（3）:38-39.

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4 結(jié)束語(yǔ)

家庭安防系統(tǒng)為人們的居住提供安全的環(huán)境,有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電、防盜報(bào)警、環(huán)境和設(shè)備等的控制,系統(tǒng)的分析了基于WSN的家庭安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能,從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)到軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)除具有普通無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點(diǎn)外,還增加了各種多媒體技術(shù)和先進(jìn)監(jiān)控技術(shù),在軟件設(shè)計(jì)方面改進(jìn)了無(wú)線路由選擇協(xié)議,具有路由選擇快,穩(wěn)定性高,正確報(bào)警率高,監(jiān)測(cè)信息完善等特點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)具有較為完善的用戶服務(wù),提供包括PC機(jī),短信,用戶網(wǎng)站與手機(jī)客戶端等多種方式進(jìn)行查詢,目前,由于物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)體系標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,再加上各種子系統(tǒng)較多等原因,本系統(tǒng)也存在一些缺陷,比如系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

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Research on application of PDOP factor in the analysis of the relative navigation route

ZHANG Li-min
（Xiˊan International Universit,Xi’an 710077，China）

Based on the purpose of analysis of relative navigation positioning accuracy impacted by PDOP factors using MapX electronic map software design test procedures，calculate the PDOP value of each location in map.To design the outfield test route on the basis of this.By the simulation test of the test route，analyzes the PDOP factor of different routes and relative navigation results，results show that route PDOP factor more favorable to obtain the relative navigation and positioning accuracy significantly higher.

JTIDS；relative navigation；PDOP；TOA

TN966.4

：A

：1674-6236（2015）18-0024-03

2014-12-25稿件編號(hào)：201412237

陜西省教育廳2014年科學(xué)研究項(xiàng)目（14JK2117）；陜西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃（SGH13487)

張麗敏（1980—）,女,內(nèi)蒙古通遼人,碩士,講師。研究方向:計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真。