四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司　楊其聰

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TDMA數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)定位導(dǎo)航設(shè)計(jì)與應(yīng)用

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司楊其聰

本文針對(duì)時(shí)分多址（TDMA）數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的系統(tǒng)不足，實(shí)現(xiàn)了一種基于TDMA接入方式的數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航處理器，通過(guò)卡爾曼濾波將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）與數(shù)據(jù)鏈結(jié)合起來(lái)，提高導(dǎo)航精度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)性能，符合現(xiàn)代化立體作戰(zhàn)發(fā)展需求。

TDMA；數(shù)據(jù)鏈；INS；卡爾曼濾波

1　引言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著極其重要的作用，數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的水平在很大程度上決定著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的水平和能力。但是，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)自身位置信息更新率較低、無(wú)姿態(tài)信息，難以滿足高動(dòng)態(tài)戰(zhàn)機(jī)火控和轟炸機(jī)武器投放的要求。作為自主式推航系統(tǒng)，INS隱蔽性好、短時(shí)精度高、輸出信號(hào)連續(xù)，并能提供姿態(tài)數(shù)據(jù)，但有積累誤差，限制了長(zhǎng)時(shí)間工作的性能。若將數(shù)據(jù)鏈與INS構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為余度，將可提高系統(tǒng)定位導(dǎo)航精度和可靠性。

2　TDMA數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)定位導(dǎo)航

系統(tǒng)中的各個(gè)成員接收其他成員播發(fā)的P消息（參與者精確定位與識(shí)別消息）帶的位置信息，結(jié)合信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA），以確定自己的地理位置。

系統(tǒng)的時(shí)間同步和TOA測(cè)量是實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)之一。用戶根據(jù)源的位置數(shù)據(jù)和測(cè)出的距離，采用基于多個(gè)源的多邊定位方法，測(cè)量出用戶在空間中的位置。然而，在TDMA工作情況下，各源按一定時(shí)間順序輪流輻射，并且源和用戶都在運(yùn)動(dòng)，不可能在同一時(shí)刻測(cè)出到三個(gè)源的距離，如圖1所示。

圖1　TDMA系統(tǒng)TOA測(cè)量

因此，利用經(jīng)典的導(dǎo)航定位方法不可能得到準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的導(dǎo)航功能須將TOA測(cè)量與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相組合，用TOA不斷校正慣導(dǎo)的誤差，以提供高精度位置、速度、航向姿態(tài)角和時(shí)間信息，并保留較強(qiáng)抗干擾能力。

3　組合定位導(dǎo)航處理器設(shè)計(jì)

組合定位導(dǎo)航處理器由多個(gè)功能模塊組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

導(dǎo)航處理器是通過(guò)濾波器解算出用戶的時(shí)、空狀態(tài)（用戶的位置、時(shí)間等），其核心部分在于濾波器的設(shè)計(jì)。濾波器利用實(shí)時(shí)更新的TOA、RTT和P消息中源的狀態(tài)數(shù)據(jù)還有INS的數(shù)據(jù)，循環(huán)進(jìn)行濾波計(jì)算，不斷輸出用戶的實(shí)時(shí)狀態(tài)濾波估計(jì)值和濾波誤差協(xié)方差矩陣，并將濾波定位結(jié)果外推到相應(yīng)時(shí)刻，得到用于播發(fā)或?yàn)V波的用戶外推狀態(tài)。

卡爾曼濾波是一種遞推、線性的最優(yōu)估計(jì)，用戶用自己的估算位置坐標(biāo)（Xu，Yu，Zu）和鐘差估計(jì)值以及接收到的任一源報(bào)告的位置坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs），求出兩者之間的計(jì)算偽距。同時(shí)，根據(jù)測(cè)定的這一源信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，求出用戶到源間的測(cè)量偽距，而是由估算位置確定出來(lái)的，二者之差代表了用戶估算位置與真實(shí)位置的偏差，用此差值對(duì)估算的用戶位置坐標(biāo)進(jìn)行修正，得到濾波估計(jì)值；按照用戶運(yùn)動(dòng)規(guī)律外推到下一濾波時(shí)刻，再次測(cè)量，再次修正，…，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，逐步修正，就可得到精度較高的用戶實(shí)時(shí)位置。

圖2　導(dǎo)航處理器軟件的總體結(jié)構(gòu)

濾波狀態(tài)量主要由與慣導(dǎo)相關(guān)的用戶位置誤差、速度誤差、姿態(tài)角誤差，以及時(shí)鐘的頻差、相對(duì)位置誤差、相對(duì)速度誤差。濾波觀測(cè)量主要包括偽距測(cè)量和RTT測(cè)量。根據(jù)濾波中的兩個(gè)觀測(cè)量相互獨(dú)立性，以及定位空間要求兩方面考慮，進(jìn)一步將成員濾波器分解為有源校時(shí)RTT濾波器和地理濾波器2個(gè)濾波器，以提高濾波定位解算速度。

為兼顧工程實(shí)現(xiàn)難度和保證長(zhǎng)時(shí)間工作條件下的濾波精度，對(duì)經(jīng)度誤差、緯度誤差、成員鐘差、相對(duì)位置誤差等主要狀態(tài)量采用誤差累加閉環(huán)校正，將誤差估值累加，抵消校正INS和數(shù)據(jù)鏈的輸出數(shù)據(jù)，可以保證濾波模型的準(zhǔn)確性和濾波精度，同時(shí)保證各子系統(tǒng)工作穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3　采用誤差累加校正的組合導(dǎo)航系統(tǒng)閉環(huán)校正原理

4　系統(tǒng)性能測(cè)試

引起系統(tǒng)定位的主要誤差源有INS誤差模型、設(shè)備延遲、時(shí)鐘同步、位置基準(zhǔn)源、電波傳播、多徑等，其中部分誤差源是系統(tǒng)固有誤差。在實(shí)驗(yàn)室條件下，以3臺(tái)實(shí)裝設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，主要需進(jìn)行基于特定環(huán)境的INS測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)備P消息模擬。

INS測(cè)量數(shù)據(jù)由理論值和INS誤差量?jī)刹糠謽?gòu)成。理論值由慣導(dǎo)物理運(yùn)動(dòng)方程直接得到的數(shù)據(jù)。INS誤差量主要考慮由陀螺漂移和加速度零偏所引起的誤差，其它方面引起的導(dǎo)航誤差統(tǒng)一歸入系統(tǒng)噪聲。INS誤差量初始值模擬為均值為0、方差為σ2的高斯噪聲，并在濾波過(guò)程中按慣導(dǎo)誤差傳播方程更新，其1σ值見(jiàn)表1。

表1　INS初始誤差參數(shù)

表2為測(cè)試結(jié)果。可以看出，INS積累誤差的變大對(duì)濾波輸出結(jié)果有影響。但是隨著導(dǎo)航濾波器的收斂，濾波輸出結(jié)果仍能保持較好。

表2　組合導(dǎo)航處理濾波結(jié)果

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出的數(shù)據(jù)鏈與INS構(gòu)成組合導(dǎo)航處理器設(shè)計(jì)方法，經(jīng)工程化設(shè)備驗(yàn)證測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求，使系統(tǒng)獲得了數(shù)據(jù)更新率較高的多維精確導(dǎo)航信息。

［1］梅文化，蔡善法.JTIDS/LINK16數(shù)據(jù)鏈［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［2］劉凱，劉慧.GPS/INS組合制導(dǎo)技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］.全球定位系統(tǒng)，2005.

［3］秦永元，張洪鉞.卡爾曼濾波及組合導(dǎo)航原理.［B］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.