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(yùn)輸事業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)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(jì)問(wèn)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(jī)提供自定位信息。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要使用美國(guó)GPS。由于它是由美國(guó)控制，常會(huì)由于戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí)間內(nèi)可由飛機(jī)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(shí)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(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)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(shí)質(zhì)是鏈接空中交通管制中心、機(jī)場(chǎng)、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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議，實(shí)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(shí)間長(zhǎng)、可靠性差等缺點(diǎn)，并且具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低的特點(diǎn)，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(jī)之間、飛機(jī)與地面管制員之間快速交換情報(bào)資料，共享各飛機(jī)掌握的所有情報(bào)，實(shí)時(shí)監(jiān)視空中飛機(jī)態(tài)勢(shì)，增強(qiáng)飛行員、地面管制員的態(tài)勢(shì)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(shí)間同步

航空器定位是基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間或到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量值，沒(méi)有精確的時(shí)間同步，系統(tǒng)所測(cè)得的信號(hào)到達(dá)時(shí)間或到達(dá)時(shí)間差就無(wú)法作為計(jì)算目標(biāo)位置的依據(jù)，所以高精度時(shí)間頻率同步系統(tǒng)是時(shí)間測(cè)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(shí)，需要完成多批次、多任務(wù)、海量信息的高速實(shí)時(shí)傳輸。當(dāng)利用多部通信設(shè)備組成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以在多個(gè)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(gè)空域。

1．3 布站形式

地面臺(tái)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(wú)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(gè)獨(dú)立的定位系統(tǒng)的地面部分由四個(gè)基站組成。其中一臺(tái)為主控站，其余為輔站，如圖l所示。

主控站，為整個(gè)定位系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，保證地面各基站的時(shí)間同步。主站要協(xié)調(diào)地面各基站以固定周期向飛機(jī)發(fā)送定位測(cè)量信息。

輔站，在地面主站的協(xié)調(diào)下，保持與主站的時(shí)間同步，并以固定周期向空中發(fā)送定位測(cè)量信息，信息內(nèi)容包括基站端機(jī)號(hào)、定位測(cè)量信息發(fā)送時(shí)間等。

機(jī)載終端接收機(jī)，同時(shí)接收地面各基站發(fā)送的定位測(cè)量信息，在定位信息處理單元獲取定位信號(hào)由地面基站到機(jī)載平臺(tái)接收機(jī)的傳播時(shí)延（TOA），估計(jì)各地面基站與空中平臺(tái)之間的偽距(因時(shí)鐘同步誤差，所測(cè)距離并非真實(shí)距離)；融合基站三維坐標(biāo)，解算機(jī)載終端的位置坐標(biāo)。

圖1 定位示意圖

3 定位實(shí)現(xiàn)機(jī)理

系統(tǒng)定位以地面基站和機(jī)載接收機(jī)之間的距離觀測(cè)值為基準(zhǔn)，每個(gè)地面基站與被定位航空器之間的測(cè)距可確定一個(gè)定位球面，四個(gè)基站確定的定位球面便可相交于唯一的載機(jī)位置，并根據(jù)已知的地面臺(tái)站坐標(biāo)，來(lái)解算機(jī)載接收機(jī)所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)。

為確定機(jī)載接收機(jī)的位置，只需要3個(gè)獨(dú)立距離觀測(cè)值即可。但是考慮到地面臺(tái)站與機(jī)載接收機(jī)時(shí)鐘之間難以保持嚴(yán)格同步，所以，可將其作為一個(gè)未知參數(shù)在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，單個(gè)獨(dú)立定位系統(tǒng)地面部分必須設(shè)立4個(gè)以上地面基站。

如果地面部分以多基站布置，機(jī)載接收機(jī)可同時(shí)接收多于4個(gè)基站的信號(hào)，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(huì)得到更準(zhǔn)確的解。

4 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

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(jī)載接收機(jī)根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)區(qū)分來(lái)自各個(gè)基站的定位信號(hào)。在實(shí)現(xiàn)定位的整個(gè)過(guò)程中，航空器無(wú)需發(fā)射信號(hào)，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(cè)量信號(hào)，定位信號(hào)的接收、信號(hào)傳播時(shí)延TOA的提取、偽距測(cè)量、定位解算等過(guò)程完全由機(jī)載接收機(jī)來(lái)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(wèn)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(tái)無(wú)需作較多改動(dòng)。

定位測(cè)量信號(hào)的接收機(jī)和定位信息處理單元基于機(jī)載終端，需對(duì)機(jī)載數(shù)傳端機(jī)做較大改動(dòng)。

該系統(tǒng)的定位依據(jù)是定位測(cè)量信號(hào)由地面基站到機(jī)載接收機(jī)的傳播時(shí)延TOA。TOA定位精度較高，但對(duì)時(shí)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(jī)載接收機(jī)之間的時(shí)間同步。

5 結(jié)束語(yǔ)

地空數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)將能實(shí)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(jì)，分析了其關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性，以增強(qiáng)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(wú)源定位技術(shù)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)版社，1996．18l～182

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