龐海濱+陳啟水+劉冬利

摘 要： 多被動(dòng)傳感器測向交叉定位精度與傳感器之間協(xié)同信息的傳輸距離（基線長度）直接相關(guān)。被動(dòng)傳感器實(shí)施測向交叉定位時(shí)的基線長度較短將導(dǎo)致定位精度不高，無法滿足武器打擊的目指精度要求。針對此問題，提出了基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位協(xié)同信息遠(yuǎn)程傳輸方案，并對其技術(shù)可行性和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。該方案能夠極大地延長基線長度，顯著提高多被動(dòng)傳感器的測向交叉定位精度。

關(guān)鍵字： 北斗短報(bào)文； 測向交叉定位； 通信協(xié)議； 差錯(cuò)控制

中圖分類號： TN957.52?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0013?04

Study on method of cooperative information remote transmission

for bearing?only location

PANG Hai?bin1， CHEN Qi?shui2， LIU Dong?li1

（1. Dalian Naval Academy， Dalian 116018， China； 2. The 702 Factory of Navy， Shanghai 200434， China）

Abstract： Positioning accuracy of the bearing?only location system with multiple passive sensors is closely related to the transmission distance （baseline length） of cooperative information between the passive sensors. If the baseline length of the bearing?only location system with multiple passive sensors is short， the positioning accuracy will be too low to meet the requirement of the target indication accuracy for weapon attacking. The cooperative information remote transmission scheme based on the Beidou short?message communication isproposed to solve this problem. Its technical feasibility and implementation method is researched. The scheme can greatly increase the baseline length， and significantly improve the positioning accuracy for the bearing?only location system with multiple passive sensors.

Keywords： Beidou short message； bearing?only location； communication protocol； error control

0 引 言

被動(dòng)探測由于具有隱蔽性好、探測距離遠(yuǎn)、目標(biāo)識別和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠大大增強(qiáng)水面艦艇在現(xiàn)代海戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存力[1?2]。被動(dòng)測向交叉定位是較為常用的一種協(xié)同定位方法。研究發(fā)現(xiàn)被動(dòng)傳感器的協(xié)同距離，也就是基線長度越長，測向交叉定位的精度越高[3?4]?；€長度主要取決于被動(dòng)傳感器之間的通信作用距離。目前水面艦艇測向交叉定位所采用的微波協(xié)同定位信息傳輸手段作用距離較近，導(dǎo)致協(xié)同定位精度偏低，滿足不了武器打擊的目指精度要求。因此，迫切需要一種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸手段用于艦載被動(dòng)傳感器的測向交叉定位協(xié)同信息交換。

2012年12月北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，其服務(wù)區(qū)域覆蓋了我國全境、西太平洋及南海廣大海域。北斗系統(tǒng)所獨(dú)有的短報(bào)文通信功能可以實(shí)現(xiàn)用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報(bào)文通信，作用距離能夠跨越北斗系統(tǒng)的整個(gè)服務(wù)區(qū)域。同時(shí)，北斗短報(bào)文通信作為一種可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸手段，目前在通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[5?8]。

為此，本文提出利用北斗短報(bào)文遠(yuǎn)程通信手段增加基線長度，提高協(xié)同定位精度的艦載被動(dòng)傳感器測向交叉定位方案。本文在簡單介紹測向交叉定位工作原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)北斗短報(bào)文通信的技術(shù)指標(biāo)對方案進(jìn)行可行性分析；然后從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作流程、通信協(xié)議和差錯(cuò)控制四個(gè)方面對方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 測向交叉定位工作原理

測向交叉定位工作原理如圖1所示。

由圖1可以看出，測向交叉定位主要分為以下三個(gè)階段：

圖1 測向交叉定位工作原理

（1） 建立通信

發(fā)起方發(fā)送建立通信申請報(bào)文，其主要內(nèi)容為發(fā)起方通信地址、時(shí)間信息和發(fā)起方位置信息。協(xié)同方接收后結(jié)合自己位置解算發(fā)起方方位距離，并準(zhǔn)備發(fā)回響應(yīng)報(bào)文。協(xié)同方發(fā)送建立通信響應(yīng)報(bào)文，其內(nèi)容包括時(shí)間信息和協(xié)同方位置信息，發(fā)起方接收后結(jié)合自己位置解算協(xié)同方方位距離，并確認(rèn)雙方通信建立完畢。

（2） 確定定位目標(biāo)

發(fā)起方發(fā)送協(xié)同定位申請報(bào)文，其中包含了時(shí)間信息、發(fā)起方位置信息、協(xié)同探測目標(biāo)批號、目標(biāo)輻射源載頻、脈寬、重復(fù)頻率信息，協(xié)同方接收后確認(rèn)協(xié)同定位目標(biāo)，準(zhǔn)備開始協(xié)同定位。

（3） 解算目標(biāo)位置

現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹比較多的測向交叉定位方法是先計(jì)算出定位誤差的非線性最小二乘估計(jì)初始值，再利用迭代法得到目標(biāo)位置的最優(yōu)估計(jì)[9?10]。因此，協(xié)同方需發(fā)送協(xié)同定位報(bào)文，將時(shí)間信息、協(xié)同探測目標(biāo)批號、目標(biāo)方位、協(xié)同方位置信息提供給發(fā)起方。發(fā)起方接收后解算出定位誤差最小二乘估計(jì)的初始值，并返回一個(gè)包含已完成迭代運(yùn)算次數(shù)的響應(yīng)報(bào)文，初始值設(shè)為0。協(xié)同方根據(jù)響應(yīng)報(bào)文繼續(xù)向發(fā)起方發(fā)送目標(biāo)方位信息直到迭代運(yùn)算次數(shù)滿足要求后停止發(fā)送協(xié)同定位報(bào)文，協(xié)同定位結(jié)束。

2 北斗短報(bào)文應(yīng)用于測向交叉定位的可行性

分析

將北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同定位信息傳輸手段，應(yīng)用于測向交叉定位的可行性分析如下：

（1） 數(shù)據(jù)量

北斗短報(bào)文通信采用ASCII編碼，每次的內(nèi)容長度不超過200 B。根據(jù)前面對各種協(xié)同報(bào)文內(nèi)容的分析，北斗信道的通信數(shù)據(jù)量完全可以滿足測向交叉定位協(xié)同信息交換的要求。

（2） 數(shù)據(jù)率

本文提出的基于北斗信道的測向交叉定位是以海上目標(biāo)作為探測對象，運(yùn)動(dòng)速度較慢。北斗短報(bào)文通信的服務(wù)頻度根據(jù)用戶等級區(qū)分為1 s，10 s，30 s，60 s，通信服務(wù)響應(yīng)時(shí)間在1 s左右[5]。選用較高等級的用戶卡完全能夠滿足被動(dòng)傳感器對目標(biāo)快速連續(xù)跟蹤定位的要求。

（3） 通信距離

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)都可以進(jìn)行北斗短報(bào)文通信。目前已建成的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域涵蓋了我國及周邊地區(qū)，且北斗短報(bào)文通信不存在盲區(qū)，因此其作用距離幾乎不受限制。

（4） 可靠性與安全性

北斗短報(bào)文通信采用擴(kuò)頻通信傳輸方式，具有較強(qiáng)的抗干擾、抗噪音、抗多路徑衰減能力。由于其頻譜密度較低，因此還具有隱蔽性和低的截獲概率。北斗終端根據(jù)SIM卡生成的惟一擴(kuò)頻碼將短報(bào)文通信上行數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星，北斗地面控制中心則將短報(bào)文通信下行數(shù)據(jù)送到用戶終端后通過SIM卡進(jìn)行解密，從而實(shí)現(xiàn)了保密通信[6]。

3 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案主要是采用北斗短報(bào)文通信替換原有的協(xié)同定位信息傳輸手段。在每個(gè)協(xié)同定位單元在增設(shè)一個(gè)北斗用戶機(jī)的基礎(chǔ)上，再加載一臺(tái)PC機(jī)作為協(xié)同信息處理設(shè)備。北斗用戶機(jī)負(fù)責(zé)提供艦艇位置信息和建立北斗短報(bào)文通信；被動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)目標(biāo)輻射源探測和識別；PC機(jī)負(fù)責(zé)對北斗用戶機(jī)進(jìn)行通信控制，獲取協(xié)同定位艦艇相對態(tài)勢和解算協(xié)同定位目標(biāo)位置?？傮w設(shè)計(jì)方案原理如圖2所示。

3.2 工作流程

北斗用戶機(jī)、PC機(jī)和被動(dòng)傳感器開機(jī)后，PC機(jī)自動(dòng)接收被動(dòng)傳感器探測到的目標(biāo)輻射特征信息和識別信息，同時(shí)控制北斗用戶機(jī)依次向各協(xié)同艦艇發(fā)送含有本艦位置信息的短報(bào)文，并自動(dòng)接收其他艦艇發(fā)送的位置信息，形成態(tài)勢圖。操作員在PC機(jī)的目標(biāo)輻射源列表中選定目標(biāo)后，再選擇與本艦和目標(biāo)構(gòu)成較佳的相對位置關(guān)系（等腰三角形）的艦艇進(jìn)行協(xié)同定位。PC機(jī)控制北斗用戶機(jī)與協(xié)同艦艇建立通信后，按照圖1所示的測向交叉定位工作流程生成協(xié)同報(bào)文與協(xié)同定位艦艇進(jìn)行信息交換，最終完成目標(biāo)位置的解算。得到的目標(biāo)位置可以通過Socket通信傳回被動(dòng)傳感器，由被動(dòng)傳感器發(fā)送到作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡(luò)，為指揮決策和武器使用提供目標(biāo)指示。

圖2 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案原理圖

3.3 通信協(xié)議

本文用串口通信將北斗用戶機(jī)與PC機(jī)連接起來， 其通信協(xié)議的各種功能是通過指令方式實(shí)現(xiàn)的。北斗用戶機(jī)的指令可以分為定位類、通信類、查詢類、授時(shí)類和狀態(tài)類等。通過這些指令，PC機(jī)可以自動(dòng)接收北斗用戶機(jī)上報(bào)的本艦艦位、時(shí)間校準(zhǔn)信息，及其從協(xié)同艦收到的協(xié)同報(bào)文；也可以實(shí)現(xiàn)控制北斗用戶機(jī)與指定協(xié)同艦建立通信，改變北斗用戶機(jī)工作參數(shù)等功能。

PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式如圖3所示。

圖3 PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式

指令信息各個(gè)區(qū)段意義見表1。

命令碼用來標(biāo)示指令信息類型，具體類型見表2。

3.4 差錯(cuò)控制

北斗短報(bào)文通信有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息丟失或出錯(cuò)的現(xiàn)象[9]，而北斗用戶機(jī)本身不具有差錯(cuò)控制的能力，因此只能在PC機(jī)的串口通信軟件設(shè)計(jì)中引入相應(yīng)的差錯(cuò)檢測和糾正機(jī)制。報(bào)文丟失可以通過發(fā)送響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行檢測；報(bào)文內(nèi)容出錯(cuò)可以通過校驗(yàn)碼檢測。丟失或出錯(cuò)的報(bào)文可以通過相應(yīng)的報(bào)文重發(fā)控制機(jī)制由發(fā)送方進(jìn)行補(bǔ)發(fā)。報(bào)文重傳控制流程如圖4所示。

圖4 報(bào)文重傳控制流程

協(xié)同定位方在接收到一個(gè)協(xié)同報(bào)文后應(yīng)立即向報(bào)文發(fā)送方發(fā)送一個(gè)響應(yīng)報(bào)文，如果對方在發(fā)送報(bào)文后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到響應(yīng)報(bào)文，應(yīng)當(dāng)重發(fā)報(bào)文。這里通過設(shè)定重發(fā)次數(shù)上限[n，]防止報(bào)文重發(fā)進(jìn)入死循環(huán)。報(bào)文重發(fā)規(guī)定次數(shù)不能太多，否則會(huì)影響傳輸效率。通過設(shè)置重傳等待時(shí)間[Tw]控制報(bào)文重傳。重傳等待時(shí)間設(shè)置太長，會(huì)北斗信道空閑時(shí)間增大，降低了傳輸效率；設(shè)置太短，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判發(fā)送報(bào)文丟失，從而引起很多不必要的報(bào)文重傳，增大了北斗信道負(fù)擔(dān)。容易看出，重傳等待時(shí)間[Tw]應(yīng)略大于最大報(bào)文往返時(shí)間[Tb。]報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]與北斗終端的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間[Tr、]通信服務(wù)時(shí)間間隔[Tf]有關(guān)。

假設(shè)協(xié)同雙方北斗終端的通信服務(wù)時(shí)間間隔相同，則報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]可以按下式得到：

[Tb=Tr+Tf×2]

4 結(jié) 語

本文針對目前艦載被動(dòng)傳感器進(jìn)行測向交叉定位時(shí)基線長度較短，定位精度不高的問題，在深入分析測向交叉定位工作原理和北斗短報(bào)文通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于北斗短報(bào)文通信的測向交叉定位方案，并對方案的可行性和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式向我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)，未來其服務(wù)區(qū)域?qū)⒏采w全球。采用北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同信息傳輸手段，將使被動(dòng)探測裝備的測向交叉定位擺脫通信作用距離和通信服務(wù)區(qū)域的限制。另外，普通北斗終端只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的報(bào)文通信，而北斗指揮機(jī)具有短報(bào)文通播功能，利用北斗指揮機(jī)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)以上被動(dòng)傳感器同時(shí)進(jìn)行測向交叉定位將是下一步的研究方向。因此，北斗短報(bào)文通信在多被動(dòng)傳感器測向交叉定位領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。

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2 北斗短報(bào)文應(yīng)用于測向交叉定位的可行性

分析

將北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同定位信息傳輸手段，應(yīng)用于測向交叉定位的可行性分析如下：

（1） 數(shù)據(jù)量

北斗短報(bào)文通信采用ASCII編碼，每次的內(nèi)容長度不超過200 B。根據(jù)前面對各種協(xié)同報(bào)文內(nèi)容的分析，北斗信道的通信數(shù)據(jù)量完全可以滿足測向交叉定位協(xié)同信息交換的要求。

（2） 數(shù)據(jù)率

本文提出的基于北斗信道的測向交叉定位是以海上目標(biāo)作為探測對象，運(yùn)動(dòng)速度較慢。北斗短報(bào)文通信的服務(wù)頻度根據(jù)用戶等級區(qū)分為1 s，10 s，30 s，60 s，通信服務(wù)響應(yīng)時(shí)間在1 s左右[5]。選用較高等級的用戶卡完全能夠滿足被動(dòng)傳感器對目標(biāo)快速連續(xù)跟蹤定位的要求。

（3） 通信距離

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)都可以進(jìn)行北斗短報(bào)文通信。目前已建成的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域涵蓋了我國及周邊地區(qū)，且北斗短報(bào)文通信不存在盲區(qū)，因此其作用距離幾乎不受限制。

（4） 可靠性與安全性

北斗短報(bào)文通信采用擴(kuò)頻通信傳輸方式，具有較強(qiáng)的抗干擾、抗噪音、抗多路徑衰減能力。由于其頻譜密度較低，因此還具有隱蔽性和低的截獲概率。北斗終端根據(jù)SIM卡生成的惟一擴(kuò)頻碼將短報(bào)文通信上行數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星，北斗地面控制中心則將短報(bào)文通信下行數(shù)據(jù)送到用戶終端后通過SIM卡進(jìn)行解密，從而實(shí)現(xiàn)了保密通信[6]。

3 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案主要是采用北斗短報(bào)文通信替換原有的協(xié)同定位信息傳輸手段。在每個(gè)協(xié)同定位單元在增設(shè)一個(gè)北斗用戶機(jī)的基礎(chǔ)上，再加載一臺(tái)PC機(jī)作為協(xié)同信息處理設(shè)備。北斗用戶機(jī)負(fù)責(zé)提供艦艇位置信息和建立北斗短報(bào)文通信；被動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)目標(biāo)輻射源探測和識別；PC機(jī)負(fù)責(zé)對北斗用戶機(jī)進(jìn)行通信控制，獲取協(xié)同定位艦艇相對態(tài)勢和解算協(xié)同定位目標(biāo)位置?？傮w設(shè)計(jì)方案原理如圖2所示。

3.2 工作流程

北斗用戶機(jī)、PC機(jī)和被動(dòng)傳感器開機(jī)后，PC機(jī)自動(dòng)接收被動(dòng)傳感器探測到的目標(biāo)輻射特征信息和識別信息，同時(shí)控制北斗用戶機(jī)依次向各協(xié)同艦艇發(fā)送含有本艦位置信息的短報(bào)文，并自動(dòng)接收其他艦艇發(fā)送的位置信息，形成態(tài)勢圖。操作員在PC機(jī)的目標(biāo)輻射源列表中選定目標(biāo)后，再選擇與本艦和目標(biāo)構(gòu)成較佳的相對位置關(guān)系（等腰三角形）的艦艇進(jìn)行協(xié)同定位。PC機(jī)控制北斗用戶機(jī)與協(xié)同艦艇建立通信后，按照圖1所示的測向交叉定位工作流程生成協(xié)同報(bào)文與協(xié)同定位艦艇進(jìn)行信息交換，最終完成目標(biāo)位置的解算。得到的目標(biāo)位置可以通過Socket通信傳回被動(dòng)傳感器，由被動(dòng)傳感器發(fā)送到作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡(luò)，為指揮決策和武器使用提供目標(biāo)指示。

圖2 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案原理圖

3.3 通信協(xié)議

本文用串口通信將北斗用戶機(jī)與PC機(jī)連接起來， 其通信協(xié)議的各種功能是通過指令方式實(shí)現(xiàn)的。北斗用戶機(jī)的指令可以分為定位類、通信類、查詢類、授時(shí)類和狀態(tài)類等。通過這些指令，PC機(jī)可以自動(dòng)接收北斗用戶機(jī)上報(bào)的本艦艦位、時(shí)間校準(zhǔn)信息，及其從協(xié)同艦收到的協(xié)同報(bào)文；也可以實(shí)現(xiàn)控制北斗用戶機(jī)與指定協(xié)同艦建立通信，改變北斗用戶機(jī)工作參數(shù)等功能。

PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式如圖3所示。

圖3 PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式

指令信息各個(gè)區(qū)段意義見表1。

命令碼用來標(biāo)示指令信息類型，具體類型見表2。

3.4 差錯(cuò)控制

北斗短報(bào)文通信有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息丟失或出錯(cuò)的現(xiàn)象[9]，而北斗用戶機(jī)本身不具有差錯(cuò)控制的能力，因此只能在PC機(jī)的串口通信軟件設(shè)計(jì)中引入相應(yīng)的差錯(cuò)檢測和糾正機(jī)制。報(bào)文丟失可以通過發(fā)送響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行檢測；報(bào)文內(nèi)容出錯(cuò)可以通過校驗(yàn)碼檢測。丟失或出錯(cuò)的報(bào)文可以通過相應(yīng)的報(bào)文重發(fā)控制機(jī)制由發(fā)送方進(jìn)行補(bǔ)發(fā)。報(bào)文重傳控制流程如圖4所示。

圖4 報(bào)文重傳控制流程

協(xié)同定位方在接收到一個(gè)協(xié)同報(bào)文后應(yīng)立即向報(bào)文發(fā)送方發(fā)送一個(gè)響應(yīng)報(bào)文，如果對方在發(fā)送報(bào)文后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到響應(yīng)報(bào)文，應(yīng)當(dāng)重發(fā)報(bào)文。這里通過設(shè)定重發(fā)次數(shù)上限[n，]防止報(bào)文重發(fā)進(jìn)入死循環(huán)。報(bào)文重發(fā)規(guī)定次數(shù)不能太多，否則會(huì)影響傳輸效率。通過設(shè)置重傳等待時(shí)間[Tw]控制報(bào)文重傳。重傳等待時(shí)間設(shè)置太長，會(huì)北斗信道空閑時(shí)間增大，降低了傳輸效率；設(shè)置太短，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判發(fā)送報(bào)文丟失，從而引起很多不必要的報(bào)文重傳，增大了北斗信道負(fù)擔(dān)。容易看出，重傳等待時(shí)間[Tw]應(yīng)略大于最大報(bào)文往返時(shí)間[Tb。]報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]與北斗終端的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間[Tr、]通信服務(wù)時(shí)間間隔[Tf]有關(guān)。

假設(shè)協(xié)同雙方北斗終端的通信服務(wù)時(shí)間間隔相同，則報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]可以按下式得到：

[Tb=Tr+Tf×2]

4 結(jié) 語

本文針對目前艦載被動(dòng)傳感器進(jìn)行測向交叉定位時(shí)基線長度較短，定位精度不高的問題，在深入分析測向交叉定位工作原理和北斗短報(bào)文通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于北斗短報(bào)文通信的測向交叉定位方案，并對方案的可行性和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式向我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)，未來其服務(wù)區(qū)域?qū)⒏采w全球。采用北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同信息傳輸手段，將使被動(dòng)探測裝備的測向交叉定位擺脫通信作用距離和通信服務(wù)區(qū)域的限制。另外，普通北斗終端只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的報(bào)文通信，而北斗指揮機(jī)具有短報(bào)文通播功能，利用北斗指揮機(jī)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)以上被動(dòng)傳感器同時(shí)進(jìn)行測向交叉定位將是下一步的研究方向。因此，北斗短報(bào)文通信在多被動(dòng)傳感器測向交叉定位領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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2 北斗短報(bào)文應(yīng)用于測向交叉定位的可行性

分析

將北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同定位信息傳輸手段，應(yīng)用于測向交叉定位的可行性分析如下：

（1） 數(shù)據(jù)量

北斗短報(bào)文通信采用ASCII編碼，每次的內(nèi)容長度不超過200 B。根據(jù)前面對各種協(xié)同報(bào)文內(nèi)容的分析，北斗信道的通信數(shù)據(jù)量完全可以滿足測向交叉定位協(xié)同信息交換的要求。

（2） 數(shù)據(jù)率

本文提出的基于北斗信道的測向交叉定位是以海上目標(biāo)作為探測對象，運(yùn)動(dòng)速度較慢。北斗短報(bào)文通信的服務(wù)頻度根據(jù)用戶等級區(qū)分為1 s，10 s，30 s，60 s，通信服務(wù)響應(yīng)時(shí)間在1 s左右[5]。選用較高等級的用戶卡完全能夠滿足被動(dòng)傳感器對目標(biāo)快速連續(xù)跟蹤定位的要求。

（3） 通信距離

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)都可以進(jìn)行北斗短報(bào)文通信。目前已建成的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域涵蓋了我國及周邊地區(qū)，且北斗短報(bào)文通信不存在盲區(qū)，因此其作用距離幾乎不受限制。

（4） 可靠性與安全性

北斗短報(bào)文通信采用擴(kuò)頻通信傳輸方式，具有較強(qiáng)的抗干擾、抗噪音、抗多路徑衰減能力。由于其頻譜密度較低，因此還具有隱蔽性和低的截獲概率。北斗終端根據(jù)SIM卡生成的惟一擴(kuò)頻碼將短報(bào)文通信上行數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星，北斗地面控制中心則將短報(bào)文通信下行數(shù)據(jù)送到用戶終端后通過SIM卡進(jìn)行解密，從而實(shí)現(xiàn)了保密通信[6]。

3 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案主要是采用北斗短報(bào)文通信替換原有的協(xié)同定位信息傳輸手段。在每個(gè)協(xié)同定位單元在增設(shè)一個(gè)北斗用戶機(jī)的基礎(chǔ)上，再加載一臺(tái)PC機(jī)作為協(xié)同信息處理設(shè)備。北斗用戶機(jī)負(fù)責(zé)提供艦艇位置信息和建立北斗短報(bào)文通信；被動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)目標(biāo)輻射源探測和識別；PC機(jī)負(fù)責(zé)對北斗用戶機(jī)進(jìn)行通信控制，獲取協(xié)同定位艦艇相對態(tài)勢和解算協(xié)同定位目標(biāo)位置?？傮w設(shè)計(jì)方案原理如圖2所示。

3.2 工作流程

北斗用戶機(jī)、PC機(jī)和被動(dòng)傳感器開機(jī)后，PC機(jī)自動(dòng)接收被動(dòng)傳感器探測到的目標(biāo)輻射特征信息和識別信息，同時(shí)控制北斗用戶機(jī)依次向各協(xié)同艦艇發(fā)送含有本艦位置信息的短報(bào)文，并自動(dòng)接收其他艦艇發(fā)送的位置信息，形成態(tài)勢圖。操作員在PC機(jī)的目標(biāo)輻射源列表中選定目標(biāo)后，再選擇與本艦和目標(biāo)構(gòu)成較佳的相對位置關(guān)系（等腰三角形）的艦艇進(jìn)行協(xié)同定位。PC機(jī)控制北斗用戶機(jī)與協(xié)同艦艇建立通信后，按照圖1所示的測向交叉定位工作流程生成協(xié)同報(bào)文與協(xié)同定位艦艇進(jìn)行信息交換，最終完成目標(biāo)位置的解算。得到的目標(biāo)位置可以通過Socket通信傳回被動(dòng)傳感器，由被動(dòng)傳感器發(fā)送到作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡(luò)，為指揮決策和武器使用提供目標(biāo)指示。

圖2 基于北斗短報(bào)文的測向交叉定位方案原理圖

3.3 通信協(xié)議

本文用串口通信將北斗用戶機(jī)與PC機(jī)連接起來， 其通信協(xié)議的各種功能是通過指令方式實(shí)現(xiàn)的。北斗用戶機(jī)的指令可以分為定位類、通信類、查詢類、授時(shí)類和狀態(tài)類等。通過這些指令，PC機(jī)可以自動(dòng)接收北斗用戶機(jī)上報(bào)的本艦艦位、時(shí)間校準(zhǔn)信息，及其從協(xié)同艦收到的協(xié)同報(bào)文；也可以實(shí)現(xiàn)控制北斗用戶機(jī)與指定協(xié)同艦建立通信，改變北斗用戶機(jī)工作參數(shù)等功能。

PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式如圖3所示。

圖3 PC機(jī)向北斗用戶機(jī)發(fā)送的指令信息格式

指令信息各個(gè)區(qū)段意義見表1。

命令碼用來標(biāo)示指令信息類型，具體類型見表2。

3.4 差錯(cuò)控制

北斗短報(bào)文通信有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息丟失或出錯(cuò)的現(xiàn)象[9]，而北斗用戶機(jī)本身不具有差錯(cuò)控制的能力，因此只能在PC機(jī)的串口通信軟件設(shè)計(jì)中引入相應(yīng)的差錯(cuò)檢測和糾正機(jī)制。報(bào)文丟失可以通過發(fā)送響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行檢測；報(bào)文內(nèi)容出錯(cuò)可以通過校驗(yàn)碼檢測。丟失或出錯(cuò)的報(bào)文可以通過相應(yīng)的報(bào)文重發(fā)控制機(jī)制由發(fā)送方進(jìn)行補(bǔ)發(fā)。報(bào)文重傳控制流程如圖4所示。

圖4 報(bào)文重傳控制流程

協(xié)同定位方在接收到一個(gè)協(xié)同報(bào)文后應(yīng)立即向報(bào)文發(fā)送方發(fā)送一個(gè)響應(yīng)報(bào)文，如果對方在發(fā)送報(bào)文后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到響應(yīng)報(bào)文，應(yīng)當(dāng)重發(fā)報(bào)文。這里通過設(shè)定重發(fā)次數(shù)上限[n，]防止報(bào)文重發(fā)進(jìn)入死循環(huán)。報(bào)文重發(fā)規(guī)定次數(shù)不能太多，否則會(huì)影響傳輸效率。通過設(shè)置重傳等待時(shí)間[Tw]控制報(bào)文重傳。重傳等待時(shí)間設(shè)置太長，會(huì)北斗信道空閑時(shí)間增大，降低了傳輸效率；設(shè)置太短，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判發(fā)送報(bào)文丟失，從而引起很多不必要的報(bào)文重傳，增大了北斗信道負(fù)擔(dān)。容易看出，重傳等待時(shí)間[Tw]應(yīng)略大于最大報(bào)文往返時(shí)間[Tb。]報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]與北斗終端的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間[Tr、]通信服務(wù)時(shí)間間隔[Tf]有關(guān)。

假設(shè)協(xié)同雙方北斗終端的通信服務(wù)時(shí)間間隔相同，則報(bào)文最大往返時(shí)間[Tb]可以按下式得到：

[Tb=Tr+Tf×2]

4 結(jié) 語

本文針對目前艦載被動(dòng)傳感器進(jìn)行測向交叉定位時(shí)基線長度較短，定位精度不高的問題，在深入分析測向交叉定位工作原理和北斗短報(bào)文通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于北斗短報(bào)文通信的測向交叉定位方案，并對方案的可行性和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式向我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)，未來其服務(wù)區(qū)域?qū)⒏采w全球。采用北斗短報(bào)文通信作為協(xié)同信息傳輸手段，將使被動(dòng)探測裝備的測向交叉定位擺脫通信作用距離和通信服務(wù)區(qū)域的限制。另外，普通北斗終端只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的報(bào)文通信，而北斗指揮機(jī)具有短報(bào)文通播功能，利用北斗指揮機(jī)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)以上被動(dòng)傳感器同時(shí)進(jìn)行測向交叉定位將是下一步的研究方向。因此，北斗短報(bào)文通信在多被動(dòng)傳感器測向交叉定位領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。

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