基于Link 16與DGPS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)

鄭曉東，叢 麗，秦紅磊，許 鵬

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191)

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng) (JTIDS)是美軍20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制、80年代開(kāi)始裝備的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，由TDMA協(xié)議，JTIDS波形和TADIL J消息標(biāo)準(zhǔn)組成，具有集成的通信、導(dǎo)航和識(shí)別能力［1-2］。為改善、增強(qiáng)JTIDS系統(tǒng)功能，JTIDS與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合逐漸為人所采用，其中JTIDS/INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)［3］得到了廣泛研究和應(yīng)用。隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航定位應(yīng)用到了各種領(lǐng)域，同時(shí)很多應(yīng)用對(duì)導(dǎo)航定位精度的要求也日趨提高，此時(shí)JTIDS/INS/GPS組合導(dǎo)航不能滿足這些應(yīng)用對(duì)高精度定位的要求。

將差分GPS［4］引入到 JTIDS/INS/GPS組合導(dǎo)航中，如果差分GPS的基準(zhǔn)站是獨(dú)立于JTIDS之外的，不能融入到整個(gè)JTIDS網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制和資源分配，將使得差分GPS的基準(zhǔn)站不容易控制，而且由于差分GPS的通信鏈路沒(méi)有使用Link 16一樣的抗干擾技術(shù)，因此傳輸差分信息時(shí)容易受到干擾，同時(shí)差分GPS為了傳輸偽距差分信息，需要專門的通信傳輸鏈路，占用了資源，使得整個(gè)系統(tǒng)趨向于復(fù)雜化。

為了實(shí)現(xiàn)差分GPS的偽距差分信息的高效傳輸，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化系統(tǒng)，節(jié)省資源，本文提出的JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)新體制，即組合導(dǎo)航系統(tǒng)中JTIDS的地理位置基準(zhǔn)同時(shí)作為差分GPS的基準(zhǔn)站，利用Link 16的通信鏈路傳輸偽距差分信息給網(wǎng)絡(luò)中其他成員，在新的體制下合理了設(shè)計(jì)偽距差分信息傳輸?shù)膬?nèi)容和傳輸格式。

1 JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)新體制總體工作流程

本文提出的JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)新體制工作示意圖如圖1所示，其工作流程為:JTIDS網(wǎng)絡(luò)中地理位置基準(zhǔn)兼任差分GPS的基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站每一幀12 s播發(fā)一次偽距差分信息，基準(zhǔn)站的導(dǎo)航時(shí)隙若為播發(fā)偽距差分信息時(shí)隙，則基準(zhǔn)站將偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率等差分信息，以TADIL J消息的格式通過(guò)Link 16的通信鏈路與P消息一起播發(fā)出去。若基準(zhǔn)站時(shí)隙不播發(fā)差分信息，則進(jìn)行RTT或者只播發(fā)P消息。其他成員在非自己播發(fā)時(shí)隙先進(jìn)行源選擇，地理位置基準(zhǔn)對(duì)其他成員均被選擇為源，如果接收到基準(zhǔn)站播發(fā)的偽距差分信息，先判斷是否在差分信息的作用區(qū)域，若是則對(duì)與基準(zhǔn)站共視星的偽距進(jìn)行修正;沒(méi)有接收到基準(zhǔn)站的差分信息則判斷之前接收到的差分信息是否有效，若有效則對(duì)相對(duì)應(yīng)的共視星進(jìn)行偽距修正，然后進(jìn)行組合導(dǎo)航濾波得到定位結(jié)果。

圖1 JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作

2 偽距差分信息內(nèi)容的選取與傳輸格式

JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)新體制中偽距修正數(shù)，偽距修正數(shù)等差分信息以TADIL J消息格式與P消息一起通過(guò)Link 16中的通信鏈路發(fā)送給其他成員，因此需要對(duì)傳輸?shù)膫尉嗖罘值膬?nèi)容進(jìn)行選擇和格式進(jìn)行設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)站傳輸?shù)膫尉嗖罘中畔?nèi)容選取參照RTCM SC-104中電文Type 1(差分GPS改正數(shù))和電文Type 2(△偽距改正值和△距離變化率改正值)［5］，偽距差分信息的傳輸格式嚴(yán)格按照TADIL J消息格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用TADIL J消息的P4SP封裝結(jié)構(gòu)，在一個(gè)導(dǎo)航時(shí)隙總共傳輸12個(gè)字，分兩個(gè)消息，其中第一個(gè)消息用來(lái)傳輸P消息，第二個(gè)消息用來(lái)傳輸偽距差分信息。

選擇傳輸電文Type 1時(shí)，需要發(fā)送的信息如下:①電文類型，1bit;②基站識(shí)別，1bit;③修正Z計(jì)數(shù)，13 bits;④基臺(tái)狀況，3 bits;⑤SF比例因子，1 bits;⑥衛(wèi)星識(shí)別ID，5 bits;⑦IOD數(shù)據(jù)發(fā)布日期，8bits;⑧偽距修正數(shù)PRC，16 bits;⑨偽距率修正數(shù)RRC，8bits;⑩相關(guān)距離D，8bits。

選擇傳輸Type2中如下偽距差分信息:①電文類型，1bit，0表示Type1，1表示Type2;②基站識(shí)別，1bit;③修正Z計(jì)數(shù)，13 bits;④基臺(tái)狀況，3 bits;⑤SF比例因子，1 bits;⑥衛(wèi)星識(shí)別ID，5 bits;⑦IOD數(shù)據(jù)發(fā)布日期，8bits;⑧△偽距修正數(shù)PRC，16 bits;⑨△偽距率修正數(shù)RRC，8bits;⑩相關(guān)距離D，8bits。

以傳輸偽距、偽距修正數(shù)變化率的J消息的初始字為例說(shuō)明格式，如圖2所示，每個(gè)初始字有5b的J系列標(biāo)識(shí)符、3b的J系列子標(biāo)識(shí) (7～9位)以及3b(10～12)的消息長(zhǎng)度指示符 (MLI)。

3 JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航定位解算的實(shí)現(xiàn)

文中采用聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)子濾波器和一個(gè)主濾波器。其中兩個(gè)子濾波器為DGPS/INS子濾波器和JTIDS/INS子濾波器，兩個(gè)子濾波器通過(guò)主濾波器融合得到最終的定位結(jié)果。

3.1 偽距修正

其他成員接收基準(zhǔn)站發(fā)送的P消息和偽距差分信息，若需要進(jìn)行偽距修正，則根據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送的偽距差分信息不同，進(jìn)行修正的方法也不同。

圖2 初始字格式

(1)若發(fā)送的是偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率信息，則修正過(guò)程如下:

第一，政策環(huán)境優(yōu)越，政府高度重視。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了遼寧省各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)上升為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略。第二，市場(chǎng)需求巨大，發(fā)展前景廣闊。

時(shí)刻t的偽距修正數(shù)為

式中:PRC(t0)——16bit的偽距修正數(shù)，RRC——8bit偽距修正數(shù)變化率。t0——由第二個(gè)頭字得到的修正Z計(jì)數(shù)。

(2)若基準(zhǔn)站發(fā)送的是偽距修正數(shù)、偽距修正數(shù)變化率和△偽距改正值和△距離變化率改正值，利用下式計(jì)算出正確的偽距改正值

式中:PRC(IOD2)——接收到電文1中的偽距修正數(shù)，△PRC(IOD1)——接收到得電文2中的△偽距改正值(由上一次PRC減去當(dāng)前PRC求得的)，RRC(IOD1)為接收到電文1中的偽距修正數(shù)變化率，t1是由第二個(gè)頭字得到的修正Z計(jì)數(shù)，△RRC(IOD1)接收到得電文2中的△距離變化率改正值 (由上一次RRC減去當(dāng)前RRC求得的)。

由用戶測(cè)量得到的偽距PRM (t) 最終糾正如下

3.2 JTIDS/INS子濾波器

JTIDS/INS子濾波器分解為高度濾波器和平面位置濾波器，高度濾波器的狀態(tài)量和觀測(cè)量分別為(即INS高度誤差δh和天向速度誤差δV)、Zbv=hB－h(huán)I(引入BA高度數(shù)據(jù)后，觀測(cè)量為BA輸出高度hB與INS輸出高度hI之差)，平面位置濾波器的狀態(tài)量和觀測(cè)量分別為Xh(其中e，n，u為 INS 東向、北向、天向平臺(tái)誤差角，δλ，δL為INS經(jīng)度和緯度誤差，δVe，δVn為INS東向、和北向速度誤差)、Zρ= ρTOA－ rc(相對(duì)導(dǎo)航用戶端機(jī)提供的TOA偽距差觀測(cè)量為測(cè)量偽距與計(jì)算距離之差)。

3.3 GPS/INS子濾波器

GPS/INS子 濾 波 器，其 狀 態(tài) 量 X = ［e(用戶位置誤差、速度誤差、姿態(tài)角、GPS時(shí)鐘的鐘差和頻差)，觀測(cè)量為GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供GPS測(cè)得的偽距ρGj和INS的計(jì)算偽距ρIj兩者得到的偽距之差ρGj－ρIj和兩者相應(yīng)的偽距率作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的偽距、偽距率。具體實(shí)現(xiàn)可以參閱參考文獻(xiàn)［1］。

4 仿真實(shí)現(xiàn)與分析

4.1 仿真條件

仿真中JTIDS網(wǎng)絡(luò)包含了10個(gè)成員，除地理位置基準(zhǔn)之外其他成員模擬為運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)成員，飛行軌跡包括平飛、轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖等飛行狀態(tài)。其中成員1和2的角色為地理位置基準(zhǔn) (GR)，且成員1兼任導(dǎo)航控制者 (NC)，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)的是成員3，能做有源校時(shí)的一級(jí)成員有4到7，剩下的成員是二級(jí)成員。JTIDS成員端機(jī)的參數(shù)為:時(shí)鐘頻率隨機(jī)誤差3×10－6/h，相關(guān)時(shí)間7200s，端機(jī)測(cè)距噪聲為10m(1 sigma)。GPS接收機(jī)的輸出頻率為1HZ，建立偽距模型如下

式中:r——接收機(jī)到衛(wèi)星之間的真實(shí)距離;δeph——衛(wèi)星星歷誤差，無(wú)差分設(shè)為2 m(1σ)，有差分時(shí)為0;δion——電離層延遲誤差，無(wú)差分時(shí)設(shè)為6 m(1σ)，有差分設(shè)為0.3 m(1σ)，且與播發(fā)偽距差分信息時(shí)間間隔的關(guān)系為0.08 m/s，與基準(zhǔn)站距離的關(guān)系為0.2 cm/Km;δtrop——對(duì)流層延遲誤差，無(wú)差分時(shí)設(shè)為2.4 m(1σ)，有差分設(shè)為0.2 m(1σ)，且與播發(fā)偽距差分信息時(shí)間間隔的關(guān)系為0.06 m/s，與基準(zhǔn)站距離的關(guān)系為2 cm/Km;c——光速，T——接收機(jī)鐘差;δmp——多徑誤差，無(wú)差分和有差分都為0.8 m(1σ);Vrevr——接收機(jī)噪聲，無(wú)差分和有差分都為0.4 m(1σ);δST——衛(wèi)星時(shí)鐘模型誤差，無(wú)差分設(shè)為2 m(1σ)，有差分時(shí)為0;偽距率誤差為0.1 m/s(1σ)。對(duì)于采用偽距差分信息的用戶站，還要考慮可見(jiàn)星，只有當(dāng)用戶站與基準(zhǔn)站有相同的可見(jiàn)星時(shí)，才應(yīng)用偽距差分信息。濾波周期為JTIDS導(dǎo)航時(shí)隙間隔0.0625 s，仿真時(shí)間為1000 s。本文以一級(jí)成員6為例給出不同情況的性能分析，所有成員在1000 s中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，成員6運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)的經(jīng)緯度為東經(jīng)112.7，北緯38.4。

圖3 成員1－10在1000s中的運(yùn)動(dòng)軌跡

4.2 仿真結(jié)果及分析

(1)無(wú)差分三組合和單基準(zhǔn)差分三組合性能比較

JTIDS/INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、單基準(zhǔn)JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真1000s時(shí)間的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差曲線比較如圖4所示，并統(tǒng)計(jì)了1000s時(shí)間緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值以及相對(duì)導(dǎo)航的圓概率誤差如圖5所示。

由圖5可以看出，單基準(zhǔn)應(yīng)用差分三組合導(dǎo)航較之JTIDS/INS/GPS的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值提高2 m左右，而相對(duì)導(dǎo)航的圓概率誤差要提高3.5 m左右。由于差分技術(shù)可以完全消除GPS偽距測(cè)量的衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差;大部分消除電離層誤差、對(duì)流層誤差，從而差分GPS較之單機(jī)GPS定位能顯著提高定位精度，進(jìn)而提高三組合導(dǎo)航定位精度。

(2)單基準(zhǔn)差分三組合和雙基準(zhǔn)差分三組合性能比較

單基準(zhǔn)JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)和雙基準(zhǔn)JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真1000 s時(shí)間的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差曲線比較如圖6所示，1000 s時(shí)間緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值以及相對(duì)導(dǎo)航的圓概率誤差比較如圖7所示。

由上圖可以看出，雙基準(zhǔn)三組合導(dǎo)航較之單基準(zhǔn)三組合導(dǎo)航的緯度、經(jīng)度和高度距離誤差的均方根值提高1m左右，而相對(duì)導(dǎo)航的圓概率誤差要提高1 m左右。由于2個(gè)差分基準(zhǔn)站使得應(yīng)用差分GPS區(qū)域增大，多成員網(wǎng)絡(luò)中更多成員可以利用差分信息，同時(shí)對(duì)于具體成員來(lái)說(shuō)，偽距差分信息的更新率提高，這都使得三組合導(dǎo)航定位精度提高。因此，差分基準(zhǔn)站越多，三組合導(dǎo)航性能提高越大，但是成本將會(huì)增大，系統(tǒng)越容易受到攻擊，抗干擾能力減弱。

5 結(jié)束語(yǔ)

鑒于Link 16保密性、強(qiáng)抗干擾性和較高的傳輸速率，差分GPS能消去測(cè)量偽距中大部分誤差從而提高定位精度，利用Link 16傳輸偽距差分信息的JTIDS/INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合Link 16和差分GPS的優(yōu)點(diǎn)，JTIDS的地理位置基準(zhǔn)兼任差分GPS的基準(zhǔn)站，讓整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系更加緊密，易于統(tǒng)一控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;應(yīng)用Link 16傳輸偽距差分信息，節(jié)省了差分GPS所需的獨(dú)立通信鏈路，充分利用了整個(gè)系統(tǒng)的資源，節(jié)省了成本，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)由于Link 16采用了各種加密和抗干擾技術(shù)，該方案提高了系統(tǒng)傳輸差分信息的抗干擾能力，使得系統(tǒng)的應(yīng)用性得到增強(qiáng)。通過(guò)VC++編程仿真實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了本文提出的方案的可行性與有效性，為實(shí)際應(yīng)用到對(duì)高精度定位要求環(huán)境與某些特定環(huán)境中提供了理論基礎(chǔ)。

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