基于地空數據鏈的空中定位系統設計

亓沂濱 周鵬 謝洪森

1．海司信息化部， 北京 100084 2．海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041

引言

隨著現代航空業的迅猛發展，航空運輸事業持續增長，傳統的點到點的航路引導模式已不適應空中交通管理要求，基于航空器自定位的空中定位系統將是解決更為有效的航路設計問題，提高空中交通容量的發展趨向。

目前世界上主要采用衛星導航定位系統和慣性導航系統為飛機提供自定位信息。衛星導航定位系統主要使用美國GPS。由于它是由美國控制，常會由于戰爭等因素關閉或施加干擾。慣性制導系統在給定初始定位信息后，短時間內可由飛機自身完成定位工作，但要適當修正慣性導航系統隨時間增加產生的積累誤差，以保證慣性導航系統工作的準確性。

數據鏈作為地空通信的重要手段，是新航行系統的重要組成部分，可通過數據鏈實現定位功能。

1 地空數據鏈定位相關技術

數據鏈實質是鏈接空中交通管制中心、機場、航空器的一種信息處理、交換和分發系統。它主要是采用無線網絡通信技術和應用協議，實現地空之間的數據信息交換。

地空數據鏈系統克服了地空話音通信系統傳輸速度慢、占用信道時間長、可靠性差等缺點，并且具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點，獲得了廣泛的應用。

地空數據鏈的基本作用是利用數據通信手段保證飛機之間、飛機與地面管制員之間快速交換情報資料，共享各飛機掌握的所有情報，實時監視空中飛機態勢，增強飛行員、地面管制員的態勢認知能力，保證飛行安全。

地空數據鏈中涉及定位相關技術主要包括：網絡同步、工作模式、組網方式、調制方式、布站形式、碼速率等。

1．1 網絡時間同步

航空器定位是基于信號到達時間或到達時間差的測量值，沒有精確的時間同步，系統所測得的信號到達時間或到達時間差就無法作為計算目標位置的依據，所以高精度時間頻率同步系統是時間測量的根本前提。

1．2 組網方式

多網信息傳輸或大信息量傳輸時，需要完成多批次、多任務、海量信息的高速實時傳輸。當利用多部通信設備組成多個網絡時，可以在多個信道上并發的方式進行信息傳輸，使地空數據鏈的有效工作范圍覆蓋整個空域。

1．3 布站形式

地面臺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的航空器良好的可視性，保證無縫鏈接，其布站的幾何結構也是影響定位精度的關鍵因素之一。

2 系統結構

該系統地面部分的終端（基站）相當于GPS全球定位系統的衛星星座，每個獨立的定位系統的地面部分由四個基站組成。其中一臺為主控站，其余為輔站，如圖l所示。

主控站，為整個定位系統提供時間基準，保證地面各基站的時間同步。主站要協調地面各基站以固定周期向飛機發送定位測量信息。

輔站，在地面主站的協調下，保持與主站的時間同步，并以固定周期向空中發送定位測量信息，信息內容包括基站端機號、定位測量信息發送時間等。

機載終端接收機，同時接收地面各基站發送的定位測量信息，在定位信息處理單元獲取定位信號由地面基站到機載平臺接收機的傳播時延（TOA），估計各地面基站與空中平臺之間的偽距(因時鐘同步誤差，所測距離并非真實距離)；融合基站三維坐標，解算機載終端的位置坐標。

圖1 定位示意圖

3 定位實現機理

系統定位以地面基站和機載接收機之間的距離觀測值為基準，每個地面基站與被定位航空器之間的測距可確定一個定位球面，四個基站確定的定位球面便可相交于唯一的載機位置，并根據已知的地面臺站坐標，來解算機載接收機所對應的位置坐標。

為確定機載接收機的位置，只需要3個獨立距離觀測值即可。但是考慮到地面臺站與機載接收機時鐘之間難以保持嚴格同步，所以，可將其作為一個未知參數在數據處理中一并解出。因此，單個獨立定位系統地面部分必須設立4個以上地面基站。

如果地面部分以多基站布置，機載接收機可同時接收多于4個基站的信號，則可列出誤差方程，按最小二乘原理求解位置的三維坐標，將會得到更準確的解。

4 系統技術特點

系統可采用頻分多址方式，各地面基站工作在不同的頻率上。機載接收機根據信號的頻率來區分來自各個基站的定位信號。在實現定位的整個過程中，航空器無需發射信號，減少了相互間的電磁干擾。

與GPS全球定位系統相似，地面基站只負責向作用區域發射定位測量信號，定位信號的接收、信號傳播時延TOA的提取、偽距測量、定位解算等過程完全由機載接收機來完成。所以，該定位系統的容量可不受限制。

該系統一些技術問題可以參照GPS全球定位系統予以解決，且定位精度較高。系統基于地空數據鏈，地面基站硬件平臺無需作較多改動。

定位測量信號的接收機和定位信息處理單元基于機載終端，需對機載數傳端機做較大改動。

該系統的定位依據是定位測量信號由地面基站到機載接收機的傳播時延TOA。TOA定位精度較高，但對時間同步有較高要求，這包括地面各基站之間以及地面基站與機載接收機之間的時間同步。

5 結束語

地空數據鏈的建設將能實現航行信息資源的共享，滿足現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、分析地空數據鏈相關技術的基礎上，預想了地空數據鏈空中定位系統設計，分析了其關鍵技術的優缺點及可行性，以增強地空數據鏈功能，更好的發揮地空數據鏈的使用效能。

[l]孫仲康，周一宇，何黎星．單多基地有源無源定位技術[M]．北京：國防工業版社，1996．18l～182

[2]李莉．基于時間測量值的無線定位算法研究[D]．成都：西南交通大學，2002

[3]李劍峰．無源時差定何技術及其應用研究[D]．成都：成都理工大學，2004

[4]張興如．無源定位及典型定位性能的分析[1]．成都：電子科技大學，2001