無線通信與定位一體化技術(shù)應(yīng)用

胡漢武

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

無線通信與高精度定位一體化對無人集群系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)效能具有重要意義。在強(qiáng)對抗作戰(zhàn)時，地面固定站、定位衛(wèi)星等被摧毀或強(qiáng)干擾而導(dǎo)致定位失效且無其他輔助定位手段的情況下，作戰(zhàn)平臺自身將無法定位，作戰(zhàn)者將無法構(gòu)建精準(zhǔn)的戰(zhàn)場態(tài)勢，從而網(wǎng)絡(luò)中各作戰(zhàn)平臺將難以協(xié)同作戰(zhàn)和實(shí)施精準(zhǔn)打擊。為此，如何充分利用無線電通信機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間精確校時和精準(zhǔn)測距，進(jìn)而為作戰(zhàn)平臺提供能夠支持戰(zhàn)場態(tài)勢需求的位置信息成為一個亟待解決的問題；同時可以利用導(dǎo)航定位獲得的PVT（位置、速度、時間）信息，為跳頻通信系統(tǒng)提供跳頻時間同步，為智能天線系統(tǒng)提供波束方位指向信息，以及為自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)提供物理拓?fù)鋮⒖夹畔⒌取Ｍㄐ排c定位兩功能存在同時運(yùn)行的情況，如何將二者在技術(shù)體制和硬件方案實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行深度的有機(jī)融合，對憑借有限的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控和業(yè)務(wù)邏輯交互控制等提出了更高的要求。

1 基于無線通信的高精度定位

1.1 基于通信與定位一體化的波形體制設(shè)計

對于配備GPS/北斗模塊的通信設(shè)備而言，可以直接獲得自身的地理位置信息；若節(jié)點(diǎn)因各種原因無法正確接收到衛(wèi)星信號而導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)定位，則通過電臺的無線定位方法來實(shí)現(xiàn)自主定位，獲得高容錯、高精度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間相對位置信息。基于無線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)定位的具體過程為：

（1）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)逐級授時實(shí)現(xiàn)粗同步入網(wǎng)，具備通信能力，圖1為多跳網(wǎng)絡(luò)逐級授時示意。

圖1 多跳網(wǎng)絡(luò)逐級授時示意圖

（2）基于RTT（Round-Trip-Time）雙向校時實(shí)現(xiàn)精同步，消除距離延遲、時鐘抖動，實(shí)現(xiàn)高精度授時與維持，圖2為相鄰節(jié)點(diǎn)雙向校時示意。

圖2 相鄰節(jié)點(diǎn)雙向校時示意圖

（3）與多個基準(zhǔn)點(diǎn)連續(xù)性單向測距TOA（Time of Arrival），內(nèi)外時鐘模式均可實(shí)現(xiàn)精確測距，圖3為相鄰節(jié)點(diǎn)TOA單向測距示意。

圖3 相鄰節(jié)點(diǎn)TOA單向測距

（4）在高移動環(huán)境下，優(yōu)選時鐘等級高、鏈路質(zhì)量優(yōu)、幾何因子的位置（GDOP＜3）參考點(diǎn)位置好，進(jìn)行多邊定位，實(shí)現(xiàn)定位精度小于200 m（CEP），圖4為參考點(diǎn)優(yōu)選及多點(diǎn)定位示意。

圖4 參考點(diǎn)優(yōu)選及多點(diǎn)定位

（5）融合其他多源位置信息，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，并采用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行信息融合定位，提高定位精度，圖5為多源位置信息融合定位示意。

圖5 多源位置信息融合定位

針對近距離、中等距離和遠(yuǎn)距離，采用VHF、UHF、L/S等不同工作頻段，通信與定位一體化的波形達(dá)到的無線通信與定位技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 無線自組網(wǎng)通信與定位一體化波形技術(shù)指標(biāo)

1.2 基于無線通信實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星定位增強(qiáng)

普通的單點(diǎn)定位技術(shù)由于衛(wèi)星信號在空間傳播時受到電離層、對流層等影響，信號傳播時產(chǎn)生一定的折射，導(dǎo)致偽據(jù)觀測誤差。對于同一作戰(zhàn)區(qū)域的所有用戶來說，衛(wèi)星信號傳播經(jīng)過大氣層帶來的誤差具有相關(guān)性，可以認(rèn)為誤差相等。定位基準(zhǔn)站計算出測量誤差值，通過無線通信手段傳輸?shù)矫總€移動用戶，可以有效提高移動用戶北斗定位精度值。

北斗定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)是集衛(wèi)星定位、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)為一體的系統(tǒng)，在戰(zhàn)區(qū)臨時架設(shè)或永久架設(shè)北斗基準(zhǔn)信號站，基準(zhǔn)信號站對接收的北斗信號與基準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲得作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)整體的衛(wèi)星信號空間誤差模型。基于定位和通信一體化，北斗基準(zhǔn)信號站通過無線通信網(wǎng)絡(luò)對所獲得的差分信號數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的廣播，其他移動站點(diǎn)接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后，對接收的衛(wèi)星信號進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，可以顯著提高定位精度和授時精度。

北斗定位增強(qiáng)系統(tǒng)由北斗衛(wèi)星收發(fā)系統(tǒng)、北斗基準(zhǔn)站、信息處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和差分信息發(fā)射系統(tǒng)等五個部分組成，各基準(zhǔn)中心與差分信息發(fā)射系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用的參考站網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播放系統(tǒng)共同完成通信傳輸。圖6為基于無線通信實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)方案示意。

圖6 基于無線通信實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星定位增強(qiáng)

1.3 基于無線自組網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場位置態(tài)勢共享

對于多軍兵種的聯(lián)合作戰(zhàn)，每個用戶節(jié)點(diǎn)通過北斗定位或無線通信定位獲取自己的位置信息，同時將自己的位置信息通過廣播業(yè)務(wù)進(jìn)行擴(kuò)散，從而構(gòu)建戰(zhàn)場所有用戶的位置態(tài)勢圖。在機(jī)動作戰(zhàn)過程中，位置態(tài)勢圖周期性更新，使得作戰(zhàn)方可以獲得實(shí)時態(tài)勢圖，如圖7為基于無線通信實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場位置態(tài)勢共享示意。

圖7 基于無線通信實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場位置態(tài)勢共享

美軍的“藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)”（Blue Force Tracking, BFT）由全球定位系統(tǒng)（GPS）、L頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)以及萬維網(wǎng)等系統(tǒng)組成。每個節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備每隔一定時間通過衛(wèi)星通信將各自的位置信息傳送至控制中心，控制中心形成敵我方態(tài)勢，并采用不同顏色進(jìn)行標(biāo)識，形成全網(wǎng)統(tǒng)一態(tài)勢圖，然后再將合成的態(tài)勢圖發(fā)送到車載終端和單兵終端。終端節(jié)點(diǎn)定期向控制中心發(fā)送位置信息，控制中心依據(jù)態(tài)勢變化和作戰(zhàn)需求發(fā)送態(tài)勢圖到終端節(jié)點(diǎn)，以最小的網(wǎng)絡(luò)帶寬獲得實(shí)時精確的戰(zhàn)場態(tài)勢。BFT向作戰(zhàn)者提供單一綜合的地面戰(zhàn)場態(tài)勢圖，實(shí)現(xiàn)參戰(zhàn)單位信息共享。BFT系統(tǒng)綜合運(yùn)用了無線通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)，從GPS定位系統(tǒng)獲得己方和友方的位置，并從傳感器獲得敵方的人數(shù)和位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種位置信息的匯聚和分發(fā)，解決了信息化戰(zhàn)場“敵”“我”“友”三方的地理定位問題。

2 導(dǎo)航定位賦能通信的典型應(yīng)用

2.1 基于時空（Time&Positon）信息的短波自適應(yīng)快速建鏈

短波通信以天波傳輸為主。由于天波信道為變參信道，導(dǎo)致短波通信具有以下特征：第一，由于電離層的變化，白天和晚上可通頻率發(fā)生變化；第二，收發(fā)站點(diǎn)處于不同地域可通頻率不一樣。目前的短波通信選頻建鏈由專業(yè)人員手工操作，通信雙方在前期需借助大量的實(shí)際通信數(shù)據(jù)作為支撐，由專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗手工選擇可通的短波通信頻率，完成選頻建鏈。

基于地理坐標(biāo)和時間窗格參數(shù)，通過查詢信道模型庫可以實(shí)時獲得任意兩個站點(diǎn)之間的可通頻率或頻段，結(jié)合寬帶接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速建鏈。基于空時信息的短波建鏈過程所需時間可以降到幾秒，目前基于經(jīng)驗的人工選頻建鏈時間需要15分鐘至60分鐘。

2.2 基于方位和速度信息（Positon&Velocity）微波電臺定向天線組網(wǎng)

微波網(wǎng)絡(luò)電臺具有頻率高（C/XC/Ku），可用帶寬寬，傳輸速率高、時延小等特點(diǎn)，采用定向天線獲得高天線增益以抵消高頻信號自由空間損耗。基于定位信息、高精度時鐘和陀螺儀，可以實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)電臺的定向天線高效組網(wǎng)。基于定向天線的無線自組網(wǎng)的過程為：

（1）基于方位信息實(shí)現(xiàn)定向天線波束快速對準(zhǔn)，圖8為定向天線基于方位波束對準(zhǔn)示意。

圖8 定向天線基于方位波束對準(zhǔn)

（2）基于方位信息實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)快速路由。

（3）基于方位信息實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)電臺頻分、空分接入，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，如圖9所示。

圖9 基于方位實(shí)現(xiàn)頻分、空分接入組網(wǎng)

2.3 基于位置信息（Position）的移動自組網(wǎng)快速路由技術(shù)

對于移動自組網(wǎng)（Ad Hoc）的傳統(tǒng)路由算法，需要進(jìn)行全網(wǎng)的拓?fù)涔妫员忝總€節(jié)點(diǎn)均獲能得全網(wǎng)的物理拓?fù)湫畔ⅰＲ罁?jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理拓?fù)洌捎脙?yōu)化鏈路狀態(tài)路由（OLSR）協(xié)議或動態(tài)源路由（DSR）協(xié)議進(jìn)行路由計算。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)動性的增強(qiáng)，這兩種傳統(tǒng)路由算法收斂時間長、網(wǎng)絡(luò)開銷大的問題日益凸顯。如果Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)獲得網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置信息，則可以根據(jù)位置信息生成全網(wǎng)物理拓?fù)鋱D，并基于位置拓?fù)鋱D的路由策略實(shí)現(xiàn)快速路由，相較于兩種傳統(tǒng)的路由算法具有以下優(yōu)勢：

（1）基于位置信息獲取網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湫畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)移動自組網(wǎng)快速建網(wǎng)。

（2）基于位置信息建立源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的初始動態(tài)源路由，再采用模擬退火算法對源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的路由進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)單播業(yè)務(wù)快速路由。

（3）基于位置信息，選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為多點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)MPR（Multi-Point Relays)，完成全網(wǎng)廣播業(yè)務(wù)或泛洪。

基于位置的路由策略分為三個階段：

（1）網(wǎng)絡(luò)建立的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)建立階段，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)已獲得基于位置信息的物理拓?fù)鋱D。可以根據(jù)物理拓?fù)渲邢噜徆?jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)相對距離選擇波形的傳輸距離保護(hù)和發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到最小的保護(hù)時延開銷和功耗；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布情況進(jìn)行動態(tài)分簇和簇首節(jié)點(diǎn)選擇，以便獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)劃分策略；在子網(wǎng)內(nèi)通過拓?fù)溥B接關(guān)系，選擇鄰居節(jié)點(diǎn)較多的節(jié)點(diǎn)作為多點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（MPR），并根據(jù)拓?fù)潢P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所在位置進(jìn)行合理的信道資源配置。

（2）網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段的應(yīng)用。對于高機(jī)動自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)處于連續(xù)動態(tài)變化之中，對于4至8跳的多跳網(wǎng)絡(luò)，由于拓?fù)鋫鬟f不及時導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)震蕩，影響全網(wǎng)的吞吐量。采用定位和移動速度信息相結(jié)合的路由維護(hù)策略，可以隔離拓?fù)涠秳拥墓?jié)點(diǎn)，以避免擴(kuò)散到全網(wǎng)；同時也可以根據(jù)移動速度進(jìn)行拓?fù)漕A(yù)判，主動改變路由策略，保證路由平滑過渡以及業(yè)務(wù)連續(xù)傳輸。

同時為了提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可以以相對距離為門限設(shè)置信道空分復(fù)用機(jī)制，在2跳之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空分復(fù)用，以最大限度提高信道資源的復(fù)用率。同時對于拓?fù)涔?jié)點(diǎn)稀疏的位置或地形地貌開闊的地方，自動設(shè)置無線通信補(bǔ)盲中繼節(jié)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)通信的健壯性。

（3）路由優(yōu)化選擇中的應(yīng)用。在無線自組網(wǎng)多路由選擇方面，可以將路徑長度融合業(yè)務(wù)優(yōu)先級、速率、鏈路狀態(tài)等多因子進(jìn)行路徑優(yōu)選，基于多因子的路徑選擇算法具有傳輸時延低、支持負(fù)載均衡、提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量等優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

有北斗定位服務(wù)時通過無線自組網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)局域北斗相對定位增強(qiáng)，可以提供高于0.5米的高精度相對定位導(dǎo)航；北斗定位被拒止時，無線通信實(shí)時完成節(jié)點(diǎn)間的距離測定，并通過優(yōu)選位置參考點(diǎn)和多種定位信息融合，完成戰(zhàn)場各節(jié)點(diǎn)間不同精度的定位；各個節(jié)點(diǎn)具備位置信息的情況，可以通過無線自組網(wǎng)進(jìn)行位置信息匯聚，構(gòu)建戰(zhàn)場所有用戶的位置態(tài)勢圖。在通信與定位一體化的系統(tǒng)中，利用定位裝置獲取節(jié)點(diǎn)的時間信息、位置信息，實(shí)現(xiàn)短波電臺的快速建鏈，保證短波電臺通信的可靠性和穩(wěn)定性；利用方位和速度信息完成微波電臺的快速組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)定向天線波束快速對準(zhǔn)和通信節(jié)點(diǎn)時、空、頻多維接入；利用位置信息完成移動自組網(wǎng)快速路由，實(shí)現(xiàn)高動態(tài)條件下的快速、高效路由。通信和導(dǎo)航定位功能可以相互增強(qiáng)，提高系統(tǒng)整體性能，并且無線通信與定位可以進(jìn)行一體化波形和硬件設(shè)計。