Link16數據鏈導航功能實現與改進?

曹乃森，趙 敬，丁永強

（空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000）

Link16數據鏈導航功能實現與改進?

曹乃森，趙 敬，丁永強

（空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000）

基于同步的相對導航與精確定位技術是Link16數據鏈運行的關鍵。針對國內文獻對該技術介紹較少的情況，分析了相對導航的基本原理，研究了利用往返計時報文實現精確同步的方法和步驟，建立了相對導航解算方程以及相對柵格與地理柵格坐標之間的數據轉換模型，最后提出了一種用GPS／IMU數據融合和卡爾曼濾波方法提高導航精度的方案。應用結果表明，該方案能顯著提高數據鏈的導航精度。

聯合戰術信息分發系統；Link16數據鏈；相對導航；往返計時；導航精度；精確定位

1 引言

Link16數據鏈又稱聯合戰術信息分發系統（JTIDS），是一種集通信、導航和識別功能于一體的綜合戰術通信系統，是C4ISR系統的紐帶，在科索沃戰爭、阿富汗戰爭等行動中為美軍獲取戰場態勢信息、掌握戰爭主動權起了重要作用［1］。在同步基礎上實現的相對導航與精確定位是Link16數據鏈的一種重要功能，是實現戰場態勢共享的關鍵。該功能使系統內所有成員能在統一的坐標系統中進行導航定位，為參與者提供精確的位置信息，系統成員利用相對導航功能不僅知道自身的時空狀態，而且知道其它成員的時空狀態，從而得到整個戰場的敵我態勢分布，獲取戰場優勢。

目前，國內文獻關于數據鏈如何實現相對導航功能的介紹很少，針對這種情況，本文詳細研究了數據鏈利用往返計時報文實現精確同步進而實現相對導航的原理，建立了相對柵格與地理柵格坐標轉換的模型，對如何提高導航精度進行了研究，并根據某型飛機機載設備的加裝情況，提出了一種基于GPS／IMU數據融合和卡爾曼濾波方法的導航精度改進方案。仿真和實際應用表明，該方案切實可行。

2 相對導航原理

相對導航（RELNAV）是Link16數據鏈導航功能的名字。Link16采用時分多址方式，具有統一的系統時，網內成員只能在分配給自己的時隙內發播信號，此時作為網絡的導航信號源為網內其它成員提供導航信息；而在其它時隙該單元又成為用戶，接收網內其它成員發播的導航定位信息進行定位解算，得到自己在相對網格內的位置，從而實現相對導航功能。由于所有平臺交換導航信息，具有高質量定位（如GPS）的那些成員可以提高其它成員的導航質量。

相對導航是在兩個獨立的柵格坐標即相對柵格（u，v，w）和地理柵格（經度、緯度和高度）用卡爾曼濾波來計算位置和速度［2］，如圖1所示。它利用主機提供的導航信息和接收的PPLI導航信息來計算自己的位置及其在這兩個柵格坐標內的估計精度。然后，這些PPLI信息向所有其它參與單元JU（JTIDS Unit）廣播。在相對柵格中通過JTIDS端機推算出精確的相對位置數據，當兩個或更多的端機獨立得出它們精確的地理位置數據時，相對導航功能就可以為所有端機提供精確的地理位置。相對導航與定位過程如圖2所示。

改進的位置和速度數據送到主機平臺，用于顯示、定位或飛行校準。信息的利用和柵格類型的選擇取決于主機平臺。

2．1 相對柵格坐標

Link16的相對柵格是一個1 024 n mile2的大平面柵格，柵格原點是平面與地球的切點。JU估計它們在U（東）、V（北）和W（高度）坐標系中的位置，并以英尺為單位報告離柵格原點的距離。柵格的使用中，要求指定一個JU作為導航控制器（NC），并選擇一個JU作為輔助導航控制器，且對所有JU進行初始化，使之具有一個公共的柵格原點。對于鏈路使用來說，相對柵格并不是必需的，而是可選的。

2．2 地理柵格坐標

地理柵格使用經度／緯度／高度坐標系。每個JU自動計算它的位置（和質量）并在PPLI中廣播發射出去，通過JU本身提供的導航數據與接收PPLI數據來計算地理柵格坐標。允許利用帶有高質量位置信息（如GPS）的JU來改善其它JU的精度和緯度估值。

3 精確同步的實現

同步是定位的基礎，為了在Link16中準確地進行數據發送和接收，網絡終端必須與網絡保持同步［3］。只有實現時鐘的精確同步，相對導航才能夠實現精確的雙格網（地理柵格和相對柵格坐標）定位［4］。

作為一個基于時間的系統，Link16要求每個參與的終端獲取和保持一個精確的系統時間，作為網絡時間基準（NTR）的一個指定單元將負責建立系統時間。這個角色可指定給任一單元（一個且僅僅一個）。一旦工作，該單元將承擔精同步任務，并開始廣播發送系統時間和入網消息。一旦建立精同步，NTR視距范圍內的單元就可被指定為初始入網單元（IEJU），向NTR視距范圍以外的終端發送入網消息。在NTR或IEJU視距范圍內的單元將在入網過程中獲取系統時間。

3．1 端機入網

NTR端機在每個時幀內固定的4個時隙位置發射入網消息，在NTR開始發射入網消息前，要由操作員輸入當前時間的時、分、秒值。NTR端機把時、分、秒值轉換成對應的時元號、時幀號和時隙號，之后隨著時隙計數，NTR端機就在每幀分配的4個時隙上分別用4種跳頻圖案發射入網消息。這里采用“1+3”方案，即每幀第一個時隙所用的跳頻圖案隨時元號和時幀號的改變而改變，而在另外3個時隙上分別用3種固定的跳頻圖案發射入網消息，入網消息內容包含當前時間對應的時元號、時幀號和時隙號。這就為端機入網提供了兩種入網方式。第一種方式是在端機操作員能夠獲取較為精確的外部參考時間的情況下，操作員輸入當日時間的時、分、秒值，端機計算得到當前時間對應的時元號和時幀號，然后在一個適當大小的時間窗口內提前用下一幀第一個時隙的跳頻圖案捕獲入網消息，獲得系統時。時間窗口的大小根據外部參考時間相對于系統時的誤差范圍確定，一般時間窗口的大小是這個誤差范圍大小的2倍。如果在時間窗口內不能入網，操作員可以重新根據外部參考時間輸入系統時的估值，再次設置時間窗口捕獲入網消息，或者轉入第二種方式入網。

采用第二種入網方式的端機可以不依賴外部參考時間入網。這種方式下，要入網的端機在設置另外3個發射入網消息的跳擴頻圖案的一種圖案上等待接收入網消息，每隔12 s更換一次等待圖案。

NTR端機視距內的成員端機首先入網獲得系統時。一旦進一步獲得精確同步，這些視距內的成員端機中被指定為起始入網端機（IEJU）和所有被指定作為中繼端機（RJU）也要在上述固定的4個時隙上發射入網消息。因此，NTR視距外的端機也能收到入網消息，獲得系統時。

為支持動態初始化的端機入網，在入網時隙上以備用的工作密鑰、備用的跳頻頻點庫和直擴偽碼庫產生跳擴圖案發射起始入網消息。

3．2 精同步

如果終端收到了入網消息，就用接收到的時間校正終端的系統時間，但本身的時鐘只與系統時達到了粗同步。處于粗同步的單元能接收所有的消息和話音，只能發送RTT（往返計時報文），不能發送其它消息，因此還需進一步完成精同步。實現精同步有兩種方式：主動同步方式和被動同步方式。

3．2．1 主動同步方式

主動同步方式實現精同步是通過往返計時消息實現的，終端在一個時隙內發送往返計時詢問消息，并在同一個時隙內接收往返計時應答消息。往返計時詢問既可以采用尋址方式（RTT-A），也可以采用廣播方式（RTT-B）。尋址方式的往返計時詢問消息RTT-A，指明了一個時間質量最高的終端地址，在一個指定的時隙內被傳輸到指定的終端上，只有這個指定的終端才發出往返計時應答消息。廣播方式的往返計時詢問消息RTT-B，不是發送給特定的終端，任何具有更高質量的終端都可以應答。RTT-B通常應用于重疊網結構，終端在網絡編號等于它們本身的時間質量時接收詢問消息并發送應答消息。

往返計時應答消息在時隙開始后4.275 ms準時發送。主動同步方式實現精同步如圖3所示，其中：tTOAI是由應答JU確定的RTT詢問消息到達時間；tTOAR是由詢問JU確定的RTT應答消息到達時間；td為一個固定值，td=4.275 ms；tp為RTT消息的傳播時間；ε是兩個JU之間的初始時鐘偏差，即詢問JU需要校正的時間偏差。

詢問終端利用往返計時應答消息中報告的詢問到達時間（tTOAI）、詢問終端直接測量應答到達時間（tTOAR）、固定值td，就可以得到詢問終端系統時鐘的修正量ε。

因此，只要通過與一個具有更精確系統時間的JU（已實現精同步，具有更高的時間質量）交換往返計時消息，詢問終端就能提高本身的系統時間精度。每個終端通過網絡報告自己的時間質量，并保留一個在視距范圍內的終端的內部報告表，通過這個內部報告表可以幫助詢問終端選擇向哪一個終端發送往返計時詢問消息。

3．2．2 被動同步方式

被動同步方式實現精確同步可通過接收多次精確參與定位與識別消息（PPLI）來完成，它要求被動單元（和次要用戶）具有好的地理位置并至少有3個主動單元在視距范圍內。

當一個單元的時間完全精確時，精同步即廣播發布，全鏈路參與單元均可達到精同步。

為了便于要實現精同步的成員找尋合適的其它成員作為被詢問對象進行RTT，每個成員要在自己發射的P消息中標志其時間質量，顯然，為了避免時鐘同步發散，每個需要RTT的成員應尋找時間質量比自身高的成員作為被詢問對象。

4 相對導航解算

在各個參與單元（JU）達到了精同步之后，可以通過兩個或兩個以上參與單元的精確位置坐標來實現其它單元的精確定位。JU可以根據3個JU的PPLI消息的到達時間（TOA）測量得到的數據和這些報文中所包含JU的經度、緯度和高度數據信息來確定自己的三維數據，即通過PPLI報文的到達時間可以推算出JU之間的距離，組成坐標方程組來解算出JU的坐標［5］。己知3點坐標為A（xa，ya，za）、B（xb，yb，zb）、C（xc，yc，zc），被測點的坐標為（x，y，z），建立如下方程組：

式中，c為無線電傳播速度，不受天氣、氣候和地理位置的影響；t1、t2、t3分別是PPLI報文到達時間；ta、tb、tc分別是A、B、C報文中的TOA；cΔtu為用戶與系統時之間的鐘差。

導航解算實際上是一種多邊測偽距的定位方式，若要得到自己的位置需要解算上面的定位方程。普通的方程解算往往實時性不夠，因為網絡中的用戶都為高速用戶；另一方面，普通的方程解算難以消除偽距測量所引入的噪聲，使系統的精度受到影響。因此，Link16系統的導航解算通常采用卡爾曼濾波的方式［6］。

5 相對導航的實現

相對導航是端機的一種功能，它在公共參考坐標系內為各參與單元提供精確的位置信息。在確立各個單元之間的精確位置之后，可以選擇其中一個參與單元負責建立起相對柵格坐標系。由于確定的參與單元定位也可能以經度、緯度和高度的WGS-84大地坐標（即地理柵格）來表示，因此存在兩個坐標系統之間的轉換。

設地球赤道半徑Re=6 378.245 km，扁平系數l =1／298，第一偏心率為相對柵格坐標系的坐標；（R、AZ、EL）為WGS-84系統坐標系，其中R為目標范圍，AZ為方位角，EL為仰角；ΦI和λI為參與單元的地理經緯度，ΦT和λT為目標的地理經緯度，H為目標的高度；系統坐標中心的位置為（Φs，λs，hs），分別代表緯度／經度／高度［7］；（Φt，λt，ht）為跟蹤點坐標，（Xt，Yt，Zt）為相對點坐標，a為參考球面的主半軸。

（1）從相對柵格坐標平面轉換到本地坐標平面

假定（Xt，Yt，Zt）和（Φs，λs，hs），求（Φt，λt，ht）。

K按照如下的迭代算法實現：

K′=0，然后計算：

（2）從WGS坐標系統轉換到相對柵格坐標

其中：

6 導航精度的改進

相對導航的精度可以通過利用高質量用戶數據、信息源之間良好的相對運動、良好的幾何位置和高質量時間加以改善。

6．1 基于GPS／IMU的導航精度改進

用戶成員在獲得相對坐標系后，能根據IMU（Inertial Measurement Unit）給出的位置坐標算出自身在相對坐標系的初始位置值［8］；之后，根據IMU的速度外推其相對坐標位置。用戶平臺一方面根據自身外推的相對位置值和導航控制器報告的相對位置值計算出平臺自身相對于導航控制器的距離，即rcount=｜＾P-＾Pmeasure｜，同時在不斷接收導航控制器的P消息過程中，還能通過測量導航控制器P消息的TOA值，得到平臺自身相對于導航控制器的測量距離（偽距），測量模型為

計算距離與測量距離之差值是用戶平臺IMU各種誤差和端機時鐘誤差的函數。因此，根據IMU誤差模型，利用卡爾曼濾波算法，按下列遞推形式：

就能精確地估計IMU輸出和端機時鐘誤差，并用以修正自身的相對位置估值和校正端機時鐘。IMU輔助下的系統相對導航原理如圖4所示。

如果用戶平臺上沒有可用的IMU數據，則需要人工輸入位置初值，并利用平臺的運動模型外推，和有IMU推測數據情況相比要引入較大的定位誤差，對于高動態的空中平臺尤其如此。如果裝備了GPS，則直接提供高精度的位置數據，作為當前已知地理位置。

如果有兩個或兩個以上的網成員精確已知其地理位置（該成員稱為地理位置基準，即GPR），那么，其它網成員在接收其P消息時，通過TOA測量和濾波就能精確估計出自身的地理位置（此時要用源的地理位置估值和平臺自身的地理位置估值計算rcount=｜＾P-＾Psource｜）。因此，系統可以相對獨立地同時實現雙格導航定位（相對定位和絕對定位）。

6．2 基于源選擇的導航精度改進

已在相對坐標系中精確定位的參與單元（JU）將自己的位置值通過P消息廣播出去，其它需要相對定位的用戶不僅可以利用導航控制器作為源，還可以選擇已精確定位的成員作為源進行導航定位。根據“源”選擇協議，用時間同步質量和定位質量較高的單元作為源，以防止倒校準或循環校準，導致系統發散。為了實現源選擇協議，端機每次發射的P消息中均包括時間質量、地理位置質量、相對坐標位置質量和方位角質量4種質量等級，實現用優先級高的源來調整自己的數據。

7 方案驗證

上述改進方案已在某型飛機的加改裝中得到仿真和驗證，其結果如圖5所示。直線1為某參與單元的誤差線，與其相對坐標位置質量有關；直線5為加裝GPS接收機后的誤差線，其幅值顯著降低，導航精度很高；線2為GPS信號丟失時刻；斜線3為未使用IMU慣性導航裝置且GPS信號后時的誤差變化線，可以看出位置質量下降很快；曲線4為使用IMU時的誤差變化曲線，其變化較為緩慢。

導航精度決定著態勢顯示的效果。文獻［5］提出的采用人工神經網絡提高導航精度的方法論述比較簡單，與其相比，基于GPS／IMU的導航精度改進方案極大地提高了導航精度并在應用中得到了驗證。

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CAO Nai-sen was born in Xinyang，Henan Province，in 1973.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns communication and navigation and development of automatic test system.

Email：cns19720327＠sina.com

趙敬（1978—），女，河南信陽人，2007年獲碩士學位，現為講師，主要研究方向為數字信號處理電路的設計；

ZHAO Jing was born in Xinyang，Henan Province，in 1978. She received the M.S.degree in 2007.She is now a lecturer.Her research concerns the design of digital signal processing circuit.

丁永強（1981—），男，河南信陽人，2005年獲學士學位，現為講師，主要研究方向為機載電子設備。

DING Yong-qiang was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He received the B.S.degree in 2005.He is now a lecturer. His research concerns the airborne electronic equipment.

《電訊技術》征稿的新要求

為了促進本刊的國際化進程，進一步擴大影響力，為廣大科技人員搭建更高層次的學術研究和技術交流平臺，現對來稿作如下幾點新的要求：

（1）來稿中的圖題、表題應給出對應的英文翻譯；

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（6）為了保證出版的及時性，作者不得在自校階段對稿件作大幅修改，否則，將按新投稿件處理，編輯部保留追究由此造成的一切損失的權利。

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《電訊技術》編輯部

Realization and Improvement of Navigation Function of Link16

CAO Nai-sen，ZHAO Jing，DING Yong-qiang
（Department of Aeronautic Electronic Engineering，The First Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

The relative navigation and precise positioning technology based on synchronization is the key of Link16 operation.Because there is few detailed explanation about this technology，this paper illustrates the basic principle of relative navigation，studies the method and process of precise synchronization based on Round-Trip Timing message，builds the data conversion mode between relative grid coordination and geographical grid coordination，and finally proposes a scheme to improve the navigation precision with GPS／IMU data fusion and Kalman filtering. The application result shows that the scheme can improve greatly navigation precision of data link.

JTIDS；Link16 data link；relative navigation；round-trip timing；navigation precision；precise positioning

TN96

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.003

曹乃森（1973—），男，河南信陽人，2007年獲碩士學位，現為副教授，主要研究方向為通信導航與自動測試系統；

1001-893X（2011）05-0011-06

2011-01-30；

2011-04-11