PDOP因子在相對導(dǎo)航航路分析中的應(yīng)用研究

張麗敏

(西安外事學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 陜西 西安 710077)

PDOP因子在相對導(dǎo)航航路分析中的應(yīng)用研究

張麗敏

(西安外事學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 陜西 西安 710077)

基于分析相對導(dǎo)航定位精度受到PDOP因子影響的目的,采用MapX電子地圖軟件設(shè)計測試程序,計算出地圖中各個位置的PDOP值,以此為依據(jù)設(shè)計外場試驗航路,通過對試驗航路進行仿真測試,分析了不同航路的PDOP因子和相對導(dǎo)航結(jié)果,結(jié)果證明PDOP因子更有利的航路能夠獲得明顯更高的相對導(dǎo)航定位精度。

JTIDS；相對導(dǎo)航；PDOP；到達時間

JTIDS——聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng),是一種先進的三軍一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的集成通信、導(dǎo)航、識別系統(tǒng),JTIDS的相對導(dǎo)航能實現(xiàn)精確的雙格網(wǎng)定位,使所有系統(tǒng)成員能在統(tǒng)一的坐標系中導(dǎo)航定位,從而使系統(tǒng)成員明確知道自身的地理位置和速度、航向等時空信息［1］。

由于相對導(dǎo)航是依賴于在工作區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干地面位置基準來為飛機實現(xiàn)導(dǎo)航制導(dǎo),導(dǎo)航定位精度取決于相對導(dǎo)航算法和空間目標的相對位置,即飛機與地面位置基準的相對幾何位置和定位誤差有著很大的關(guān)系,這樣地面位置基準的布設(shè)會直接影響著相對導(dǎo)航的精度,在確保較高導(dǎo)航精度條件下就需要合理地布設(shè)地面位置基準的位置,同時,盡可能的減少地面位置基準的布設(shè)數(shù)量,以降低維護保養(yǎng)成本,所以,地面位置基準的布設(shè)方案對相對導(dǎo)航的實際應(yīng)用就顯的尤為重要。

1 相對導(dǎo)航坐標系

JTIDS相對導(dǎo)航坐標系是相對導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)。建立該坐標系的過程是:

1）原點選擇:該點可以選在海平面任意一個點,為了簡化設(shè)計,一般選為陸基固定站。

2）過該點作切平面,形成東、北、天三維坐標。北指的是切平面中該點真北向,東指的是切平面中該點的東向,天指的是與切平面垂直的法向方向。我們把這3個坐標軸定為U、V、W。如圖1所示。

圖1 相對坐標系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relative coordinate system

2 相對導(dǎo)航技術(shù)

相對導(dǎo)航功能是以多邊技術(shù)為基礎(chǔ)。某個端機根據(jù)測量來自3個端機 的PPLI消息的到達時間（TOA）和發(fā)送端機的位置（包含在PPLI消息中）確定自己的三維位置。但是,多邊技術(shù)的精確度受到有關(guān)端機時鐘誤差和TOA并不是同時測量這個事實的影響。因此,通過一個遞歸濾波器處理組合TOA的測量,以確定出自身單元的位置、移動和校正時鐘。對于移動端機,航位推測數(shù)據(jù)被用于外推位置數(shù)據(jù)［2］。

另外,向濾波器提供的航位推測數(shù)據(jù)用于從連續(xù)位置估計中導(dǎo)出移動數(shù)據(jù)的最優(yōu)組合。端機根據(jù)自己的位置和時間數(shù)據(jù)及其它端機在PPLI消息中報告的位置和時間數(shù)據(jù)的精度（質(zhì)量）來選擇用于濾波器處理的TOA測量。理論上,地面位置基準的數(shù)量越多,平面分布越均勻,對于相對導(dǎo)航解算越有利,越有利于相對導(dǎo)航算法根據(jù)不同的地面位置基準組合進行定位源選擇,找出與定位平臺的幾何分布關(guān)系最好的一組位置基準進行定位運算。

3 PDOP定義

假設(shè)飛機位置的三維坐標可用（xu，yu，zu）表示,地面位置基準的時鐘偏差用tu表示。飛機測量的第j個位置基準到用戶的偽距為:

其中（xj,yj,zj）表示第j個位置基準的位置,c為光速［3］。位置基準坐標為已知。由此得到觀測方程為:

其中:X=（δxδyδzb）T為待估向量,（δxδyδz）T為位置改正量,b為接收機鐘差等效距離參數(shù)［4］,為n×3的列滿秩系數(shù)矩陣,ei=（exieyiezi）為接收機指向第i個位置基準的方向余弦,滿足|ei|=1,即ei（i=1，2，…，n）均位于單位球面上,L為n×1觀測向量,其權(quán)陣為單位矩陣,ε為n×1隨機誤差向量［5］。

公式（2）中X的最小二乘解為:

由公式可知,PDOP表征了被測空中平臺和地面位置基準在空間的幾何分布情況。

4 外場應(yīng)用

在相對導(dǎo)航的應(yīng)用中,由于各種原因,地面位置基準的數(shù)量往往是有限的,而且通常所能安裝的位置也是相對固定的。在這種情況下,預(yù)先得出相對導(dǎo)航的航路分布圖是十分重要的。這樣能夠使用戶提前得知各種可能的航路設(shè)計對相對導(dǎo)航精度的影響程度。

為此,采用Visual C++編程語言和MapX4.5電子地圖編寫測試程序,以外場試驗階段的航路為測試條件,共有3個地面導(dǎo)航基準,運動平臺一個,以運動平臺為測試平臺,依靠地面位置基準進行導(dǎo)航定位。相對導(dǎo)航航路共兩條,分別是4#航路和5#航路。

在地面位置基準數(shù)量為3個的情況下,計算地圖上每個測試點的精度因子PDOP,相鄰測試點之間間隔5 km,根據(jù)PDOP取值大小分為 5個范圍:PDOP＜4,4＜PDOP＜20,20＜PDOP＜40,40＜PDOP＜60,PDOP＞60,標記為不同灰度的顏色。測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 PDOP分布圖Fig.2 PDOP distribution map

同時,統(tǒng)計計算4#航路和5#航路的PDOP和HDOP的平均值。

圖3 4#航路PDOP統(tǒng)計圖Fig.3 4#route PDOP statistic chart

圖4 5#航路PDOP統(tǒng)計圖Fig.4 5#route PDOP statistic chart

對4#航路的PDOP進行采樣計算,采樣間隔為600 m,計算可得:PDOP=32.479118。

對5#航路的PDOP進行采樣計算,采樣間隔為600 m,計算可得:PDOP=6.543598。

可見,4#航路的PDOP較差,5#航路較好,理論上,5#航路應(yīng)能獲得更好的導(dǎo)航定位結(jié)果。

5 相對導(dǎo)航測試結(jié)果

為驗證航路分析的結(jié)果,對4#航路和5#航路進行相對導(dǎo)航模擬,為模擬實際情況,對測距加上高斯白噪聲。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試記錄表Tab.1 the test record

可見,4#航路的TOA測距誤差比5#航路更高,但是PDOP值更優(yōu)的5#航路最終的導(dǎo)航結(jié)果明顯優(yōu)于4#航路:圓概率誤差CEP值僅為52.9。

6 結(jié)束語

相對導(dǎo)航是近年才發(fā)展起來的一門新型導(dǎo)航技術(shù),本文在介紹其概念的基礎(chǔ)上,針對相對導(dǎo)航定位精度受到定位平臺與地面位置基準之間的幾何分布關(guān)系的影響的問題,基于MapX地圖設(shè)計了PDOP分布測試軟件,對外場試驗航路進行了分析和仿真驗證,取得了很好效果,其設(shè)計思想可供其他系統(tǒng)設(shè)計方案借鑒和參考。

［1］吳美平.軍用導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代防御技術(shù),2006，28（3）:38-39.WU Mei-ping.The trend of military development of navigation technology［J］.The Modern Defense Technology,2006，28（3）:38-39.

［2］劉徐德,戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航定位和識別綜合系統(tǒng)文集（第1集）［M］.北京:電子工業(yè)出版社,1991.

［3］章燕申.最優(yōu)估計與工程應(yīng)用［M］.北京:宇航出版社,1991.

［4］鄭政謀.最佳線性濾波［M］.北京:航空專業(yè)教材編審組, 1983.

［5］PauloS.R.Diniz.Algorithms and practical implementation second edition［M］.劉郁林,景曉軍,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

［6］徐瑜,楊紹清,孫牧.最小二乘濾波在目標跟蹤中的應(yīng)用［J］.指揮控制與仿真,2007，29（4）:41-42.XU Yu，YANG Shao-qing，SUN Mu.The application of the least squares filter in target tracking［J］.The Command Control and Simulation,2007，29（4）:41-42.

4 結(jié)束語

家庭安防系統(tǒng)為人們的居住提供安全的環(huán)境,有效地實現(xiàn)了對家電、防盜報警、環(huán)境和設(shè)備等的控制,系統(tǒng)的分析了基于WSN的家庭安防監(jiān)測系統(tǒng)各項功能,從系統(tǒng)硬件設(shè)計到軟件架構(gòu)的設(shè)計給出了詳細的實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)除具有普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點外,還增加了各種多媒體技術(shù)和先進監(jiān)控技術(shù),在軟件設(shè)計方面改進了無線路由選擇協(xié)議,具有路由選擇快,穩(wěn)定性高,正確報警率高,監(jiān)測信息完善等特點。同時該系統(tǒng)具有較為完善的用戶服務(wù),提供包括PC機,短信,用戶網(wǎng)站與手機客戶端等多種方式進行查詢,目前,由于物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)體系標準尚未統(tǒng)一,再加上各種子系統(tǒng)較多等原因,本系統(tǒng)也存在一些缺陷,比如系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性還需要進一步提高和改進。

參考文獻：

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［2］謝永寧.嵌入式應(yīng)用初級教程［M］.北京:中國鐵道出版社, 2013.

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［9］李曉卉.智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2014.

Research on application of PDOP factor in the analysis of the relative navigation route

ZHANG Li-min
（Xiˊan International Universit,Xi’an 710077，China）

Based on the purpose of analysis of relative navigation positioning accuracy impacted by PDOP factors using MapX electronic map software design test procedures，calculate the PDOP value of each location in map.To design the outfield test route on the basis of this.By the simulation test of the test route，analyzes the PDOP factor of different routes and relative navigation results，results show that route PDOP factor more favorable to obtain the relative navigation and positioning accuracy significantly higher.

JTIDS；relative navigation；PDOP；TOA

TN966.4

：A

：1674-6236（2015）18-0024-03

2014-12-25稿件編號：201412237

陜西省教育廳2014年科學(xué)研究項目（14JK2117）；陜西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃（SGH13487)

張麗敏（1980—）,女,內(nèi)蒙古通遼人,碩士,講師。研究方向:計算機技術(shù)、計算機仿真。