TDMA數據鏈系統定位導航設計與應用

四川九洲電器集團有限責任公司　楊其聰

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TDMA數據鏈系統定位導航設計與應用

四川九洲電器集團有限責任公司楊其聰

本文針對時分多址（TDMA）數據鏈導航和慣性導航的系統不足，實現了一種基于TDMA接入方式的數據鏈導航處理器，通過卡爾曼濾波將慣性導航系統（INS）與數據鏈結合起來，提高導航精度，增強數據鏈系統作戰性能，符合現代化立體作戰發展需求。

TDMA；數據鏈；INS；卡爾曼濾波

1　引言

戰術數據鏈在現代戰爭中發揮著極其重要的作用，數據鏈應用的水平在很大程度上決定著信息化戰爭的水平和能力。但是，數據鏈系統自身位置信息更新率較低、無姿態信息，難以滿足高動態戰機火控和轟炸機武器投放的要求。作為自主式推航系統，INS隱蔽性好、短時精度高、輸出信號連續，并能提供姿態數據，但有積累誤差，限制了長時間工作的性能。若將數據鏈與INS構成組合導航系統，相互取長補短，互為余度，將可提高系統定位導航精度和可靠性。

2　TDMA數據鏈系統定位導航

系統中的各個成員接收其他成員播發的P消息（參與者精確定位與識別消息）帶的位置信息，結合信號到達時間（TOA），以確定自己的地理位置。

系統的時間同步和TOA測量是實現定位導航的基礎之一。用戶根據源的位置數據和測出的距離，采用基于多個源的多邊定位方法，測量出用戶在空間中的位置。然而，在TDMA工作情況下，各源按一定時間順序輪流輻射，并且源和用戶都在運動，不可能在同一時刻測出到三個源的距離，如圖1所示。

圖1　TDMA系統TOA測量

因此，利用經典的導航定位方法不可能得到準確的位置數據。數據鏈系統的導航功能須將TOA測量與慣性導航系統相組合，用TOA不斷校正慣導的誤差，以提供高精度位置、速度、航向姿態角和時間信息，并保留較強抗干擾能力。

3　組合定位導航處理器設計

組合定位導航處理器由多個功能模塊組成，總體結構框圖如圖2所示。

導航處理器是通過濾波器解算出用戶的時、空狀態（用戶的位置、時間等），其核心部分在于濾波器的設計。濾波器利用實時更新的TOA、RTT和P消息中源的狀態數據還有INS的數據，循環進行濾波計算，不斷輸出用戶的實時狀態濾波估計值和濾波誤差協方差矩陣，并將濾波定位結果外推到相應時刻，得到用于播發或濾波的用戶外推狀態。

卡爾曼濾波是一種遞推、線性的最優估計，用戶用自己的估算位置坐標（Xu，Yu，Zu）和鐘差估計值以及接收到的任一源報告的位置坐標（Xs，Ys，Zs），求出兩者之間的計算偽距。同時，根據測定的這一源信號的到達時間，求出用戶到源間的測量偽距，而是由估算位置確定出來的，二者之差代表了用戶估算位置與真實位置的偏差，用此差值對估算的用戶位置坐標進行修正，得到濾波估計值；按照用戶運動規律外推到下一濾波時刻，再次測量，再次修正，…，經過多次測量，逐步修正，就可得到精度較高的用戶實時位置。

圖2　導航處理器軟件的總體結構

濾波狀態量主要由與慣導相關的用戶位置誤差、速度誤差、姿態角誤差，以及時鐘的頻差、相對位置誤差、相對速度誤差。濾波觀測量主要包括偽距測量和RTT測量。根據濾波中的兩個觀測量相互獨立性，以及定位空間要求兩方面考慮，進一步將成員濾波器分解為有源校時RTT濾波器和地理濾波器2個濾波器，以提高濾波定位解算速度。

為兼顧工程實現難度和保證長時間工作條件下的濾波精度，對經度誤差、緯度誤差、成員鐘差、相對位置誤差等主要狀態量采用誤差累加閉環校正，將誤差估值累加，抵消校正INS和數據鏈的輸出數據，可以保證濾波模型的準確性和濾波精度，同時保證各子系統工作穩定，如圖3所示。

圖3　采用誤差累加校正的組合導航系統閉環校正原理

4　系統性能測試

引起系統定位的主要誤差源有INS誤差模型、設備延遲、時鐘同步、位置基準源、電波傳播、多徑等，其中部分誤差源是系統固有誤差。在實驗室條件下，以3臺實裝設備進行系統性能測試，主要需進行基于特定環境的INS測量數據和設備P消息模擬。

INS測量數據由理論值和INS誤差量兩部分構成。理論值由慣導物理運動方程直接得到的數據。INS誤差量主要考慮由陀螺漂移和加速度零偏所引起的誤差，其它方面引起的導航誤差統一歸入系統噪聲。INS誤差量初始值模擬為均值為0、方差為σ2的高斯噪聲，并在濾波過程中按慣導誤差傳播方程更新，其1σ值見表1。

表1　INS初始誤差參數

表2為測試結果。可以看出，INS積累誤差的變大對濾波輸出結果有影響。但是隨著導航濾波器的收斂，濾波輸出結果仍能保持較好。

表2　組合導航處理濾波結果

5　結語

本文提出的數據鏈與INS構成組合導航處理器設計方法，經工程化設備驗證測試滿足設計要求，使系統獲得了數據更新率較高的多維精確導航信息。

［1］梅文化，蔡善法.JTIDS/LINK16數據鏈［M］.國防工業出版社，2007.

［2］劉凱，劉慧.GPS/INS組合制導技術在現代戰爭中的應用及發展趨勢［J］.全球定位系統，2005.

［3］秦永元，張洪鉞.卡爾曼濾波及組合導航原理.［B］.西北工業大學出版社，1998.