基于航空数据链的陆基定位技术研究

李淑党李琰谢洪森

1.中国人民解放军91917部队,北京 1024012.海军航空工程学院青岛分院，青岛 266041

基于航空数据链的陆基定位技术研究

李淑党1李琰1谢洪森2

1.中国人民解放军91917部队,北京 1024012.海军航空工程学院青岛分院，青岛 266041

现役军用飞机导航定位是关系到飞机生存能力和作战效能发挥，我军自主研发卫星导航系统采取有源方式实现定位，难以满足高速运动飞机的战术要求，而我军研发的航空数据链系统本身并不具备定位功能，其作战效能未能充分发挥。本文在研究传统导航系统、卫星导航定位系统定位技术以及航空数据链相关技术的基础上，提出了四种基于现有航空数据链的空中武器平台定位系统的新技术体制，具有一定参考价值和借鉴作用。

航空数据链;无源定位;TDOA;布站形式;GDOP

引言

现役军用飞机的自定位是关系到战机的生存能力和作战效能发挥，是军事斗争中迫切需要解决的问题。目前，世界上主要采用卫星导航定位系统有GPS和GLONASS，它们是由美俄军方控制，战时可以关闭或施加干扰，而我国研制了了北斗一号双星导航定位系统用以解决我军自主卫星导航体系问题，但由于系统采取有源方式实现定位，战时飞机定位申请信号的发射易于暴露自身的位置，且系统定位也难以满足高速运动飞机的战术指标要求。

数据链作为信息系统连接武器系统的纽带，已广泛应用于导航定位领域。近年来，我军研制的航空数据链系统已取得了重大进展，对提高我军信息化作战整体实力发挥很好作用。由于我军的航空数据链系统本身并不具备定位功能，其作战效能未能充分发挥，因此，提出航空数据链定位的新技术体制具有非常重要的意义。

1 航空数据链定位相关技术

数据链实质是链接数字化战场上的指挥中心、作战部队、武器平台的一种信息处理、交换和分发系统，是实现指挥和控制功能的战术数据链系统。它主要采用无线网络通信技术和应用协议，实现机载、陆基、舰载战术数据系统之间的数据信息交换，由传输与终端设备、通信规程和协议等组成。

航空数据链系统克服了航空话音通信系统传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，具有抗干扰能力强、误码率低的特点，获得了广泛的应用。航空数据链的基本作用是利用数据通信手段保证飞机之间、飞机与地面指挥员或管制员之间快速交换情报资料，共享各飞机掌握的所有情报，实时监视空中飞机态势，增强飞行员、地面指挥员、管制员的态势认知能力，提高飞机飞行安全和飞行作战时相互协同能力、作战能力和生存能力，保证训练飞行、民用飞行时的安全。

航空数据链中涉及定位相关技术主要包括：网络同步、工作模式、组网方式、调制方式、布站形式、码速率等。

1.1 网络时间同步

运载体定位是基于信号到达时间或到达时间差的测量值，没有精确的时间同步，系统所测得的信号到达时间及到达时间差就无法作为计算目标位置的依据，故高精度时间频率同步系统是时间测量的根本前提。

1.2 组网方式

多网信息传输或大信息量传输时，需要完成多批次、多任务、海量信息的高速实时传输。当利用多部电台组成多个网络时，可以在多个信道上并发的方式进行信息传输，使航空数据链的有效工作范围覆盖整个战区。根据地空数据链子系统的工作模式以及数传端机的工作调制方式，地面网络采用FDM-TDM的工作方式，充分合理利用频率资源。

1.3 布站形式

通信台站或定位基站布局的几何形状不仅要最大限度的满足基站与作战空域内航空武器良好的可视性，保证无缝链接，其布站的几何结构也是影响定位精度的关键因素之一。

2 航空数据链定位技术体制分析

根据我军航空数据链的技术特点，从战术上考虑可采用基于TOA的无源定位、基于TDOA的有源定位、基于TDOA的无源定位、地空双基定位四种不同的体制。

2.1 基于TOA的无源定位

2.1.1 系统结构

该系统地面部分的终端（基站）相当于GPS全球定位系统的卫星星座，每个独立的定位系统地面部分由四个基站组成，其中一台为主控站，其余为辅站，如图1所示。

主控站，为整个定位系统提供时间基准，保证地面各基站的时间同步。主站协调地面各基站以固定周期向飞机发送定位测量信息。

辅站，在地面主站的协调下，保持与主站的时间同步，并以固定周期向空中发送定位测量信息，信息内容包括基站端机号、定位测量信息发送时间等。

机载终端接收机，同时接收地面各基站发送的定位测量信息，在定位信息处理单元获取定位信号，由地面基站到机载平台接收机的传播时延TOA，估计各地面基站与空中平台之间的伪距（因时钟同步误差，所测距离并非真实距离）融合基站三维坐标，解算机载终端的集团坐标。

图1 基于TOA的无源定位示意图

图2 基于TDOA的有源定位系统构成示意图

2.1.2 定位原理

系统定位是以地面基站和机载接收机之间的距离观测值为基准，每个地面基站与被定位飞机之间的测距可确定一个定位球面，四个基站确定的定位球面便可相交于唯一的载机位置，并根据已知的地面台站坐标，来解算机载接收机所对应的位置坐标。

为确定机载接收机的位置，只需3个独立距离观测值即可。但考虑到地面台站与机载接收机时钟难以保持严格同步，所以，可将其作为一个未知参数在数据处理中一并解出。因此，单个独立定位系统地面部分设立4个以上地面基站。

如果地面部分以多基站位置，机载接收机可同时接收多于4个基站的信号，则可列出误差方程，按最小二乘原理求解位置的三维坐标，将会得到更准确的解。

2.1.3 系统技术特点

基于TOA的无源定位，采用频分多址方式，各地面基站工作在不同的频率上。机载接收机根据信号的频率来区分来自各个基站的定位信号。在实现定位的整个过程中，空中飞机无需发射信号，保证了飞机的电磁隐蔽性。

与GPS全球定位系统相似，地面基站只负责向作用区域发射定位测量信号，定位信号的接收、信号传播时延TOA的提取、伪距测量、定位解算等过程完全由机载接收机来完成。故该定位系统的容量不受限制。

系统工作原理较简单，一些技术问题可能参照GPS全球定位系统予以解决，且定位精度较高。系统基于航空数据链，地面基站平台无需作较多改动。定位测量信号的接收机和定位信息处理单元基于机载终端，需对现役机载数传端机做较大改动。系统定位依据是定位测量信号由地面基站到机载接收机的传播时延TOA。TOA定位法精度较高，但对时间同步有较高要求，这包括地面各基站之间以及地面基站与机载接收机之间的时间同步。

基于TOA的定位算法采用递归算法，具有无明确的表达式解、需要一个与实际位置接近的初始估计位置、不能事先判断是否收敛以及计算量大等缺点。

2.2 基于TDOA的有源定位

2.2.1 系统结构

基于TDOA的有源定位系统构成与基于TOA的无源定位系统构成相似，如图2所示。每个独立的定位系统的地面部分初步设计由四个基站组成。其中一台为主控站，三台为辅助基站。

主控站，为整个定位系统提供时间基准，各地面基站均应与主控站的精确时钟同步，主控站接收来自飞机的定位请求信号，并且协调各基站的时钟同步，做好接收机载定位测量信号的准备，并向机载终端发送机载定位许可信号。另外，主控站含有各辅站所不具备的定位信息处理单元。在定位信息处理单元内，完成机载终端发送的信号至各地面基站的到达时间差即TDOA的估计，并依据TDOA，融合各地面基站精确已知的三维坐标，按照设计的算法解算出机载终端的坐标。在定位信息处理单元还要完成定位结果坐标的转换。

各地面基站通过自备的高精度时钟源，提供精密的时钟标准，实现与主站的时间同步。各地面基站接收来自机载终端的定位测量信号，加入各自基站本地时间、地面端机号等信息，将信号变频调制后发送至主站的定位信息处理单元。

2.2.2 定位原理

基于TDOA有源定位原理是目标信号到达各地面接收站的埋单差，即TDOA，称为时差定位或双曲线定位，如图3所示。它通过处理三个或三个以上测量站采集的信号到达差来对辐射源定位。在二维平面中，辐射源信号到达两个测量站的时间差确定了一对以两站为焦点的双曲线。如果利用三站可形成两对双曲线来产生交点，再利用测向信息排除虚假点，就能把辐射源的位置确定下来。

在三维空间中，辐射源信号到达两测量站的时间差规定了一对以两站为焦点的双曲面，若要确定三维空间的任一辐射源，则至少需要四个站形成三个单边双曲面来产生交点，以确定辐射源的位置。机载终端发射的信号到达地面四个基站，形成三个TDOA，即三个双曲面，它们的共同点即为飞机的位置。实现过程中，根据TDOA对飞机三维坐标解算时可能会出现无解或定位模糊问题，实际应用中常利用测向信息来排除定位模糊，以确定辐射源的位置。

该系统中，机载终端发射的信号到达地面四个基站，各辅站再将信息转发给主站，在主站的定位信息处理单元完成三个TDOA的估计，可形成三个双曲面，得到三个双曲面共同的交点，再利用某个基站对于机载终端的测向信息，消除可能存在的定位模糊，从而确定机载终端的准确位置。

2.2.3 系统技术特点

系统定位机理是机载终端发射的定位测量信号到达地面各基站的时间差，这种定位体制不需要机载终端和地面基站的时间同步，只需地面各基站之间实现精确的时间同步即可，这大大减少了系统实现的难度。

系统只有在机载终端发出定位请求时，地面基站才进入定位工作状态，并且整个定位过程地面基站不需向机载终端发送信息，没有占用数据链的通信资源。但由于系统为有源工作方式，即空中平台必须先向地面发射电磁信号，地面基站才能提取信号的时延差，进而进行定位解算，这在战时是非常避讳的。同时在求解非线性时差定位方程组时，可能出现定位模糊问题，需要冗余信息（如方位角信息）去模糊。

此外，该系统还具有有源定位的一个共同的缺点即容量受限问题。机载终端发出定位测量信息后，信息的接收、时间到达差TDOA的提取、定位解算均要在地面基站系统完成，由于组网方式、通信资源的限制，地面基站系统能够同时处理的定位请求的容量是非常有限的，且不能满足高速运动的飞机实时定位的需求。

图3 TDOA平面定位原理示意图

图4 基于TDOA的无源定位系统构成示

2.3 基于TDOA的无源定位

2.3.1 系统结构

基于TDOA无源定位系统的构成与前两种定位方案构成相似。每个独立的定位系统的地面部分初步设计由四个基站组成，如图4所示。该系统定位依据是地面各基站定位测量信号到达机载接收机终端的时延差，由地面基站发送定位信号，机载终端处理定位信号并计算载机自身坐标。

主控站，为整个定位系统提供时间基准，保证地面各基站的时钟同步。主站协调地面各基站以固定周期向飞机同步发送定位测量信息。

辅站，在地面主站的协调下，保持与主站的时间同步，并以固定周期向空中发送定位测量信息，信息内容包括基站端机号、定位测量信息发送时间等。

机载接收机同时接收地面各基站发送的定位测量信息，在定位信息处理单元获取定位信号由地面各基站到机载平台接收机的传播时延差TDOA，估计各地面基站与空中平台之间的距离差；融合基站三维坐标，解算机载终端的位置坐标。

2.3.2 系统定位原理

该系统的定位原理与基于TDOA有源定位相同，都是定位信号在地面各基站和机载平台接收机之间的传播时延差TDOA，即各地面基站与空中平台之间的距离差，故定位原理相同，均采用双曲面定位。

2.3.3 系统技术特点

基于TDOA的无源定位兼具时延差定位和无源定位的优点。时延差定位无需地面基站与机载终端的精确时间同步，在保证系统定位精度的同时，减小了系统实现的难度；无源定位体制在整个定位过程中，空中飞机无需发射信号，保证了机载终端的电磁隐蔽性，而且，该定位系统的定位容量不受限制。

定位测量信号的多通道接收机和定位信息处理单元是基于机载终端的，需对现役机载终端部分做较大改动。该系统基于时延差TDOA，定位可能出现模糊问题，需要冗余信息（如方位角信息）去模糊。

2.4 地空双基定位

地空双基定位将地面观测站和空中平台相结合来对空中远距目标进行定位和跟踪，一定程度上可以扩大定位系统的有效工作范围。可在相邻定位小区无法正常工作的情况下，作为应急方案，为超出本小区有效工作空域一定距离的空中目标实施定位。

通过双基定位，对于本小区有效工作范围内的空中目标，可直接利用地面基站进行一次TDOA定位；而超出有效工作空域一定距离的空中目标，首先对空中平台定位，再以两个空中平台和两个地面基站为观测站，对空中目标实施定位。

图5 地面观测站对空中平台的定位

2.4.1 系统结构及原理

在基于地面基站和空中平台的双基定位方案中，该系统初步设计包含以下主要功能平台：四个地面基站，两个载机观测平台。系统对空中远距目标的定位的实现概括来讲可分为以下两个步骤：

图6 地空平台结合对空中目标的定位

（1）一次定位

四个地面观测站的三维坐标精确已知，利用到达时间差法对空中平台进行定位和跟踪，可提供空中平台的航迹参数、空中平台的位置，实现对空中平台的定位。训练时，可通过空中平台机载或其它高空基准站的GPS差分基准站接收机的自身定位，对地面基站的定位结果进行位置差分，修正空中平台或高空基准站利用地面基站的定位结果，从而校正地面观测站对机载平台的定位结果，消除地面观测站对空中平台的系统固有定位误差，减少到下一个步骤定位的积累误差。地面观测站对空中平台的定位示意如图5所示。

（2）二次定位

两个空中载机观测平台和经选站算法所确定的两个地面观测站利用到达时间差法对空中目标进行定位。地空平台结合对空中目标的定位示意如图6所示。

2.4.2 系统技术特点

该方案将地面观测站和空中平台相结合对空中远距目标进行定位和跟踪，可以扩大单个定位系统的有效工作的空域范围。可在相邻定位小区无法正常工作的情况下，作为应急方案，为超出本小区有效工作空域一定距离的空中目标实施定位。但该系统构成复杂，时间同步非常困难，定位精度不能保证。

3 结束语

我军航空数据链的建设将能实现战术信息资源的共享，适应现代高技术条件下信息战的需要，极大地提高我海军航空兵的战斗力。本文在分析研究航空数据链相关技术的基础上，预想了四种在现有航空数据链条件下的定位技术体制，剖析了其关键技术和优缺点及可行性，以增强我军航空数据链功能，更好的发挥航空数据链的作战效能。

[1]孙仲康,周一宇,何黎星.单多基地有源无源定位技术[M].北京:国防工业出版社,1996,181～182

[2]李莉.基于时间测量值的无线定位算法研究[D].成都:西南交通大学,2002

[3]李剑峰.无源时差定位技术及其应用研究[D].成都:成都理工大学,2004

[4]李兴如.无源定位及其定位性能分析[D].成都:电子科技大学,2001

Research of land-based positioning technology based on the Aviation Data Link

LI Shudang LI Yan XIE Hongsen
1.The PLA 91917 Unit, BeiJing,1024012.Naval Aeronautical Engineering Engineering Institute Qingdao Branch, QingDao, ShanDong, 266041

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.18.018

AbstractActive duty military aircraft navigation and positioning is related to the survival ability and combat efficiency of the aircraft.Our independent research and development of navigation satellite system, adopt active mode to realize the positioning, can not meet the requirements of high-speed tactical aircraft.Our army research and development of aviation data link system itself does not have positioning function, its effectiveness has not been brought into full play.Based on the study of the traditional navigation systems, satellite navigation and positioning system positioning technology and aviation data link technology foundation, proposed in four based on the existing aviation data link air weapons platform positioning system new technology system, has a certain reference value and draw lessons from action.

KeywordsAviation data link;Passive location;TDOA;Station distribution form；GDOP