基于地空数据链的空中定位系统设计

亓沂滨 周鹏 谢洪森

1．海司信息化部， 北京 100084 2．海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041

引言

随着现代航空业的迅猛发展，航空运输事业持续增长，传统的点到点的航路引导模式已不适应空中交通管理要求，基于航空器自定位的空中定位系统将是解决更为有效的航路设计问题，提高空中交通容量的发展趋向。

目前世界上主要采用卫星导航定位系统和惯性导航系统为飞机提供自定位信息。卫星导航定位系统主要使用美国GPS。由于它是由美国控制，常会由于战争等因素关闭或施加干扰。惯性制导系统在给定初始定位信息后，短时间内可由飞机自身完成定位工作，但要适当修正惯性导航系统随时间增加产生的积累误差，以保证惯性导航系统工作的准确性。

数据链作为地空通信的重要手段，是新航行系统的重要组成部分，可通过数据链实现定位功能。

1 地空数据链定位相关技术

数据链实质是链接空中交通管制中心、机场、航空器的一种信息处理、交换和分发系统。它主要是采用无线网络通信技术和应用协议，实现地空之间的数据信息交换。

地空数据链系统克服了地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，并且具有抗干扰能力强、误码率低的特点，获得了广泛的应用。

地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、地面管制员的态势认知能力，保证飞行安全。

地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

航空器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或到达时间差就无法作为计算目标位置的依据，所以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。当利用多部通信设备组成多个网络时，可以在多个信道上并发的方式进行信息传输，使地空数据链的有效工作范围覆盖整个空域。

1．3 布站形式

地面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空域内的航空器良好的可视性，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 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的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l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。主站要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，解算机载终端的位置坐标。

图1 定位示意图

3 定位实现机理

系统定位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航空器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，只需要3个独立距离观测值即可。但是考虑到地面台站与机载接收机时钟之间难以保持严格同步，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必须设立4个以上地面基站。

如果地面部分以多基站布置，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。

4 系统技术特点

系统可采用频分多址方式，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，航空器无需发射信号，减少了相互间的电磁干扰。

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。所以，该定位系统的容量可不受限制。

该系统一些技术问题可以参照GPS全球定位系统予以解决，且定位精度较高。系统基于地空数据链，地面基站硬件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，需对机载数传端机做较大改动。

该系统的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。

5 结束语

地空数据链的建设将能实现航行信息资源的共享，满足现代信息条件下空中交通管理的需要，极大地提高空中交通容量。本文在研究、分析地空数据链相关技术的基础上，预想了地空数据链空中定位系统设计，分析了其关键技术的优缺点及可行性，以增强地空数据链功能，更好的发挥地空数据链的使用效能。

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