PDOP因子在相对导航航路分析中的应用研究

张丽敏

(西安外事学院现代教育技术中心 陕西 西安 710077)

PDOP因子在相对导航航路分析中的应用研究

张丽敏

(西安外事学院现代教育技术中心 陕西 西安 710077)

基于分析相对导航定位精度受到PDOP因子影响的目的,采用MapX电子地图软件设计测试程序,计算出地图中各个位置的PDOP值,以此为依据设计外场试验航路,通过对试验航路进行仿真测试,分析了不同航路的PDOP因子和相对导航结果,结果证明PDOP因子更有利的航路能够获得明显更高的相对导航定位精度。

JTIDS；相对导航；PDOP；到达时间

JTIDS——联合战术信息分发系统,是一种先进的三军一体化联合作战的集成通信、导航、识别系统,JTIDS的相对导航能实现精确的双格网定位,使所有系统成员能在统一的坐标系中导航定位,从而使系统成员明确知道自身的地理位置和速度、航向等时空信息［1］。

由于相对导航是依赖于在工作区域内布设若干地面位置基准来为飞机实现导航制导,导航定位精度取决于相对导航算法和空间目标的相对位置,即飞机与地面位置基准的相对几何位置和定位误差有着很大的关系,这样地面位置基准的布设会直接影响着相对导航的精度,在确保较高导航精度条件下就需要合理地布设地面位置基准的位置,同时,尽可能的减少地面位置基准的布设数量,以降低维护保养成本,所以,地面位置基准的布设方案对相对导航的实际应用就显的尤为重要。

1 相对导航坐标系

JTIDS相对导航坐标系是相对导航数学模型建立的基础。建立该坐标系的过程是:

1）原点选择:该点可以选在海平面任意一个点,为了简化设计,一般选为陆基固定站。

2）过该点作切平面,形成东、北、天三维坐标。北指的是切平面中该点真北向,东指的是切平面中该点的东向,天指的是与切平面垂直的法向方向。我们把这3个坐标轴定为U、V、W。如图1所示。

图1 相对坐标系示意图Fig.1 Schematic diagram of the relative coordinate system

2 相对导航技术

相对导航功能是以多边技术为基础。某个端机根据测量来自3个端机 的PPLI消息的到达时间（TOA）和发送端机的位置（包含在PPLI消息中）确定自己的三维位置。但是,多边技术的精确度受到有关端机时钟误差和TOA并不是同时测量这个事实的影响。因此,通过一个递归滤波器处理组合TOA的测量,以确定出自身单元的位置、移动和校正时钟。对于移动端机,航位推测数据被用于外推位置数据［2］。

另外,向滤波器提供的航位推测数据用于从连续位置估计中导出移动数据的最优组合。端机根据自己的位置和时间数据及其它端机在PPLI消息中报告的位置和时间数据的精度（质量）来选择用于滤波器处理的TOA测量。理论上,地面位置基准的数量越多,平面分布越均匀,对于相对导航解算越有利,越有利于相对导航算法根据不同的地面位置基准组合进行定位源选择,找出与定位平台的几何分布关系最好的一组位置基准进行定位运算。

3 PDOP定义

假设飞机位置的三维坐标可用（xu，yu，zu）表示,地面位置基准的时钟偏差用tu表示。飞机测量的第j个位置基准到用户的伪距为:

其中（xj,yj,zj）表示第j个位置基准的位置,c为光速［3］。位置基准坐标为已知。由此得到观测方程为:

其中:X=（δxδyδzb）T为待估向量,（δxδyδz）T为位置改正量,b为接收机钟差等效距离参数［4］,为n×3的列满秩系数矩阵,ei=（exieyiezi）为接收机指向第i个位置基准的方向余弦,满足|ei|=1,即ei（i=1，2，…，n）均位于单位球面上,L为n×1观测向量,其权阵为单位矩阵,ε为n×1随机误差向量［5］。

公式（2）中X的最小二乘解为:

由公式可知,PDOP表征了被测空中平台和地面位置基准在空间的几何分布情况。

4 外场应用

在相对导航的应用中,由于各种原因,地面位置基准的数量往往是有限的,而且通常所能安装的位置也是相对固定的。在这种情况下,预先得出相对导航的航路分布图是十分重要的。这样能够使用户提前得知各种可能的航路设计对相对导航精度的影响程度。

为此,采用Visual C++编程语言和MapX4.5电子地图编写测试程序,以外场试验阶段的航路为测试条件,共有3个地面导航基准,运动平台一个,以运动平台为测试平台,依靠地面位置基准进行导航定位。相对导航航路共两条,分别是4#航路和5#航路。

在地面位置基准数量为3个的情况下,计算地图上每个测试点的精度因子PDOP,相邻测试点之间间隔5 km,根据PDOP取值大小分为 5个范围:PDOP＜4,4＜PDOP＜20,20＜PDOP＜40,40＜PDOP＜60,PDOP＞60,标记为不同灰度的颜色。测试结果如图2所示。

图2 PDOP分布图Fig.2 PDOP distribution map

同时,统计计算4#航路和5#航路的PDOP和HDOP的平均值。

图3 4#航路PDOP统计图Fig.3 4#route PDOP statistic chart

图4 5#航路PDOP统计图Fig.4 5#route PDOP statistic chart

对4#航路的PDOP进行采样计算,采样间隔为600 m,计算可得:PDOP=32.479118。

对5#航路的PDOP进行采样计算,采样间隔为600 m,计算可得:PDOP=6.543598。

可见,4#航路的PDOP较差,5#航路较好,理论上,5#航路应能获得更好的导航定位结果。

5 相对导航测试结果

为验证航路分析的结果,对4#航路和5#航路进行相对导航模拟,为模拟实际情况,对测距加上高斯白噪声。测试结果如表1所示。

表1 测试记录表Tab.1 the test record

可见,4#航路的TOA测距误差比5#航路更高,但是PDOP值更优的5#航路最终的导航结果明显优于4#航路:圆概率误差CEP值仅为52.9。

6 结束语

相对导航是近年才发展起来的一门新型导航技术,本文在介绍其概念的基础上,针对相对导航定位精度受到定位平台与地面位置基准之间的几何分布关系的影响的问题,基于MapX地图设计了PDOP分布测试软件,对外场试验航路进行了分析和仿真验证,取得了很好效果,其设计思想可供其他系统设计方案借鉴和参考。

［1］吴美平.军用导航技术发展趋势［J］.现代防御技术,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］刘徐德,战术通信、导航定位和识别综合系统文集（第1集）［M］.北京:电子工业出版社,1991.

［3］章燕申.最优估计与工程应用［M］.北京:宇航出版社,1991.

［4］郑政谋.最佳线性滤波［M］.北京:航空专业教材编审组, 1983.

［5］PauloS.R.Diniz.Algorithms and practical implementation second edition［M］.刘郁林,景晓军,等译.北京:电子工业出版社,2004.

［6］徐瑜,杨绍清,孙牧.最小二乘滤波在目标跟踪中的应用［J］.指挥控制与仿真,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 结束语

家庭安防系统为人们的居住提供安全的环境,有效地实现了对家电、防盗报警、环境和设备等的控制,系统的分析了基于WSN的家庭安防监测系统各项功能,从系统硬件设计到软件架构的设计给出了详细的实现方案。该系统除具有普通无线传感器网络的基本优点外,还增加了各种多媒体技术和先进监控技术,在软件设计方面改进了无线路由选择协议,具有路由选择快,稳定性高,正确报警率高,监测信息完善等特点。同时该系统具有较为完善的用户服务,提供包括PC机,短信,用户网站与手机客户端等多种方式进行查询,目前,由于物联网的互联体系标准尚未统一,再加上各种子系统较多等原因,本系统也存在一些缺陷,比如系统的兼容性和稳定性还需要进一步提高和改进。

参考文献：

［1］韩秀锋.智能家居安防系统设计与实现［D］.大连:大连理工大学,2009.

［2］谢永宁.嵌入式应用初级教程［M］.北京:中国铁道出版社, 2013.

［3］季顺宁.物联网技术概论［M］.北京:机械工业出版社,2013.

［4］肖宛昂,苏高民，陆廷,等.一种WiFi智能插座构成的智能家居［J］.单片机与嵌入式系统应用，2014(5):46-48.XIAO Wan-ang,SU Gao-min，LIU Ting，et al.A smart home of WiFi intelligent electrical outlet of［J］.Journal of Singlechip Microcomputer and Embedded System Application，2014（5）:46-48.

［5］Reinisch，Kastner，Neugschwandtner etc.Wireless technologies in home and building automation［C］//The 5th IEEE International Conference on Industrial Informatics，2007:92-99.

［6］Kintner-Meyer，Conant.Opportunities of Wireless sensors and controls for building operation［J］.Energy Engineering Journal，2005，102（5）:25-48.

［7］Kai su，Dan Zhang，Narayan B Mandayam.Network coding aware power control in wireless networks［C］//CISS 2012:1-5.

［8］刘德伟.基于物联网技术的智能家居控制系统实现方案［EB/OL］.（2011-6-3）［2014-12-30］.http://www.dzsc.com/data/html/2011-6-3/89701.html.

［9］李晓卉.智能家居无线传感器网络路由［M］.北京:电子工业出版社,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稿件编号：201412237

陕西省教育厅2014年科学研究项目（14JK2117）；陕西教育科学“十二五”规划（SGH13487)

张丽敏（1980—）,女,内蒙古通辽人,硕士,讲师。研究方向:计算机技术、计算机仿真。