无线通信与定位一体化技术应用

胡汉武

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

无线通信与高精度定位一体化对无人集群系统发挥作战效能具有重要意义。在强对抗作战时，地面固定站、定位卫星等被摧毁或强干扰而导致定位失效且无其他辅助定位手段的情况下，作战平台自身将无法定位，作战者将无法构建精准的战场态势，从而网络中各作战平台将难以协同作战和实施精准打击。为此，如何充分利用无线电通信机制进行网络节点间精确校时和精准测距，进而为作战平台提供能够支持战场态势需求的位置信息成为一个亟待解决的问题；同时可以利用导航定位获得的PVT（位置、速度、时间）信息，为跳频通信系统提供跳频时间同步，为智能天线系统提供波束方位指向信息，以及为自组网通信网络提供物理拓扑参考信息等。通信与定位两功能存在同时运行的情况，如何将二者在技术体制和硬件方案实现上进行深度的有机融合，对凭借有限的网络资源调度实现精细化管控和业务逻辑交互控制等提出了更高的要求。

1 基于无线通信的高精度定位

1.1 基于通信与定位一体化的波形体制设计

对于配备GPS/北斗模块的通信设备而言，可以直接获得自身的地理位置信息；若节点因各种原因无法正确接收到卫星信号而导致无法实现定位，则通过电台的无线定位方法来实现自主定位，获得高容错、高精度的网络节点间相对位置信息。基于无线通信设备实现定位的具体过程为：

（1）信标节点逐级授时实现粗同步入网，具备通信能力，图1为多跳网络逐级授时示意。

图1 多跳网络逐级授时示意图

（2）基于RTT（Round-Trip-Time）双向校时实现精同步，消除距离延迟、时钟抖动，实现高精度授时与维持，图2为相邻节点双向校时示意。

图2 相邻节点双向校时示意图

（3）与多个基准点连续性单向测距TOA（Time of Arrival），内外时钟模式均可实现精确测距，图3为相邻节点TOA单向测距示意。

图3 相邻节点TOA单向测距

（4）在高移动环境下，优选时钟等级高、链路质量优、几何因子的位置（GDOP＜3）参考点位置好，进行多边定位，实现定位精度小于200 m（CEP），图4为参考点优选及多点定位示意。

图4 参考点优选及多点定位

（5）融合其他多源位置信息，进行误差补偿，并采用扩展卡尔曼滤波进行信息融合定位，提高定位精度，图5为多源位置信息融合定位示意。

图5 多源位置信息融合定位

针对近距离、中等距离和远距离，采用VHF、UHF、L/S等不同工作频段，通信与定位一体化的波形达到的无线通信与定位技术指标如表1所示。

表1 无线自组网通信与定位一体化波形技术指标

1.2 基于无线通信实现对卫星定位增强

普通的单点定位技术由于卫星信号在空间传播时受到电离层、对流层等影响，信号传播时产生一定的折射，导致伪据观测误差。对于同一作战区域的所有用户来说，卫星信号传播经过大气层带来的误差具有相关性，可以认为误差相等。定位基准站计算出测量误差值，通过无线通信手段传输到每个移动用户，可以有效提高移动用户北斗定位精度值。

北斗定位地基增强系统是集卫星定位、计算机网络和无线通信等技术为一体的系统，在战区临时架设或永久架设北斗基准信号站，基准信号站对接收的北斗信号与基准定位数据进行对比，获得作战区域内整体的卫星信号空间误差模型。基于定位和通信一体化，北斗基准信号站通过无线通信网络对所获得的差分信号数据进行周期性的广播，其他移动站点接收到差分数据后，对接收的卫星信号进行相应的补偿，可以显著提高定位精度和授时精度。

北斗定位增强系统由北斗卫星收发系统、北斗基准站、信息处理系统、数据传输系统和差分信息发射系统等五个部分组成，各基准中心与差分信息发射系统通过数据传输系统连接成一体，形成专用的参考站网络，数据传输系统与定位导航数据播放系统共同完成通信传输。图6为基于无线通信实现对卫星定位增强系统方案示意。

图6 基于无线通信实现对卫星定位增强

1.3 基于无线自组网通信实现战场位置态势共享

对于多军兵种的联合作战，每个用户节点通过北斗定位或无线通信定位获取自己的位置信息，同时将自己的位置信息通过广播业务进行扩散，从而构建战场所有用户的位置态势图。在机动作战过程中，位置态势图周期性更新，使得作战方可以获得实时态势图，如图7为基于无线通信实现战场位置态势共享示意。

图7 基于无线通信实现战场位置态势共享

美军的“蓝军跟踪系统”（Blue Force Tracking, BFT）由全球定位系统（GPS）、L频段通信卫星系统以及万维网等系统组成。每个节点终端设备每隔一定时间通过卫星通信将各自的位置信息传送至控制中心，控制中心形成敌我方态势，并采用不同颜色进行标识，形成全网统一态势图，然后再将合成的态势图发送到车载终端和单兵终端。终端节点定期向控制中心发送位置信息，控制中心依据态势变化和作战需求发送态势图到终端节点，以最小的网络带宽获得实时精确的战场态势。BFT向作战者提供单一综合的地面战场态势图，实现参战单位信息共享。BFT系统综合运用了无线通信网络和卫星定位系统技术，从GPS定位系统获得己方和友方的位置，并从传感器获得敌方的人数和位置，通过无线网络进行各种位置信息的汇聚和分发，解决了信息化战场“敌”“我”“友”三方的地理定位问题。

2 导航定位赋能通信的典型应用

2.1 基于时空（Time&Positon）信息的短波自适应快速建链

短波通信以天波传输为主。由于天波信道为变参信道，导致短波通信具有以下特征：第一，由于电离层的变化，白天和晚上可通频率发生变化；第二，收发站点处于不同地域可通频率不一样。目前的短波通信选频建链由专业人员手工操作，通信双方在前期需借助大量的实际通信数据作为支撑，由专业人员根据经验手工选择可通的短波通信频率，完成选频建链。

基于地理坐标和时间窗格参数，通过查询信道模型库可以实时获得任意两个站点之间的可通频率或频段，结合宽带接收机可以实现快速建链。基于空时信息的短波建链过程所需时间可以降到几秒，目前基于经验的人工选频建链时间需要15分钟至60分钟。

2.2 基于方位和速度信息（Positon&Velocity）微波电台定向天线组网

微波网络电台具有频率高（C/XC/Ku），可用带宽宽，传输速率高、时延小等特点，采用定向天线获得高天线增益以抵消高频信号自由空间损耗。基于定位信息、高精度时钟和陀螺仪，可以实现微波网络电台的定向天线高效组网。基于定向天线的无线自组网的过程为：

（1）基于方位信息实现定向天线波束快速对准，图8为定向天线基于方位波束对准示意。

图8 定向天线基于方位波束对准

（2）基于方位信息实现源节点到目标节点快速路由。

（3）基于方位信息实现微波网络电台频分、空分接入，提高网络吞吐量，如图9所示。

图9 基于方位实现频分、空分接入组网

2.3 基于位置信息（Position）的移动自组网快速路由技术

对于移动自组网（Ad Hoc）的传统路由算法，需要进行全网的拓扑公告，以便每个节点均获能得全网的物理拓扑信息。依据网络节点的物理拓扑，采用优化链路状态路由（OLSR）协议或动态源路由（DSR）协议进行路由计算。但随着网络规模的扩大和网络节点机动性的增强，这两种传统路由算法收敛时间长、网络开销大的问题日益凸显。如果Ad Hoc网络已经获得网内各节点的位置信息，则可以根据位置信息生成全网物理拓扑图，并基于位置拓扑图的路由策略实现快速路由，相较于两种传统的路由算法具有以下优势：

（1）基于位置信息获取网络物理拓扑信息，实现移动自组网快速建网。

（2）基于位置信息建立源节点到目标节点的初始动态源路由，再采用模拟退火算法对源节点和目标节点之间的路由进行优化，实现单播业务快速路由。

（3）基于位置信息，选择合适的节点作为多点中继节点MPR（Multi-Point Relays)，完成全网广播业务或泛洪。

基于位置的路由策略分为三个阶段：

（1）网络建立的应用。网络建立阶段，网络中各节点已获得基于位置信息的物理拓扑图。可以根据物理拓扑中相邻节点最远相对距离选择波形的传输距离保护和发射功率自适应调整，以达到最小的保护时延开销和功耗；根据网络节点分布情况进行动态分簇和簇首节点选择，以便获得最优的网络子网划分策略；在子网内通过拓扑连接关系，选择邻居节点较多的节点作为多点中继转发节点（MPR），并根据拓扑关键节点所在位置进行合理的信道资源配置。

（2）网络维护阶段的应用。对于高机动自组网，网络的拓扑和链路状态处于连续动态变化之中，对于4至8跳的多跳网络，由于拓扑传递不及时导致网络震荡，影响全网的吞吐量。采用定位和移动速度信息相结合的路由维护策略，可以隔离拓扑抖动的节点，以避免扩散到全网；同时也可以根据移动速度进行拓扑预判，主动改变路由策略，保证路由平滑过渡以及业务连续传输。

同时为了提高网络吞吐量，可以以相对距离为门限设置信道空分复用机制，在2跳之外的节点进行空分复用，以最大限度提高信道资源的复用率。同时对于拓扑节点稀疏的位置或地形地貌开阔的地方，自动设置无线通信补盲中继节点，提高网络通信的健壮性。

（3）路由优化选择中的应用。在无线自组网多路由选择方面，可以将路径长度融合业务优先级、速率、链路状态等多因子进行路径优选，基于多因子的路径选择算法具有传输时延低、支持负载均衡、提升网络吞吐量等优势。

3 结 论

有北斗定位服务时通过无线自组网通信实现局域北斗相对定位增强，可以提供高于0.5米的高精度相对定位导航；北斗定位被拒止时，无线通信实时完成节点间的距离测定，并通过优选位置参考点和多种定位信息融合，完成战场各节点间不同精度的定位；各个节点具备位置信息的情况，可以通过无线自组网进行位置信息汇聚，构建战场所有用户的位置态势图。在通信与定位一体化的系统中，利用定位装置获取节点的时间信息、位置信息，实现短波电台的快速建链，保证短波电台通信的可靠性和稳定性；利用方位和速度信息完成微波电台的快速组网，实现定向天线波束快速对准和通信节点时、空、频多维接入；利用位置信息完成移动自组网快速路由，实现高动态条件下的快速、高效路由。通信和导航定位功能可以相互增强，提高系统整体性能，并且无线通信与定位可以进行一体化波形和硬件设计。