TDMA数据链系统定位导航设计与应用

2016-08-29四川九洲电器集团有限责任公司杨其聪

电子世界 2016年15期

关键词：定位导航数据链卡尔曼滤波

四川九洲电器集团有限责任公司　杨其聪

TDMA数据链系统定位导航设计与应用

四川九洲电器集团有限责任公司杨其聪

本文针对时分多址（TDMA）数据链导航和惯性导航的系统不足，实现了一种基于TDMA接入方式的数据链导航处理器，通过卡尔曼滤波将惯性导航系统（INS）与数据链结合起来，提高导航精度，增强数据链系统作战性能，符合现代化立体作战发展需求。

TDMA；数据链；INS；卡尔曼滤波

1　引言

战术数据链在现代战争中发挥着极其重要的作用，数据链应用的水平在很大程度上决定着信息化战争的水平和能力。但是，数据链系统自身位置信息更新率较低、无姿态信息，难以满足高动态战机火控和轰炸机武器投放的要求。作为自主式推航系统，INS隐蔽性好、短时精度高、输出信号连续，并能提供姿态数据，但有积累误差，限制了长时间工作的性能。若将数据链与INS构成组合导航系统，相互取长补短，互为余度，将可提高系统定位导航精度和可靠性。

2　TDMA数据链系统定位导航

系统中的各个成员接收其他成员播发的P消息（参与者精确定位与识别消息）带的位置信息，结合信号到达时间（TOA），以确定自己的地理位置。

系统的时间同步和TOA测量是实现定位导航的基础之一。用户根据源的位置数据和测出的距离，采用基于多个源的多边定位方法，测量出用户在空间中的位置。然而，在TDMA工作情况下，各源按一定时间顺序轮流辐射，并且源和用户都在运动，不可能在同一时刻测出到三个源的距离，如图1所示。

图1　TDMA系统TOA测量

因此，利用经典的导航定位方法不可能得到准确的位置数据。数据链系统的导航功能须将TOA测量与惯性导航系统相组合，用TOA不断校正惯导的误差，以提供高精度位置、速度、航向姿态角和时间信息，并保留较强抗干扰能力。

3　组合定位导航处理器设计

组合定位导航处理器由多个功能模块组成，总体结构框图如图2所示。

导航处理器是通过滤波器解算出用户的时、空状态（用户的位置、时间等），其核心部分在于滤波器的设计。滤波器利用实时更新的TOA、RTT和P消息中源的状态数据还有INS的数据，循环进行滤波计算，不断输出用户的实时状态滤波估计值和滤波误差协方差矩阵，并将滤波定位结果外推到相应时刻，得到用于播发或滤波的用户外推状态。

卡尔曼滤波是一种递推、线性的最优估计，用户用自己的估算位置坐标（Xu，Yu，Zu）和钟差估计值以及接收到的任一源报告的位置坐标（Xs，Ys，Zs），求出两者之间的计算伪距。同时，根据测定的这一源信号的到达时间，求出用户到源间的测量伪距，而是由估算位置确定出来的，二者之差代表了用户估算位置与真实位置的偏差，用此差值对估算的用户位置坐标进行修正，得到滤波估计值；按照用户运动规律外推到下一滤波时刻，再次测量，再次修正，…，经过多次测量，逐步修正，就可得到精度较高的用户实时位置。

图2　导航处理器软件的总体结构

滤波状态量主要由与惯导相关的用户位置误差、速度误差、姿态角误差，以及时钟的频差、相对位置误差、相对速度误差。滤波观测量主要包括伪距测量和RTT测量。根据滤波中的两个观测量相互独立性，以及定位空间要求两方面考虑，进一步将成员滤波器分解为有源校时RTT滤波器和地理滤波器2个滤波器，以提高滤波定位解算速度。

为兼顾工程实现难度和保证长时间工作条件下的滤波精度，对经度误差、纬度误差、成员钟差、相对位置误差等主要状态量采用误差累加闭环校正，将误差估值累加，抵消校正INS和数据链的输出数据，可以保证滤波模型的准确性和滤波精度，同时保证各子系统工作稳定，如图3所示。