战术网络信息系统中自主定位与时间同步技术探究

2018-05-10严永锋顾仁财

现代导航 2018年2期

严永锋，顾仁财

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

在日益复杂的现代战场环境下，多平台网络化、信息化的联合作战、协同作战成为战争的基本作战模式[1]，为作战提供可靠统一的高精度时间和空间信息是实施一体化联合作战的重要基础与前提。基于卫星导航系统的精确定位与授时是实现各作战单元时空统一的一种重要手段。但是，在电磁环境复杂、频谱对抗激烈的作战空间中，卫星导航系统由于其信号发射功率低、穿透能力差等固有弱点，同时，随着各种新型反卫星武器的出现，使得其在战时的可用性受到严重挑战[2]。而惯性导航系统（INS）作为另外一种重要的手段，其工作不受外部环境影响，能够完全独立自主地提供多种导航参数（位置、速度、姿态），具有数据更新率高、稳定性好、隐蔽性高等优点，但INS的导航参数的误差（尤其是位置误差）会随时间累积，难以满足作战平台长时间航行中导航、定位及时统的需求。

以数据链为典型代表的战术网络信息系统是信息化条件下一体化联合作战的关键装备[3]，具有较强的抗干扰、抗毁、保密性能，因此，在多平台所需的高精度时空信息无法得到保障的情况下，基于战术网络信息系统而实现的导航定位授时功能是解决在拒止条件下多平台时空统一的重要途径。与通信功能共生的自主式导航定位授时功能，具有与战术网络信息系统相同的抗干扰抗毁能力和覆盖范围，定位精度达10m~100m量级，可有效弥补卫导、惯导等导航定位系统的不足，为作战平台提供高质量导航服务，支撑强对抗环境下联合作战中态势统一、指挥控制和战术协同等战术功能。

1 需求分析

基于战术网络信息系统的联合作战、多平台协同作战任务，相比与单平台，对时间和空间信息提出了更高的要求，主要包括以下几点：

（1）远距离：随着战略转型和海洋权益争端突出，要求战术网络信息系统必须具备远程覆盖能力，覆盖范围包括东南沿海、第一第二岛链延伸、周边纵深目标区域，及远海海域、海外基地等。

（2）高精度：新兴网络信息技术的飞速发展与广泛应用，不断涌现出多传感器协同探测、电子战无源协同定位、跨平台武器制导、无人蜂群作战等新型作战样式，对时空信息精度要求不断提升。

（3）大容量：多军兵种的联合作战中，作战兵力涉及陆军、空军、海军、火箭军、战支等多军兵种的作战单元，战场覆盖范围可达数百至上千公里，要求系统具备支持大容量用户的能力。

（4）强抗扰：现代信息化战争中，对抗与反对抗伴随各作战进程，要求导航定位功能具备较强的抗干扰、保密性。作战中部分节点失效，系统应仍能提供可靠的导航定位能力，具备抗毁顽存性。

2 发展现状

由于GPS的脆弱性，美军一直致力于寻求强军事对抗条件下的可用、灵活、强健和高精度的PNT能力，并明确指出将发展利用无线通信网络提供、并增强导航定位授时能力[4]。

2.1 Link16

Link16数据链是一种大容量、保密、抗干扰、的战术通信系统[5]，具有通信、相对导航、网内识别等功能，可以将陆、海、空等参战平台连成一个统一的通信网络，实现战场情报实时共享、统一指挥和战术协同。

Link16是综合采用了高速跳频、直序扩频、发射时间抖动、检错纠错编码、数据交织等多种措施，采用“多重加密措施”和“无固定中心节点网络结构”，具有很强的抗干扰、抗毁、保密能力, 典型定位精度为30～100m。国外对Link16和军用GPS的抗干扰性能进行了分析比较[6]，结果表明：对于1kW的干扰机，对军用 GPS有效干扰距离为 110km，对Link16有效干扰距离为18km。

2.2 EPLRS

EPLRS是一种保密、抗干扰、超视距的数据链系统[7]，工作在 UHF（420-450MHz）频段，采用TDMA（时分多址）方式和 X.25 协议工作，可在战场上提供近实时的数据通信、导航定位和识别功能，典型定位精度为15m（CEP）。一个EPLRS 网络通常具有两个主控设备，互为备份，能够容纳460个用户。EPLRS通过采用TDMA 方式来为大量移动用户分配信道容量的同步网络，提供高度可靠的传输信道，构成战术互联网的骨干网络。每个无线电台维护自己的时基并与一个网络控制站（NCS）保持同步，NCS 不仅维护整个网络的时基，而且控制整个网络的路由和信道分配。

2.3 战术网络信息系统中导航增强技术

（1）空间战系统中心（SSC）提出了GPS/Link16组合架构[5]，GPS和Link16之间能直接传送精密时间的能力，使得GPS接收机能够进行Y码直接捕获，以提高GPS抗干扰（提高10dB）、抗欺骗能力。

（2）美军利用Link16的通信链路传输GPS差分信息[8]，以改进Link 16相对导航和时间同步性能，相对定位精度在1英寸左右，时间同步精度小于1ns，可满足火控级战术协同、空中加油等应用。

（3）STOIC项目为多功能通信系统的创新架构和技术提供解决方案，且不依赖GPS完成移动平台间的授时和定位，实现皮秒级授时精度、与GPS相同的相对定位精度，可用于在拒止环境中多平台协同探测、无人机自主空中加油等。

（4）在导航信息融合方面，国外开展了联邦滤波、粒子滤波、非线性非高斯信息融合的无轨迹卡尔曼滤波、智能容错组合算法等技术的研究工作，取得了大量研究成果[9-10]。

综上所述，利用战术网络信息系统提供的导航定位授时能力，成为导航领域的重要发展趋势之一，将在未来的作战行动中发挥重要作用，相关技术对我国导航领域技术的发展具有重要参考意义。

3 系统设计

3.1 体系结构

利用无线通信网络实现自主导航定位存在以下几种模式：

（1）以地面固定基准为导航源的地理导航模式

该模式下，地面固定基准位置精度高，通过光纤授时实现地面基准间高精度时间同步，可减少因站点间对时而增加的通信网络开销，避免实际应用中站点间受视距或地形遮挡的影响。该模式的不足之处是依赖地面基准站，造成作用范围受限。

（2）以整个网络中卫导可用节点为导航源的地理导航模式

战术信息网络成员数众多、战场覆盖范围广，即使敌方对卫导信号进行压制干扰，仍然可能存在处于卫导干扰区域外的某些成员卫导可用。因此，当网络存在2个卫导可以的节点，就可以通过强抗干扰的战术通信网络实现自主定位。如果敌方干扰机功率足够大，使得整个战术信息网络所有成员卫导不可用，则无法实现自主定位。

图1 以一个移动平台为导航源的相对导航模式

（3）以一个移动平台为导航源的相对导航模式

该模式可在战术通信网络所有成员卫导均不可用情形下，仅通过测距信息便可实现各网络节点间精确相对定位。不足之处是：需要一个节点担任导航控制者（NC，也就是相对位置基准），与其它待定位节点存在相对角度移动才能实现定位。此外，由于NC在短的时间内很难有较大的角度移动，因此相对定位精度有限，特别是对于距离NC较远的用户而言。

（4）基于测距+测角的相对导航模式

该模式可在战术通信网络所有成员卫导均不可用情形下，实现各网络节点间精确相对定位，实现方式简单直接。不足之处是：由于飞机平台限制（天线尺寸受限），造成测角精度较差，随着节点间间距增大，相对定位精度变差。另外，定向通信网络能够支撑的网络成员数有限。

基于上述分析，战术网络信息系统自主导航定位和时间同步的体系架构设计如图2所示，同时包含上述四种导航定位模式。其中，相对定位模式可不依赖地面基准和卫导实现编队作战精确相对定位，可有效支撑国土范围外的作战应用，而以网内存在的地面固定站或卫导可用节点为导航源的地理导航模式，充分利用了战术信息网络强大的信息共享能力和体系对抗优势，能有效提升系统对复杂战场环境的灵活适应性。

运动平台为基准+测距的相对定位模式具有可容纳用户成员数多，覆盖范围广等优点，适用于大规模一体化联合作战，可支撑战术级协同，但存在定位精度有限、对NC航路有一定要求的缺点。

基于测距/测角相对定位模式具有对飞行航路无要求，但可容纳的网络成员和作用范围有限，定位精度与角度测量精度有很大关系。战斗机平台受天线尺寸的限制，相对定位精度相对较差，而舰船平台基本不受尺寸的现状，相对定位精度较高，能够支撑武协级协同需求。因此，可先利用测距/测角实现舰船编队高精度相对定位，再利用测距信息能够解决以运动平台为基准+测距的相对定位模式存在问题，使系统同时具备广域覆盖、高精度、大容量等优点。

以地面固定站为基准+测距而实现的导航定位，可能充分利用我国目前已建设的战术信息网络基础设施，为国土范围内或边境区域的作战平台提供抗干扰抗毁的导航定位授时服务（可逐级传递，从而扩展使用范围，但精度也逐级降低）。

图2 战术网络信息系统自主导航用户体系结构

3.2 技术体制

本文采用双格网定位机制，即用户同时确定自己在“相对格网”和“地理格网”的状态，并通过相对坐标系偏移跟踪来建立二者的关系，利用卫导干扰区域外的成员或地理位置精确可知的地面成员的精确地理数据，实现对相对测量信息与地理测量信息的高效融合，有效提升网内成员位置精度。

图3 双格网定位机制原理图

（1）地理定位：与卫星导航系统相同，采用地理坐标系。可采用经过测绘过的固定地面台、或可获得卫星导航高精度定位信息的端机作为基准源，通过 TOA测量信息和圆圆交汇定位原理，把准确的绝对地理信息传导到整个网内系统。

（2）相对定位：相对坐标系是由NC建立的，NC从平台INS获取实时的经度和纬度（λ,L）位置信息，并根据所规定的相对坐标系原点与坐标轴指向，计算出自己在相对坐标系中的位置（u,v），然后通过PPLI消息将自己的λ,L,u,v值广播出去。由于NC INS的位置误差和航向误差造成坐标原点缓慢平移和轴向缓慢旋转，定义北向坐标轴与真北方向（即当地子午圈）的夹角β为相对格网偏移角，如图4所示。

（3）组合导航处理：为避免高动态平台“数据过冲”现象，抑制信号中断带来的不利影响，自主定位功能需要与平台惯导系统交联，通过集中式Kalman滤波算法将通信网络测距/测角信息与平台惯导数据相融合，以提高定位结果的准确性、连续性、可靠性。此外，由于战术信息网络成员在高度上的几何分布较差，因此，待定位用户高度信息通常由气压高度表确定。

图4 地理坐标系与相对格网坐标系的关系

（4）时间同步处理：自主网络时间同步主要通过双向往返校时（RTT）方式实现，可无需知道待同步成员和已同步成员的精确位置，并规避无线信号在大气传播中的延迟误差，RTT原理如下：

图5 RTT原理

待同步成员通过 RTT获得其与已同步成员的时间偏差测量值ε，利用Kalman滤波算法对时钟漂移规律进行滤波、跟踪，基于Kalman滤波器的预测值对时钟进行实时修正（如每50ms修正一次），从而节省网络资源，并有效降低时差测量值中随机误差，提高时间同步精度。

4 关键技术

4.1 定位源选择策略

战术网络信息系统可容纳数百上千个成员，被定位用户在两次导航滤波间隔时间内（1～12s）可能会接收到多个供选择的定位源消息。源的位置、时间品质等级和几何分布是影响相对导航性能的重要因素，如果利用品质较低或几何分布较差的源数据参与定位，会引起定位精度和时间同步精度变差、甚至滤波器发散等现象。由于多基准源的异步测量、以及多影响因素之间的相互牵制与耦合作用，因此，需要根据用户的角色及具体应用场景，综合考核位置品质、时间品质以及几何分布等要素，制定合理的源选择准则，为地理导航、相对导航、高度滤波器等提供最佳的源选择结果，避免误差扩散，确保导航系统的稳定性。

4.2 高效导航信息融合算法

为了确保战术网络信息系统自主导航定位授时功能在强对抗环境下的可用性，通常需要将战术网络自主定位信息、北斗导航信息、惯性导航（高度表）信息进行融合，而这些信息的融合处理存在以下几个方面的问题：

（1）战术网络的相对测量信息与北斗导航信息的参考基准并不一致，无法直接融合使用；

（2）战术网络自主定位与惯导的组合方式有多种，在时效性、准确性、稳定性等方面各有优缺点；

（3）战术网络自主定位、北斗导航可能会因遭受干扰、欺骗而导致输出结果的突变或缓变，需要快速、准确地检测出这些故障数据。因此，需要研究基于双格网的组合导航滤波算法，以实现对多导航信息的高效综合，提高导航定位功能的精度和可靠性，增强抗干扰抗欺骗能力。

4.3 自适应时间同步技术

战术信息网络节点数众多，而通信资源有限，网内所有成员定期向时基发送定时消息将占用大量的资源，压缩其它重要战术信息的发送机会。因此，需要采取灵活的定时消息发送策略，来实现对通信资源的精细化使用。此外，现代作战飞机呈现出高速高机动特性，作战飞机极端的温度、压力和加速度可能会对端机时钟稳定度带来影响，使得时钟漂移规律变得极其复杂，传统的一阶马尔科夫模型或一阶线性模型难以适应这些变化，需要利用自适应的时间同步滤波算法，提升复杂环境下的时间同步性能。