关于数据链的协同定位研究

　　引言
　　GPS是当今最常用的卫星导航定位系统，具有价格低廉、使用方便、定位精度好等优点，但是GPS在军事运用中易受干扰、动态环境中可靠性差。为了克服单一卫星系统在某些条件下失效和可靠性问题，采用GPS与惯性导航系统(INS，简称惯导)相结合的组合导航技术。惯导是利用安装在载体上的惯性测量装置来感测载体运动，输出载体的姿态和位置信息。惯导系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出。但是存在误差随时间积累的问题，导航精度随之发散，不能单独长时间工作，必须不断校正信息。GPS与惯导的结合使用而非简单相加，而是采用卡尔曼滤波技术，有助于提高单一系统定位精度，改善GPS动态特性，提高系统抗干扰能力。
　　采用GPS与惯导组合定位方法，对三枚智能导弹采用卡尔曼滤波融合相对惯导信息和相对GPS信息，能测得导弹间相对速度和相对位置，实现三枚导弹实时定位。但该方法采用降阶模型虽然简单，但是对导弹之间的相对运动有一定的限制，并且依赖于GPS，不利于战场环境下进行可靠打击.
　　1.惯导/数据链协同定位
　　目前使用GPS与惯导组合主要应用于飞机和导弹等武器的定位，由于GPS易受干扰且战时不能依赖，所以在无GPS条件下应寻求提高武器定位精度的方法。考虑惯导系统的定位误差呈正态分布，工作在同一位置的多套惯导通过对输出取加权平均的办法可以明显提高其定位精度。但是，由于受惯导体积、重量及成本限制，在多数情况下，单个武器仅装广2套惯导，加权平均难以实现。从体系的角度考虑，将上述思想应用到一个机群或者一个导弹集群，并为每个节点配备一套数据链，利用数据链实时测量并相互通报各惯导位置以及它们之间的相互距离，利用距离信息和惯导提供的位置信息，通过数学建模和算法准则来估计各惯导的位置误差，这样可以达到与加权平均类似的效果。
　　2.导弹集群协同定位
　　导弹协同作战是指导弹通过发射平台、指挥系统和导弹间相互协同和信息融合，实现导弹集群战术、火力相互支援，从而提高导弹集群的探测、跟踪和攻击等能力的目的。
　　2. 1系统构成
　　导弹集群中每枚导弹称为一个节点，在硬件组成上，每个协同定位系统节点都由一条弹载数据链、一套惯导系统和一套协同定位计算机组成。导弹集群在不同的作战环境下应选择不同的协同作战样式，这样才能充分发挥其整体性能。
　　导弹典型的协同方法有：
　　(1)多弹齐射
　　多弹齐射是采用不同类型的导弹在不同频率、不同方向上对同一目标进行打击。该方式可以提高导弹突发能力和电子对抗能力。
　　(2)领弹与攻击弹的组合
　　对于海上运动目标，在只了解地方概略位置的情况下，先发射多枚领弹以扇形区域进行搜索，通过弹道设定使各领弹协同搜索区域相互覆盖。待确定目标后，通过数据链目标位置信息发送给攻击弹，二者相互配合，对目标区域进行打击，数据链是协同定位系统的核心设备，可以构成点对点、一点对多点的数据链路和网状数据链路。从20世纪60年代开始，美军和北约组织开始研究数据链，根据不同作战需要和技术水平，研制出一系列数据链[M]：Link-4， Link-11，Link-16， Link-22 等。其中 Link-16采用 JTIDSCJointTatical Information Distribution System)传输信道，使得其在抗千扰，数据吞吐率以及终
　　端设备小型化方面得到很大提升，并成为美国国防部首选战术数据链;Link-22通过中继进行超视距通信，可在陆地、水面、水下、空中和空间各平台内交换目标航迹信息，实时传递指挥命令和报警信息。
　　2.2测距方案与时间同步
　　数据链测距采用无线电测距技术，包括三种方式：单向单程测距法、双向双程测距法和双向单程测距法m。
　　单向单程测距法，全部节点使用同一时钟，发送节点发送带有发射时刻的信息，接收节点测量到达时刻，两时刻相减再乘以光速即可得各节点间相互距离。但是全局同步并非易事，需要昂贵的高精度晶振来减少钟偏和钟漂。双向双程测距中，每个节点有自己的时钟，无需全局同步，采用请求一应答方式，各节点通过计算往返信号的时间得到相互距离。但是，该方法需要顺序地进行节点间测距，所需时间长，而且设备复杂
　　2.3导弹协同定位算法
　　导弹协同定位是基于惯导和数据链的系统定位算法，在协同方法上分为领弹与攻击弹的协同、导弹集群协同两种方式。在GPS不可用时借助于数据链传递导弹之间距离信息，结合惯导测得位置信息，建立协同定位模型，构建系统状态方程和量测方程，采用卡尔曼滤波方程对系统进行滤波解算，可以估计出惯导参数误差值，并对已有参数进行修正。
　　国外关于导弹协同定位的比较少。国内方面，借助于机器人协同定位思想，采用基于领弹测距的卡尔曼滤波方法，此方法要求至少四枚相对精度较高的领弹，然后对定位精度较低的攻击弹进行协同定位。但当领弹数目少于四枚或者所有导弹定位精度相当时该方法无法进行协同定位。针对这点不足，提出采用基于相互测距信息的加权秩亏自由网平差的导航协同方法，通过引入加权自由网平差削弱对领弹定位精度高的要求，同时有效缓解了惯导误差的发散速度，但是该方法没有考虑导弹的高度信息，只是在二维空间内进行了导弹协同定位。探讨了导弹协同的数目低至两枚时仍可以借助于一枚导弹的定位信息，采用余弦定理方法对另一枚受干扰条件下丢失距离信息的导弹进行定位，但是该方法对导弹建模要求较高，不具备一般实用性。在地面网与导弹协同定位方面，采用远程控制数据链对巡航导弹远程控制实验平台进行仿真，针对延时和带宽估计的数据包协议使仿真结果的有效性得到提高。但是，基于远程控制数据链的研究还处于起步阶段，该论文只在物理层进行设计，未来在上层设计中还有很多工作。
　　综上所述，导弹协同定位方法中，采用领弹与攻击弹结合方式可以实现对攻击弹的精确定位，但这种采用卡尔曼滤波的处理方法无法缓解惯导误差的发散速度，并且在GPS不可用时领弹定位精度无法保证;而采用导弹集群定位方法可以克服领弹与攻击弹的差异，将所有导弹视为彼此精度相当的集群，但这种定位方法较为复杂，并且没有实现三维定位。
　　3.总结
　　本文综述了国内外相关领域的研究成果，在系统总结各类基于数据链协同定位方法优缺点的基础上，提出了以下建议，可为导弹和飞机协同定位提供参考。
　　(1)在导弹协同定位方面，领弹与攻击弹模式下，当GPS不可用时，可以考虑采用北斗为领弹提供精确的位置信息;导弹协同作战模式下，应考虑加入对高度信息的定位。
　　(2)有人机机群协同定位的研究应考虑将GPS、惯导和数据链信息进行有效融合，这样不仅能克服单一定位方法的缺点，也可以提高定位的精度和实时性。
　　(3)无人机协同定位是未来空战的关键技术，在目前自主性程度还不高的条件下，可以考虑通过有人/无人机协同，再逐步过渡到无人机自主协同定位。
　　(4)随着我国北斗二号导航卫星的不断发展和完善，未来可以考虑采用基于北斗的武器精确定位，这样不仅在战场环境下能保证武器对导航卫星的依赖性，而且能提高武器的定位精度