多定位系统融合技术研究

摘要:星基导航是未来导航系统的发展趋势,本文对基础的雷达设施和星基导航的融合提出了技术上的要求和分析。

关键词:ADS 雷达 融合

随着民航新航行系统的逐步论证与实施,未来民航导航将逐渐依靠星基导航系统,而不再使用惯导系统。卫星导航由于其有极高的定位精度与可靠性,得到了普遍认同。依靠GPS的导航设备在我们生活中也随处可见。在民航方面,GPS、ADS-B利用率在不断攀升。可是,如果出现卫星故障,则导航信号质量将极大降低,用户的定位与姿态获取将受到极大影响,其后果难以想象。而且,该系统主动权掌握在美国手里,使用者始终受制于人。这种情况下,迫切需要多星基导航系统组合导航技术。北斗的出现,正是顺应了这一要求。

1 几种定位系统比较

“北斗一号”卫星能定位出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星距离之和,从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。这种主动式的定位方法将丢失信号隐蔽性,使系统安全性

大打折扣。一代北斗系统的精度为几十米,授时精度100ns。最有特色的是它的短信功能,每条能发送120个汉字。而二代北斗系统在一代基础上提供全球服务和区域服务。全球服务定位精度:10m,测速精度:0.2m/s,授时精度:20ns。区域服务采用广域差分服务,定位精度:1m,同时提供短报文通信服务。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的伪距,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。GPS的C/A码的误差是29.3m到2.93米。一般的接收机利用C/A码计算定位。在2000年5月2日,随着SA(SelectiveAvailability)取消,现在的GPS精度能在15m以内,授时精度20ns。P码的误差为2.93m到0.293m是C/A码的十分之一。

雷达。一次雷达探测空中飞行物的方位和距离,二次雷达提供飞机的编号、高度、方向等参数,二次雷达要和一次雷达一起工作,它们只有配套使用才能实现空中交通的雷达管制。二次雷达使用有选择的询问方式,一机一码防止了同时应答造成的系统饱和以及信号串扰。但是受到天线扫略间歇,精度低。

2 多系统融合技术

伴随ADS-B技术的深入,以及北斗网络建设的日益成熟,如何将依赖GPS为基础的ADS发展成为集北斗、多雷达为一体的导航系统也已提上日程。

2.1 数据的采集

北斗\\GPS数据的接收方式为请求-应答,机载导航系统获得的导航信息(包含飞机识别信息和位置信息),通过卫星数据链或VHF空地数据链,自动地发送到地面接收和处理系统。

二次雷达数据的接收方式是请求-应答,雷达接收站通过上行数据链向飞机发送位置请求数据,飞机接收到请求后,将飞行位置信息通过下行数据链传送至雷达接收站,二次雷达数据采样周期固定,一般为3.8～6s,一次雷达采用回声定位的方法。

2.2 准确性处理

将信号进行CRC校验,对于CRC校验不正确的数据,就直接丢弃,并记录下错误个数。即使通过校验,还可以进一步进行检查。

2.3 格式转换

涉及到两个方面。一是由于坐标系选取不同(北斗采用CGS2000坐标系,GPS采用WGS-84坐标系,雷达采用极坐标),要实现几个不同坐标系下数据的处理,就必须进行坐标转换。实际应用中,根据不同的精度要求和各方面因素综合考虑,可以采用三参数模型或者七参数模型。地图显示的是平面坐标,需要采用地图投影来将大地的经纬度信息投影到平面笛卡尔坐标,通常采用高斯克吕格和通用横墨卡托等角地图投影。这就是时空对准。二是报文格式不同,比如雷达是斜距、

方位角和高度,ADS则是经纬度、高度。

2.4 关联算法

如何把得到的“点”(点航迹)变成“线”(航迹),一个很好的办法就是跟踪这个“点”,需要运用一定的算法。

首先要确定一个观测点是已经确定的航迹上,还是一个新航迹的开始,那么雷达再次扫描产生新的点,根据之前的判定来对点迹相关。相关成功则产生航迹。以后的扫描都可以采用类似的法则,如果多次扫描没有发现新的点,那么终止航迹。

2.5 多系统航迹生成

实现了目标航迹连续,就可实现多雷达和北斗\\ADS航迹关联。航迹关联在系统设置的取样时刻进行。首先确定相应的相关规则,如航班号相关、二次雷达应答码确认、高度相关、速度相关等,根据制定的规则,将对应同一目标的多台雷达本地航迹关联为系统航迹。可实现单雷达和北斗\\ADS本地航迹与系统航迹的关联。

目前用于航迹关联的主要算法有加权法、极大似然法、修正法、经典分配法、最近邻域法、似然比法、K近邻域法和多元假设检验法等。航迹关联算法需要解决多个本地航迹之间的关联,以及与系统航迹之间的关联问题。

2.6 误差消除

由于对目标的观测值都可能产生一定误差,包括坐标变换本身也会造成偏差,所以要尽可能减少误差,使得得到的航迹尽量准确。本地的跟踪和中心的数据融合都是以均方估计准则消除随机误差。目前使用最广泛的算法是卡尔曼滤波法。卡尔曼滤波的误差协方差阵,反映了当前航迹跟踪的跟踪质量,它是关于航迹跟踪质量的一个合理的估计。当目标运动平稳,新生量变化较小时,若测量值与估计值相差较小,则误差协方差阵也较小,表明当前航迹跟踪质量较高;而当测量值与估计值相差较大时,则误差协方差阵增大,表明当前航迹跟踪较为粗糙。

3 结语

多系统融合的导航技术,不仅在导航精度上取得了提高,同时安全性能也是单一系统不可比拟的。随着北斗卫星导航系统建设按照“先区域、后全球”的总体思路分步实施,采取“三步走”的发展战略,(第一步,2000年初步建成北斗卫星导航试验系统;第二步,2012年北斗卫星导航(区域)系统将为中国及周边地区提供服务;第三步,2020年全面建成北斗卫星导航系统。)将会在系统全面建成时,发挥巨大作用。

参考文献

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