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測向交叉定位協(xié)同信息遠程傳輸方法創(chuàng)新論文
被動探測由于具有隱蔽性好、探測距離遠、目標識別和抗干擾能力強的特點，能夠大大增強水面艦艇在現(xiàn)代海戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境中的生存力[1?2]。被動測向交叉定位是較為常用的一種協(xié)同定位方法。研究發(fā)現(xiàn)被動傳感器的協(xié)同距離，也就是基線長度越長，測向交叉定位的精度越高[3?4]。基線長度主要取決于被動傳感器之間的通信作用距離。目前水面艦艇測向交叉定位所采用的微波協(xié)同定位信息傳輸手段作用距離較近，導致協(xié)同定位精度偏低，滿足不了武器打擊的目指精度要求。因此，迫切需要一種遠程數(shù)據(jù)傳輸手段用于艦載被動傳感器的測向交叉定位協(xié)同信息交換。
2012年12月北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通，其服務區(qū)域覆蓋了我國全境、西太平洋及南海廣大海域。北斗系統(tǒng)所獨有的短報文通信功能可以實現(xiàn)用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報文通信，作用距離能夠跨越北斗系統(tǒng)的整個服務區(qū)域。同時，北斗短報文通信作為一種可靠的遠程數(shù)據(jù)傳輸手段，目前在通信領域已經(jīng)得到了廣泛的應用[5?8]。
為此，本文提出利用北斗短報文遠程通信手段增加基線長度，提高協(xié)同定位精度的艦載被動傳感器測向交叉定位方案。本文在簡單介紹測向交叉定位工作原理的基礎上，依據(jù)北斗短報文通信的技術指標對方案進行可行性分析；然后從系統(tǒng)設計、工作流程、通信協(xié)議和差錯控制四個方面對方案進行詳細闡述。
1 測向交叉定位工作原理
測向交叉定位工作原理如圖1所示。
由圖1可以看出，測向交叉定位主要分為以下三個階段：
圖1 測向交叉定位工作原理
�。�1） 建立通信
發(fā)起方發(fā)送建立通信申請報文，其主要內(nèi)容為發(fā)起方通信地址、時間信息和發(fā)起方位置信息。協(xié)同方接收后結合自己位置解算發(fā)起方方位距離，并準備發(fā)回響應報文。協(xié)同方發(fā)送建立通信響應報文，其內(nèi)容包括時間信息和協(xié)同方位置信息，發(fā)起方接收后結合自己位置解算協(xié)同方方位距離，并確認雙方通信建立完畢。
�。�2） 確定定位目標
發(fā)起方發(fā)送協(xié)同定位申請報文，其中包含了時間信息、發(fā)起方位置信息、協(xié)同探測目標批號、目標輻射源載頻、脈寬、重復頻率信息，協(xié)同方接收后確認協(xié)同定位目標，準備開始協(xié)同定位。
�。�3） 解算目標位置
現(xiàn)有文獻介紹比較多的測向交叉定位方法是先計算出定位誤差的非線性最小二乘估計初始值，再利用迭代法得到目標位置的最優(yōu)估計[9?10]。因此，協(xié)同方需發(fā)送協(xié)同定位報文，將時間信息、協(xié)同探測目標批號、目標方位、協(xié)同方位置信息提供給發(fā)起方。發(fā)起方接收后解算出定位誤差最小二乘估計的初始值，并返回一個包含已完成迭代運算次數(shù)的響應報文，初始值設為0。協(xié)同方根據(jù)響應報文繼續(xù)向發(fā)起方發(fā)送目標方位信息直到迭代運算次數(shù)滿足要求后停止發(fā)送協(xié)同定位報文，協(xié)同定位結束。
2 北斗短報文應用于測向交叉定位的可行性
分析
將北斗短報文通信作為協(xié)同定位信息傳輸手段，應用于測向交叉定位的可行性分析如下：
（1） 數(shù)據(jù)量
北斗短報文通信采用ASCII編碼，每次的內(nèi)容長度不超過200 B。根據(jù)前面對各種協(xié)同報文內(nèi)容的分析，北斗信道的通信數(shù)據(jù)量完全可以滿足測向交叉定位協(xié)同信息交換的要求。
�。�2） 數(shù)據(jù)率
本文提出的基于北斗信道的測向交叉定位是以海上目標作為探測對象，運動速度較慢。北斗短報文通信的服務頻度根據(jù)用戶等級區(qū)分為1 s，10 s，30 s，60 s，通信服務響應時間在1 s左右[5]。選用較高等級的用戶卡完全能夠滿足被動傳感器對目標快速連續(xù)跟蹤定位的要求。
（3） 通信距離
在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)都可以進行北斗短報文通信。目前已建成的北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務區(qū)域涵蓋了我國及周邊地區(qū)，且北斗短報文通信不存在盲區(qū)，因此其作用距離幾乎不受限制。
（4） 可靠性與安全性
北斗短報文通信采用擴頻通信傳輸方式，具有較強的抗干擾、抗噪音、抗多路徑衰減能力。由于其頻譜密度較低，因此還具有隱蔽性和低的截獲概率。北斗終端根據(jù)SIM卡生成的惟一擴頻碼將短報文通信上行數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星，北斗地面控制中心則將短報文通信下行數(shù)據(jù)送到用戶終端后通過SIM卡進行解密，從而實現(xiàn)了保密通信[6]。
3 基于北斗短報文的測向交叉定位方案
3.1 系統(tǒng)設計
基于北斗短報文的測向交叉定位方案主要是采用北斗短報文通信替換原有的協(xié)同定位信息傳輸手段。在每個協(xié)同定位單元在增設一個北斗用戶機的基礎上，再加載一臺PC機作為協(xié)同信息處理設備。北斗用戶機負責提供艦艇位置信息和建立北斗短報文通信；被動傳感器負責目標輻射源探測和識別；PC機負責對北斗用戶機進行通信控制，獲取協(xié)同定位艦艇相對態(tài)勢和解算協(xié)同定位目標位置�？傮w設計方案原理如圖2所示。
3.2 工作流程
北斗用戶機、PC機和被動傳感器開機后，PC機自動接收被動傳感器探測到的目標輻射特征信息和識別信息，同時控制北斗用戶機依次向各協(xié)同艦艇發(fā)送含有本艦位置信息的短報文，并自動接收其他艦艇發(fā)送的位置信息，形成態(tài)勢圖。操作員在PC機的目標輻射源列表中選定目標后，再選擇與本艦和目標構成較佳的相對位置關系（等腰三角形）的艦艇進行協(xié)同定位。PC機控制北斗用戶機與協(xié)同艦艇建立通信后，按照圖1所示的測向交叉定位工作流程生成協(xié)同報文與協(xié)同定位艦艇進行信息交換，最終完成目標位置的解算。得到的目標位置可以通過Socket通信傳回被動傳感器，由被動傳感器發(fā)送到作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡，為指揮決策和武器使用提供目標指示。
圖2 基于北斗短報文的測向交叉定位方案原理圖
3.3 通信協(xié)議
本文用串口通信將北斗用戶機與PC機連接起來， 其通信協(xié)議的各種功能是通過指令方式實現(xiàn)的。北斗用戶機的指令可以分為定位類、通信類、查詢類、授時類和狀態(tài)類等。通過這些指令，PC機可以自動接收北斗用戶機上報的本艦艦位、時間校準信息，及其從協(xié)同艦收到的協(xié)同報文；也可以實現(xiàn)控制北斗用戶機與指定協(xié)同艦建立通信，改變北斗用戶機工作參數(shù)等功能。
PC機向北斗用戶機發(fā)送的指令信息格式如圖3所示。
圖3 PC機向北斗用戶機發(fā)送的指令信息格式
指令信息各個區(qū)段意義見表1。
命令碼用來標示指令信息類型，具體類型見表2。
3.4 差錯控制
北斗短報文通信有時會出現(xiàn)信息丟失或出錯的現(xiàn)象[9]，而北斗用戶機本身不具有差錯控制的能力，因此只能在PC機的串口通信軟件設計中引入相應的差錯檢測和糾正機制。報文丟失可以通過發(fā)送響應報文進行檢測；報文內(nèi)容出錯可以通過校驗碼檢測。丟失或出錯的報文可以通過相應的報文重發(fā)控制機制由發(fā)送方進行補發(fā)。報文重傳控制流程如圖4所示。
圖4 報文重傳控制流程
協(xié)同定位方在接收到一個協(xié)同報文后應立即向報文發(fā)送方發(fā)送一個響應報文，如果對方在發(fā)送報文后的規(guī)定時間內(nèi)未收到響應報文，應當重發(fā)報文。這里通過設定重發(fā)次數(shù)上限有關。
假設協(xié)同雙方北斗終端的通信服務時間間隔相同，則報文最大往返時間[Tb]可以按下式得到：
[Tb=Tr+Tf×2]
4 結 語
本文針對目前艦載被動傳感器進行測向交叉定位時基線長度較短，定位精度不高的問題，在深入分析測向交叉定位工作原理和北斗短報文通信特點的基礎上，提出基于北斗短報文通信的測向交叉定位方案，并對方案的可行性和實現(xiàn)方法進行了分析。
目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式向我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務，未來其服務區(qū)域?qū)⒏采w全球。采用北斗短報文通信作為協(xié)同信息傳輸手段，將使被動探測裝備的測向交叉定位擺脫通信作用距離和通信服務區(qū)域的限制。另外，普通北斗終端只能實現(xiàn)點對點的報文通信，而北斗指揮機具有短報文通播功能，利用北斗指揮機實現(xiàn)兩臺以上被動傳感器同時進行測向交叉定位將是下一步的研究方向。因此，北斗短報文通信在多被動傳感器測向交叉定位領域具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應用價值。
參考文獻
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