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罗兰C导航中定位解算技术研究pdf

发布时间:2019-07-23 14:07 来源:未知 编辑:admin

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  西安电子科技大学 硕士学位论文 罗兰C导航中定位解算技术的研究 姓名:钱丽丽 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:张辉 20060101 摘要 摘要 本文以罗兰C导航中时差位置线到地理经纬度的算法研究为主要内容。首先 简要介绍了罗兰C导航系统的国内外研究动态、罗兰C系统的工作原理、时差位 置线定位原理、ASF修正方法等基本理论。其次推导了单台链概位解算和交叉台 链概位解算的具体算法,给出了数学模型,并对两种算法进行了数据分析。同时 分析了概位解算中的奇异现象和概位多值性问题,提出了时差反检验的方法来消 除多值性问题,使三个时差可以简单正确的进行概位解算,提高了罗兰C系统的 定位可用性和覆盖范围。再次,推导了经纬度迭代算法,结合实际地理位置对整 个定位算法进行了数据分析。最后,给出了数字化罗兰C接收机的系统方案和经 纬度解算等模块的软件实现框图,分析了接收机系统的定位性能,给出了接收机 重复定位曲线和动态定位曲线。 关键词: 罗兰C 定位计算 双曲线导航 ASF Absiract 2 Abstract This isfocused the thesis onhow蛔converttime-differeo∞int0the geographical jn coordinateLoran-C firstintroducesthebasic navigaiinn system.Thepaper of andtheresearchsituationathomeand Loran-C abroad. principles navigationsystem Italso theradio methodof analyzes hyperbolic andthe ASF positioningprinciples models.the theformula Revi∞.Secondly,based∞mathematicalpaperpresents ofthe directsolutionandmulti-chaindirectsolution.R manipulationsin#e-chain studiesthe andthe while paranormal calculating phenomenamultiple-vMuedproblem the amethodof for the forward approximateposition,andputs time—testing solving can the becalculatedwith3 multiple-valuedproblem.Soapproximateposition simply theLman-C iterative ofthe time-differences,improvingreceiver.Next,thealgorithm latitudemad is data to longitudepresented,withanalysisaccordinggeographical disserlationthe structureof Loran-C position.Finally,thegivessystem digital receiver, the flowofthe byDSP&FPGA,and module, designed designing position-calculating DSP.The istestedandsome am hardware-implementedby system positlonlng-curves presented. Calculation ASF Keyword:Loraa-CPositioning Hyperbolic Navigation 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其 他人已发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志所做的任何贡献均已在论文中做了明 确的说明并表示了谢意。 本人签名:缢函亟 日觏:a疵、∽ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:学校有权保 留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,可 以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 (保密后的论文在解密后遵守此规定) 本人签名:终函j目 日期:a∞J.¨7 导师签名:多长孝孚 日期:渺¨吵 第一章绪论 第一章绪论 1.1引言 在星基全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONAss)出现之前,陆基 罗兰C系统在导航、定位和定时方面居于主导地位。随着GPS、GLONASS等星基系 统的日臻完善和完全投入运行,罗兰C的存在和发展遇到了严峻的挑战,在相应 领域已处于次要地位,卫星系统已经开始逐步取代罗兰c系统,占据导航、授时 领域的主导地位。但无论是出于政策因素的限制还是技术因素的考虑,诸多应用 领域并没有(或不能)把卫星系统作为唯一手段加以依赖,陆基罗兰C在一定范 围和一段时间内依然有其存在的必要。 罗兰c系统是一种中远程精密无线电导航系统。在无线电导航领域,它属于 低频、脉冲相位导航体制。罗兰C系统作为一个性能优良的无线电导航系统,基 本功能是定位,其次还有授时、通讯以及作为电波传播、电离层和气象等科学研 究。 定位功能被应用于各个领域和部门。如在海上供:航线导航;窄水道引导; 港通管制;海洋勘测和调查;200海里经济区法律实施和管理;海上事故搜 索与营救;捕渔守网;各种军事应用,如布雷、排雷;战略武器投射;舰载飞机 导航;海、空联合作战指挥: 在陆地上:车辆调度和监控;河港和运河交通管制;各种军事应用,如:边 境无人无路标地区巡逻;陆军作战指挥等。 在空中导航方面,罗兰c系统也发挥着重要的作用。特别是从70年代末期 以来,随着美国对罗兰C航空应用的大力研究和推广,这一领域获得了长足的进 步。罗兰C航空应用大体可以分为下述四个方面: 首先是航线导航,这是最普通也是最重要的应用。罗兰C系统在其覆盖区内 可以为飞机提供足够精度的航空导航信息。与传统的航空导航系统(伏尔,伏尔/ 测距器,塔康等)相比,罗兰C导航系统具有许多优点: ①作用距离不受视距的限制,可以在一个较大的空域范围内实现区域导航 ②在山区和海上无法布设航空导航台的地方可以提供导航应用; ③地面台附近和顶空没有盲区; ④一个台链可以提供比几个航空导航台还大的工作区,经济实用; 除航线导航外,它还可以用于飞机的飞行跟踪、监视避碰导航、航空交通管 制、海上荒原沙漠的航空营救、农林业的空中播种、空中地形测试等等方面亦有 重要价值。在军事应用上,如武器投放;飞行员遇难呼救;靶机控制;野战机场 2 罗兰c导航中定位解算技术的研究 着陆引导等等。 航空应用的基础是空用罗兰C接收机。考虑到飞机的速度快和跨台链工作区 飞行,接收机不仅要跟踪速度快、精度高,而且具有自动陷波和多台链工作能力。 罗兰C系统可以用于发播精确时间和频率,主要因为系统采用低频载波的脉 冲发射,其地波信号相位十分稳定。对于已知物理特性的传播路径,能够以较高 的精度预告信号的传播时延。而发射台的时间频率基准又使用了高稳定度和高准 确度的铯束原子频标,具有很强的守时能力。在此基础上,如果使发射台的信号 发射时间与国际或国家的标准时间建立同步关系,那么,在已知地理位置的用户 可以借助接收器信号获取精确的时间信息。 罗兰c系统信号主要依靠地波传播,信号功率大、抗电子干扰和抗天体磁暴 能力强,这些优点是卫星信号所不具备的。它可以弥补卫星导航系统的某些缺陷, 增强卫星导航系统的可用性和完善性。 1.2罗兰C系统的发展历史和现状 1.2.1罗兰c系统的发展历史和应用现状 罗兰C系统是由美国最先开发建设的远程无线电导航系统,是二战末在罗兰 .A的基础上研制的。它代表了一种由地面无线电发射台和航行体上接收机组成的 陆基导航系统。载有用户设备的航行体,借助于测量来自地面台发射的脉冲信号 到达的时差确定自己的当前位置。 美国在1957年建成了世界上第一个罗兰C台链。该系统在覆盖范围、可靠 性、应用范围等方面都可以满足军方要求。于是,此后的十几年里,美国在本国 和北半球的其他地区陆续建设了十个罗兰c台链。这些台链主要是为军事目的建 设的,包括美国和加拿大的东西海岸、中太平洋、西北太平洋、挪威海和阿拉斯 加湾。在60年代和70年代初期,美国的罗兰C技术对外还是保密的。 1974年5月16日,美国政府运输部发布公告,正式确定罗兰c导航系统为 美国海岸汇流区的官方导航手段,规定进入美国梅域的船只必须装备罗兰C接收 设备。相应的,罗兰c技术不再列入军事保密的范畴。 从70年代后期开始,随着商用艳束频标,大规模集成电路、微型计算机和电 子技术的发展,特别是固态大功率器件和低频大功率合成技术的飞跃,使罗兰c 技术和设备日臻完善。在系统信号可靠性和用户设备性能价格上有了突破性进展。 罗兰c系统的应用领域也在不断扩展和开拓。我国在1991年建立了自己的罗兰C 系统。目前,拥有罗兰C系统的国家有美国、俄罗斯、中国、加拿大、沙特阿拉 第一章绪论 3 伯、法国、日本、韩国、和西北欧国家等。美国政府于1994年年底退出了它设在 境外的罗兰c的管理,并将其在远东、西北欧和地中海地区的罗兰c台站交付给 所在国管理。但是美国国内的罗兰C台链仍然提供民用。 现在工作的罗兰C台链有北美链(36个发射台)、西北欧链(9个台)、独联体 链(10个台)、远东链(含中国的3个台链)(16个台)、地中海和沙特阿拉伯链(9 个台)、印度链(6个台)、以及3个在黑海、波罗的海、巴伦支海的台链,覆盖了 北半球的大部分地区。 1.2.2我国罗兰C系统的建设和使用 我国对罗兰c技术的研究工作早在本世纪60年代初就已开始。1979年,国 家正式确定在我国建立罗兰C系统,即“长河二号”工程。 “长河二号”工程的目的是在我国建立一种能为国家独立控制的远程无线电 导航系统,以满足用户的导航定位要求。工程分两期实施。一期工程南海台链于 1988年完成,1990年投入试用并通过国家技术鉴定。南海台链采用艳束频标自由 同步,从美国引进了先进的全固态发射机,建立了自动台链监测控制系统,具有 完备的故障监测和快速恢复功能,其系统设备和性能都达到了国际罗兰c系统的 先进水平。二期工程包括东海台链和北海台链,采用的是全套国产固态发射设备。 1993年东北台链完成系统联试,1994年投入使用。 “长河二号”工程设计有6个地面发射台,3个系统工作区监测站和3个台 链控制中心,分别分布在吉林、山东、上海、安徽、广东、广西6个省区。6个 地面发射台相互链接,构成3个台链,其覆盖范围北起日本海,东至西太平洋, 南达南沙群岛,在我国沿海形成了比较完整的罗兰C系统覆盖网。 1.3选题背景 1.3.1国外罗兰C系统的研究动向 罗兰c系统已经有了50年的使用历史,但直到现在仍然在广泛应用。据粗略 估计,大约有10万架飞机装备了罗兰C信号接收机,有百万艘舰船使用了罗兰C 导航系统,目前甚至在蜂窝式电话基站中,罗兰C接收机也被用于支持GPS接收 机的工作。对于罗兰c的研究,国内外与发射系统有关的研究有主链监控装备 (PcMs)、自动闪烁报警系统(ABS)、无线命令与控制备用通信系统、所有的 罗兰时间与频率设备(11m)、集成的自动报警系统(ABS)、UTC同步装置、新 的运动集成罗兰命令与控制、罗兰监控接收机等;与接收设备有关的研究有:基 于DSP的数字化罗兰c接收方法、磁场(H—Ficld)接收天线 罗兰C导航中定位解算技术的研究 术与机载天线、罗兰c传播特性的研究和抗干扰研究。 发射系统在采用新的监控设备和技术之后,可以更加准确和完美地控制发播 信号。罗兰C通信信道的建立,拓宽了罗兰C的应用领域,对罗兰C自身发展和 形成新的全球定位、导航、授时系统的概念起着基础性作用。它起源于D.van (DGPS)和罗兰C组合在一起的。罗兰C信号被用作差分修正值和完善性信息 的载体,从而构成称之为Eurofix的数据链路,发送DGPS修正值和完善性信息。 罗兰C传播特性的研究和抗干扰研究也是近年来的研究重点。新的技术和处 理手段的出现使这种研究达到新的水平。英国Wales大学的DavidLast及其同事 开展大量有显著成果的研究,提高了抗天波干扰和连续波干扰的水平。Peterson 在将交叉干扰的影响从6%减小到0.01%的情况下,又有新的成果。 在罗兰C系统中所采用的无线KHz的地波信号。 地波传播方式的特点很稳定,不受太阳辐射的影响。但地波信号在传播过程中会 受到经电离层反射后到达接收点的天波的影响。为了消除天波的干扰,必须对因 天波造成的延迟进行估计。当前学者在这方面的研究主要集中在采用一些方法对 天波延迟进行估计。具有代表性的是采用高分辨率的估计技术的MUSIC(multiple signal classification)算法和ARMA(autoregressivemoving average)模型来对天波延 迟进行估计。一些文献的仿真结果表明,上述的MUSIC算法和ARMA模型都可 以用于估计罗兰C信号中的天波延迟,在FFT频分方法不能使用的条件下,上述 方法可以将天波信号和罗兰C信号正确的区分,而且相比之下,MUSIC算法比 了采用频分IFFT和加适当的汉明窗函数的方法来估计天波延迟。 罗兰c信号除受到天波干扰外,还受到载波干扰(CWl)。这一干扰将会影响到 罗兰C接收机的性能。已有研究人员在减小载波干扰方面做出了一定的研究。 D.Last和Y.Bian针对载波干扰提出了采用对两个组重复周期进行相位编码和对 两个组重复周期取平均的方法使得载波的干扰得到了有效的抑制。 现代罗兰C接收机采用线性平均数字技术(LAD),合并了混合自适应滤波数字 信号处理(DsP)技术,与传统的罗兰C接受机相比几乎各项技术指标均有提高:其 信噪比提高了约20dB;能够同时跟踪接收最多达到40个罗兰C台信号,并能自 动转换台链和用多个位置线时差进行定位解;可使现有单个罗兰C台站的有效覆 盖区半径向外延伸300公里;即使在市区,可用性也有了较大的提高;消除噪声 干扰和突发噪声的能力有了很大提高;减小了定时应用中的统计抖动。 罗兰c接收机发展的另一个大趋势就是与GPS接收机相结合,可以获得比单 独使用GPS接收机更高的定位精度,但两种系统的综合效果和应用前景远不止这 些,更主要的还有以下两个方面: 第一章绪论 5 (1)只要罗兰C系统的基础改造使罗兰C发射机如同GPS发射机那样与世界 时同步,罗兰C发射机就可以作为GPS星座中的~颗伪卫星,以北美区为例,共 有29个罗兰C发射机,由于覆盖和地理限制,相当于为GPS增加了7~10颗伪 卫星。这就意味着,单一的GPS接收机只能同时看到大约6颗卫星,而GPS和 罗兰c符合系统中的接收机可以同时看到大约13~16颗卫星,这无疑可以改善定 位的几何精度系数,整个系统的有效性也将大大提高。 (2)罗兰c系统的发射机的坐标是准确已知的,只要再配备GPS基准接收机, 就可以获得各种DGPS校正数据,例如荷兰开发的Eurofix系统使用罗兰c系统 可以在距离发射机1000公里的范围内播送DGPS校正数据,这个范围远远大于 包括美国海岸警卫队海军无线电灯塔(DGPS)系统在内的通常意义上的DGPS的 工作范围。在不远的将来,在欧洲将为Eurofix系统运行配备四台罗兰C接收机。 美国计划将Eurofix系统用于北美构成DGPS系统。 1.3.2国内罗兰C系统的研究动向 我国的罗兰C系统,除附设辅助设备外,罗兰C发射台的电子设备可以分为 以下五大部分,其中包括:时频分系统;发射机分系统;发射天线分系统;同步 监测分系统;通讯分系统(控制中心)。从这些硬件设备的电气性能及质量上看, 它们基本上是当今世界罗兰C领域内的一流设备。尤其是作为主干设备的大型固 态发射机及发射天线分系统,它们的综合电气性能优良可靠,我国的每个罗兰C 发射台的电子设备,其固有的可靠性可确保年单台信号时问可利用率在0.999之 上。多年的实际工作已经证明了这一点。 实际系统的工作状况是,南海台链能确保系统同步误差控制在60~80ns之 内,实际信号年时间可利用率在0.99左右。管理早已步入正轨,技术保障坚实可 靠。东北海台链建设略晚几年,技术保障及管理经验等略差于南海台链。目前系 统控制同步精度大致在lOOns之内(北海台链略好一些),系统信号年时间利用率 大致为96%左右。但各个台的外部条件及内部管理,在逐年改善,技术经验也在 逐年丰富,可望在不久的将来跻身世界罗兰C台链的先进行列。 针对我国罗兰C系统的现状,我国对现有罗兰c系统的改造与完善主要集中 在以下几个方面: (1)补建台链扩大覆盖范围 经过一系列的研究论证,一些研究人员提出了在我国的罗兰C系统中补建一 台一站的方案,这一方案的提出可以很好的解决我国现存的台湾海峡定位精度不 高,可靠性差的问题,同时也可以解决我国东海北部和黄海南部信噪比较低的问 题。 6 罗兰C导航中定位解算技术的研究 (2)与其他系统结合 . 也有学者提出,将我国的北斗双星系统同现有的罗兰C系统相结合,构成双 星/罗兰c组合导航系统,二者的结合,具有以下优势:可用双星系统校准罗兰C 的时间同步和空间定位误差(地波二次相位因子ASF修正),大幅度提高我国罗兰 C系统的导航定位精度和授时功能;几何因子相互取长补短,相得益彰,大大改 善导航定位精度和授时功能;对两个系统融合(伪距组合)后,在单系统的盲区 也可实现导航定位,提高双星系统的可靠性和使用范围。 (3)研制全数字多台链接收机 当前我国现存的罗兰C接收机,除进口产品以外,大多数是接收模拟信号或 半数字化的信号,只能跟踪单个的台链,定位精度仅为2km,而国际同类产品却 可达460m的定位精度。这种现状已经不能满足当前对导航定位的需求。当前世界 罗兰c接收机发展的主流,是基于DSP的数字化的硬限幅式罗兰c接收机,并且 可以跟踪多个台链。目前,我国已有学者开始从事这方面的研究,并在多项研究 成果上取得专利,如“测定远程罗兰C导航系统和有关信号的到达时间及在发射 机现场测定本地信号的有效发射的方法和装置”、“高噪声强天波干扰下的罗兰C 地波周期识别方法”以及“罗兰c信号的多台链搜索”等。 1.4论文的主要内容 论文主要对数字化罗兰C接收机中位置线时差到经纬度的转换算法进行了分 析论证,提出了一种概位解算的改进算法,使没有初始概位的条件下3个时差可 以简单准确地定位。同时对整个数字化罗兰C接收机进行了简单的介绍,给出了 软件实现框图、硬件实物图和性能曲线。 本文以后的章节内容如下: 第二章介绍了罗兰C系统的工作原理。 第三章介绍了定位解算中的基本概念。 第四章介绍了单台链概位解算算法和交叉台链概位解算算法,分析了概位解 算中的奇异现象和多值性问题,提出了时差反检验方法,能够在没有初始概位的 情况下,运用三个时差进行概位解算。推导了迭代算法,并且对整个经纬度定位 算法结合地理位置进行了数据分析, 第五章介绍了全数字多台链罗兰接收机的设计方案,以及经纬度解算算法在 DSP芯片中的软件实现,并对接收机的性能进行了分析,给出了分析曲线和实物 图。 第六章对论文工作进行了总结和展望。 第二章罗兰c系统介绍 7 第二章罗兰c系统介绍 2.1罗兰C系统的信号格式 从平面几何可知,在平面上,任一点的坐标可由两条线相交确定。这些线可 以是直线、圆、双曲线。罗兰C系统是一种相位双曲线中远程导航系统,它采用 几何定位原理。 在导航中,把具有固定导航参数的点的轨迹线(等值线)称为位置线。罗兰 c系统的导航参数是用户相对于两导航台的距离差。至两个地面导航台具有等距 离差的位置线,是以该两个地面导航台为焦点的双曲线族。所以罗兰C系统的一 个距离差参数对应一条双曲线位置线。双曲线位置线的取得是基于在接收点测量 来自两个地面台信号到达时间之差,再根据电波传播速度的恒值性,把时间差转 换成距离差。一个距离差对应于一条双曲线位置线,多条位置线的交点即为定位 点。 系统工作频率为100kHz,属于无线电波的低频段。所有罗兰C系统的信号 载频都相同。导航信号是100kHz载频调制的脉冲信号,以脉冲组形式发射。脉 冲组中的脉冲采用了相位编码,主台脉冲组和副台脉冲组使用不同的编码。不同 的台链用不同的脉冲组重复周期来区分,同一台链各台则用相同的脉冲组重复周 期。脉冲信号的包络形状是特别设计的,它能保证信号频谱能量的99%以上集中 在90~110kHz的频带之内,而且还有利于抑制天波干扰。 2.1.1 100kHz载频 罗兰c作为一种无线电导航系统,它依靠无线电信号来传播导航信息。不同 频率的无线电信号传播特性是不一样的,罗兰c系统要实现远程高精度的导航定 位,所选择的工作频率必须具有下述特性: ①信号幅度和相位在传播中十分稳定; ②信号的传播衰减必须很小; ③工作频段应符合国际电联有关频率划分的规定; ④工程上易于实现。 罗兰c系统的工作频率选择为无线kHz,所有的罗兰C发射台和用户接收设备都在这一相同的频段上工作。 这里系统所规定的90一110kHz的工作频率范围并不是通常定义下的信号能量谱的 半幅度宽度,而是特别定义的包括99%以上的辐射信号能量的宽度。之所以要采 8 罗兰C导航中定位解算技术的研究 用这种规定,是因为罗兰c系统发射台的功率很大,容易造成对附近其他无线业 务的干扰,所以要求它的信号能量集中在一个比较小的带宽内。 系统主要利用地波定位,沿完全导电的地球表面传输的罗兰C地波信号功率 密度反比于到发射台距离的平方。因为任何实际传播路径都不是理想的完全导电 的地面,信号的地波场强还将再衰减,而衰减程度与信号频率有关。理论研究和 实际试验表明,100kHz无线电波的衰减较小,可以传播较远的距离。 2.1.2信号波形 罗兰C系统发射的信号是脉冲组信号,脉冲载频为100kHz,每个信号脉冲波 形好像一滴水滴,信号的时域波形如图2.1。 ● 叫 684888。A^^n..‘ ,V yI …。训州一 图2.1罗兰C信号波形 信号的发射波形有严格的定义,其特点是从脉冲起始点到脉冲最高点(称脉 冲峰点)这一过程(称脉冲前沿)上升较快,而从峰点往后的过程(称脉冲后沿) 下降较慢。该信号到脉冲峰点的时间大约为65us,总的脉冲宽度为200us左右。 采取这样种特殊设计的目的,是为了提高测量精度和抗天波干扰能力。 脉冲前沿的数学表达式为: P(f)。0; 当ft耐 当f。f。f+6对 1啪.却一f)2cxp【二兰!拿】sin(o.2at+∥); 式中A为天线电流峰值幅度归一化值,单位安培;t为时间,t为包周差(ECD), 单位微秒;pc为相位编码参数,单位弧度,正相位编码时,该参数为零弧度,负 相位编码时为一弧度。 第二章罗兰C系统介绍 9 2.1.3包周差概念 包周差是指罗兰C信号载波相位与其包络波形时间起始之间的时间关系。它 常用符号ECD表示,单位是微秒。 罗兰c信号波形的标准前沿是用数学公式严格定义的,按“海用罗兰C接收 设备最低性能标准”,对于正相位编码信号,脉冲包络起始后的30us点与100kHz 载频的第3个由正向负过零点在时间上完全重合,定义ECD为零。对于负相位编 码信号,情况正好相反,应该是与载频的第3个由负向正过零点重合。但是,实 际上,由于种种原因,如设备、传播和噪声等影响,用户接收到的罗兰C脉冲包 络的波形与标准波形相比会发生一定的畸变。如果包络30us点滞后于上述过零 点,规定ECD为正值:反之,如果超前上述过零点,规定ECD为负值,超前或 滞后的数值就是ECD的数值。如图2.2所示,由于脉冲包络波形畸变,包络位置 相对标准采样点位置滞后1.6us,即ECD=I.6us。 _,,∥ l/\ 孬 鼯 蕊 ,涮 一p ]10弩形 ∥ U l \7 l。 图2.2罗兰C包周差示意图 l为包络,2为包络上30us处,3为ECD(1.6m),4为载波参考零点。 包周差表示了罗兰C信号由于畸变导致脉冲包络位置相对于标准采样点位置 超前或滞后的漂移量,其重要意义在于它影响接收机周期识别的可靠性。“最低性 号的ECD成为波形是否符合标准的一种衡量值。 2.1.4信号格式 罗兰c信号格式包括下述内容:~个脉冲组中的脉冲数目、各脉冲之间的时间 间隔、每个脉冲载波信号的相位编码、发射时间、脉冲组重复周期、副台脉冲组 相对于主台脉冲组的发射延迟、向用户的闪烁告警方式和全双工封闭方式等。 10 罗兰C导航中定位解算技术的研究 (1)脉冲组和脉冲间隔。 罗兰c信号以多脉冲的脉冲组形式发射。副台的每个脉冲组含8个脉冲,相 互间隔为1000US。主台每个脉冲组含9个脉冲,前8个脉冲与副台一样,相互间 导航信号使用,仅仅用于识别主副台或故障、同步超时告警。主台脉冲组的波形 如图2.3,其中的单个脉冲波形如图2.1所示。 图2.3罗兰C主台脉冲组波形 (2)脉冲组重复周期。 在同一台链中,主、副台的发射格式的顺序有严格的规定,如图2.4所示。 主、副台有规律地发射具有确定格式的信号脉冲组,副台相对于主台有一定的发 射延迟。各台的工作顺序是:主台最先发射,经f。的时间延迟后,第一副台X发 射,经%延迟后第二副台Y发射,以此类推。各台链副台相对于主台的固定发射 延迟时间不同,使发射周期不同,从而使发射周期频率不同。 脉冲组重复周期是指同一发射台发射的相邻两脉冲组之间的时间间隔,用字 母GRI表示。规定在脉冲组的第一个脉冲的第3周过零点处为测量时间基准。在 罗兰C系统中,任一台链的所有发射台发射的信号具有相同的GRI,所以GRI也 是罗兰C系统中每个台链的标识符。 I l H1000 图2.4罗兰C组重复周期 通常,GRI用其数值除以10us的倍数(四位数)来表示。例如,某台链的GRI 第二章罗兰C系统介绍 11 为99600us,即可用9960这个四位数来表示该链的GRI。 ’ (3)相位编码。 相位编码是指每个脉冲组中各个脉冲的载波起始相位(零弧度或z弧度)的 排列方式。每个罗兰C脉冲组的相位编码可以不一样,实际中,罗兰C系统的相 位编码仅在相邻两个GRI中不同,其重复间隔称相位编码重复间隔。在一个相位 编码重复周期中,这前后两个GRl分别称为AGRI和BGRI,相位编码的作用有 两点:1)用于在接收机中对罗兰c信号进行自动搜索;2)抑制天波干扰。 为了便于接受和识别,AGRI和BGRI采用不同的编码,主台和副台也采用 不同的编码。罗兰C系统信号所用的编码是8位码长的二相二周期全互补码。表 2.1列出了罗兰c信号的相位编码,其中“+”表示脉冲载波具有0弧度相位,“一” 表示脉冲载波具有z弧度相位。 表2.1罗兰C信号的相位编码 I 脉冲组名 主台 副台 I AGRI ++~一+一+一++++++一一+ BGRI +一一+++++一+一+一++一一 (4)闪烁告警。 闪烁告警是罗兰C系统向用户发出告警的一种手段,闪烁告警表示某一发射 台或台对工作不正常。用户不能用正在闪烁告警的发射台信号进行定位。闪烁告 警分主台闪烁告警和副台闪烁告警两种。主台闪烁告警形式是第9个脉冲按一定 格式周期闪烁,闪烁周期为12s。闪烁格式为墨尔斯码,“现”大约持续0.25s,“隐” 大约持续0.75s,不同的闪烁组合表示台链中某个或某些台的信号不能使用。所有 副台的闪烁告警形式都相同,即周期性闪烁脉冲组中的第1和第2脉冲。副台闪 烁周期为4s,其中“现”0.25s,“隐”3.75s。副台闪烁表示该主副台对时差不能 用于定位。 (5)双工台的封闭。 有些罗兰C发射台同时发射两个台链的信号,习惯上称为双工台。在双工发 射台,因为要发射两个不同GRI的信号,会碰到两种GRI信号周期性地在时间上 重叠的问题。在信号重叠期,为避免信号的相互干扰,必须要抑制掉其中的一个 信号,这就是双工台的封闭。发射信号的封闭间隔一般从第1脉冲前900US到最 后一个脉冲后的1600us。对于副台,封闭间隔为9500us;对于主台,封闭间隔为 11500us。在双工台信号重叠期间,一个脉冲组落入另一个脉冲组封闭间隔的那一 部分信号被抑制掉。 通常采用的封闭方式有两种,即优先封闭和交替封闭。采用优先封闭时,要 12 罗兰c导航中定位解算技术的研究 事先规定某一GRI信号为优先周期,一般都选较大GRI的信号为优先周期。在这 种封闭方式下,只要发生信号重叠,总是封闭非优先周期的信号。采用交替封闭 时,封闭优先权按时间分段,两种重复周期轮流封闭。优先权的交替周期可以选 择,一般选择为较大GRI的4倍。 2.2罗兰C系统组成 罗兰C系统的电子设备分为地面发射台的发射设备、同步监测与控制设备和 用户接收机设备三大类。 2.2.1发射设备 罗兰C系统的核心是地面发射台,它实际上是一个发射系统,包括时频分系 统、发射机分系统、发射天线分系统。 对发射系统的主要要求是: ①定时发射特定信号格式的大功率导航信号; ②信号发射时刻和信号波形可以调整与控制; ③高度的可靠性和可利用性; ④便于管理和维修,操作简便。 图2.5发射系统设备组成方框图 时频分系统的功能是为系统提供高稳定度的时间频率基准。通常发射台的频 率源都采用商用的艳束频标。为了保证频率源高度稳定可靠,需要使用几部艳束 频标组合在一起工作。系统设计要保证某一部艳束频标输出发生问题时,给发射 机提供的频率信号相位不能中断。 发射机分系统的功能分下述几个方面: ①接受时频分系统输出的5MHz的频率信号,形成发射台本地时间基准; ②产生规定格式的大功率标准罗兰C信号; ③具有全部必要的自动控制环路,以确保本机输出信号稳定、精确和严格同 步,天线可以自动调谐; 第二章罗兰C系统介绍 13 ④能够长时间连续工作,主要环节应有备份,备份设备允许在工作状态下进 行维修; ⑤具有遥控界面,可接受远方控制中心的状态查询、工作转换、本地相位调 整、产生闪烁告警等发射状态控制。 发射天线分系统接收发射机分系统馈送来的高压大功率罗兰C信号,并以一 定效率辐射出去。 2.2.2同步监测与控制设备 罗兰c系统发射设备的根本任务是完成系统规定的特定要求的信号发射。要 达到定位的目的,系统要求同一台链内的各个发射台必须保持同步发射。为了保 证在系统工作区内任何位置接收的各个发射台的信号互不重合和干扰,也不产生 定位的多值性,系统规定同一台链内的各个副台必须要滞后主台一定的时间再发 射,这个滞后时间就称为副台发射延迟。在工作中,这个发射延迟值应保持一定 的精度,即其变化不能超过某个范围。所谓“同步”,就是指保证实际的发射延迟 值在规定的容差范围内变化。 在罗兰C系统投入工作前,通过系统的校准,一个台链中各个副台的发射延 迟值虽然可以调整到规定的数值,但是以后的运行中客观上有许多因素会使发射 延迟值发生变化,从而使同步偏离。这些因素大致分成两类:一是发射台时频分 系统的守时能力,包括各发射台所用频率源的质量;二是发射机中各种分频和控 制环路的工作状况和稳定程度。 同步监测与控制设备的作用就是从系统的角度去监视并控制主副台的同步工 作。显然,只有先监测出同步状况的变化,才谈得上控制。为此,系统规定了如 下检侧标准参量: ①系统工作区监测站控制标准时差(CsTD); ②系统工作区监铡站控制标准包周差(CSECD); ③主台同步监测分系统伪时差; ④副台同步监测分系统伪时差。 系统同步监测与控制部分包括系统工作区监测站、地面发射台的同步监测设 备和系统控制中心三部分。 系统工作区监测站是一个位置己知的固定站,它的基本任务是连续监测一个 或数个主副台对的时差和各个发射台发射信号的包周差与信号场强,由此就监测 了台链的同步状况和发射台的信号质量。监测站测得的各种数据通过通信系统适 时地报送台链主台或控制中心。 系统工作区监测站的基本设备包括罗兰C监测接收机、数据通信接收机、微 14 罗兰C导航中定位解算技术的研究 型计算机及其接口、供电和稳压电源设备等。 同步监测分系统包括主台同步监测分系统和副台监测分系统,分别设在主台 和副台,其主要任务有如下两个: 、 一是监测远方发射台与本地发射台基准间的时间差,对于台链主台就是监测 每个远方副台与本地主台基准之问的时间关系;对于副台则是监测远方主台与本 地副台基准之间的时间关系。因为同步监测分系统测量的结果并不是主副台间严 格的发射时差。但与真正的发射时差仅相差一个固定的常量,所以通常称作伪时 差。 另一个任务是监测主副台工作频标之间的频率差,这点对于保持台链同步非 常重要。 同步监测分系统的基本设备有罗兰c同步定时接收机、计数器、示波器、微 型计算机及其接口、供电和稳压电源设备等。 系统控制中心的职能是收集并处理整个台链的工作数据,向各发射台发布状 态查询或控制调整指令。控制中心可以单独设置,也可以设在某个发射台或监测 台。 2.2.3用户接收设备 罗兰C接收机是实现和完成系统功能的最终设备,由于发射和监测设备大都 由政府授权部门掌管,而接收机多由部门或个人使用,所以接收机亦称用户设备。 用户接收设备按操作人员参与信号处理的程度,分为人工搜索接收机、半自动接 收机、全自动接收机。它还可以按照使用环境来分,目前已面世的有海用接收机、 空用接收机以及陆上车载接收机等。按电路设计可以分为模拟式、数字式和微处 理机式。按信号处理方式可以分为线性和硬限幅式等。 典型的接收机包括五大部分。即天线系统、射频信号处理单元、数字信号处 理单元、键盘显示单元以及电源。其原理方框图为图2.6。 图2.6接收机原理方框图 第二章罗兰c系统介绍 天线系统包括接收天线、天线耦合器和馈线电缆。船用接收天线m 左右的鞭状天线;空用接收天线一般采用抗静电干扰的刀形天线m左右的斜天线;车载和手持式接收天线m左右的拉杆天线。天线 耦合器通常由有限带宽的滤波器有源前置放大器组成,其主要性能是: ①实现天线和接收机之间的阻抗匹配; ②使接收天线调谐,以获得最佳接收效果; ③滤除部分带外干扰; ④防止接收机本机遭受雷击。 射频信号处理单元包括带通滤波器、射频放大器、自动增益控制电路、陷波 器、限幅放大器和延迟相加电路等。它的功能是对天线耦合器来的信号进一步加 工处理,从而实现: ①抑制外来噪声和其它无线电业务的干扰: ②对信号放大,限幅和延迟相加; ③提取载波相位和脉冲包络信息。 , 数字信号处理单元包括定时/计数器、取样和数/模转换器、微处理器、 ROM佩^M以及各种接口电路。该单元的主要功能如下: ①完成信号的搜索,台链选择,天地波识别,锁定和跟踪; ②完成时差测量,附加二次因子修正和时差/地理经纬度转换; ③完成各种导航参数的计算和航行管理; ④完成与其它单元以及外设的接口。 键盘显示单元包括控制键盘、显示器等,其功能是完成人机交互。 电源单元有三种形式,即交直流交换电源、宜流电源和电池电源。 2.3罗兰C接收机工作原理 罗兰c接收机用来接收罗兰C信号,通过精确测量接收点处接收到的主台信号 和各副台信号问传播的时间差来进行定位。罗兰c接收机所测的时间差是指接收 点处主台信号脉冲组和所选副台信号脉冲组间同一序列脉冲、相同周期过零点的 时间差值,即测量或估算出不同脉冲组各脉冲特定载波周期的到达时间差。 为了得到这一测量或估计的时差值,接收机必须完成一系列工作状态。这些工 作状态可以按不同的方法分类,但是,其基本内容应包括如下四个状态:预置、 搜索、脉冲组时间基准识别和跟踪。 预置是指操作人员为接收机工作必须输入有关先验信息的工作状态。基于接 收机的自动化程度不同,要求预置的先验信息也不同。对于半自动接收机,需要 预置像台链选择、最佳台对定位选择、ECD、ASF修正等项目,对于全自动接收 罗兰C导航中定位解算技术的研究 机则完全不必预置。 搜索是寻找预期的一个罗兰C台链主、副台脉冲组,并把接收机中相应的采 样脉冲组对准该脉冲组任意点的过程。另外,还有一种定义(或说法)是:确定 或测量预置GRI台链主、副台脉冲组信号大致时间位置的过程。在典型意义下, 搜索过程从搜索主台脉冲组开始,到寻找到副台脉冲组信号结束。搜索主台脉冲 组信号必须利用预置GRI(或接收地点概位)和其相位编码等信息,搜索副台脉 冲组信号还要利用其相对于主台发射时间基准的发射延迟和其相位编码等信息。 搜索分手动搜索和自动搜索两种。自动搜索是指一旦完成预置,接收机就能 以本身的电子电路和装置自动的搜索到预置GRI台链和具有足够信噪比的主、副 台信号。 · 脉冲组基准时间识别是指寻找罗兰C地波信号脉冲组的第一个脉冲第3载波 周期正向过零点的过程,因此,也常把它称为载波周期识别。一般,当完成信号 搜索之后,采样脉冲可能采样于接收脉冲信号的任意点上。因此,脉冲组时间基 准识别过程分为两个阶段:第一阶段实际是天、地波判别过程,即把接收机本身 的采样脉冲向前移动,置于所接收脉冲的前沿上;第二阶段是在脉冲前沿上寻找 特定载波正向过零点。 跟踪状态是罗兰c接收机本机脉冲组时间基准与所接收外来罗兰c脉冲组时 间基准保持同步,并不断的测量主、副台对信号到达时间之差的过程。一般的说, 接收机在完成了脉冲组时间基准识别之后,其信号处理过程即进入了自动跟踪状 态。 由于微电子学和计算机技术的发展和应用,以及各国对无线电导航服务需求 的增长,罗兰C接收机发生了一次革命。归结起来可以列为以下几点: 1)导航仪将代替接收机。早期的罗兰c接收机,不论是所谓半自动式还是全 自动,都存在着一个致命的弱点,即输出的导航信息都是双曲线时差数据。这种 非直观的信息,操作人员必须通过查阅罗兰C导航图、表,或另配接一个坐标变 换器,才能得到直观的地理经纬度坐标。特别是人工作业时,不但速度慢,而且 作图还会引入误差。另外对于高速运动用户来说,这一方面使用起来更不方便。 带有微处理器的罗兰C接收机,常被称为罗兰C导航仪。微处理器不只使罗 兰C信号的搜索、周期识别以及跟踪过程全部实现自动化,而且可以把双曲线时 差数据实时地变换成地理经纬度坐标。 ‘ 2)多台跟踪和定位 早期的罗兰C接收机,一般同时跟踪三个地面台的信号,这是为了定位至少 必须跟踪的台数。现在随着该系统的发展、新建设的一些台链,大部分都有两个 以上副台,可提供多余的信号。为了提高工作可靠性和改善定位精度,这就要求 现在的罗兰C接收机能同时跟踪多个副台或同一台链的所有台甚至多个台链,充 第二章罗兰C系统介绍 17 分利用各条位置线(时差)进行精确定位。 3)’多台链工作和定位 随着罗兰C覆盖区的扩展,特别是在沿海,相邻两台链重叠覆盖区的区域随 之增大。相邻两台链重叠覆盖区的问题往往是各台链只有一条位置线信号的质量 较好。通常把测量两个以上台链各一条位置线并进行定位叫做多台链工作和定位。 这一功能对罗兰C用于航空导航尤为重要,因为飞机速度快,飞行距离远,而且 经常在两台链重叠覆盖区飞行。 4)实现了自动陷波 在罗兰C系统工作频段附近,工作有大量的低频大功率通讯台,它们对罗兰 C接收机正常工作将产生严重干扰。罗兰C接收机的陷波器是为消除这一干扰专 门设计的。早期的罗兰C陷波器是手动操作的,其缺点是操作速度慢、调试困难。 罗兰C导航仪采用微处理器实现自动调谐陷波器,能快速准确的滤除干扰。 5)增加ASF修正功能 ASF是附加二次相位因子,对于现在能实时完成双曲线时差到地理经纬度坐 标转换的大部分罗兰c导航仪来说,ASF修正功能显得十分重要,否则变换后得 到的经纬度值与实际的真值会相差较大。ASF代表罗兰c信号通过不同导电率的 陆地所引起的延时。目前ASF的修正方法多种多样,高性能的用户设备,多采用 把导电率修正地图存在计算机,实时的计算ASF值;中等性能的用户设备,一般 根据导电率粗略数据计算ASF值。 6)数字信号处理技术的应用 过去的罗兰c接收机大都采用模拟技术,对噪声抑制的有限能力使接收机系 统的性能受到一定的限制。高速数字信号处理器芯片的出现和发展,使得数字信 号处理技术得到了广泛的应用,数字滤波、自适应滤波所具有的性能是模拟滤波 器无法比拟的。在罗兰c接收机中运用数字信号处理技术可使接收机的消噪能力 得到显著提高,甚至可以设法把地波从混合天波干扰的信号中分离出来,利于脉 冲组时问基准识别,为进一步提高接收机的系统性能提供了一种有效途径,同时 可以有效改善接收机可靠性。 第三章罗兰C定位概述 19 第三章罗兰C定位概述 罗兰c系统是双曲线无线电导航系统,它的基本工作原理是:在工作区内某 点接收同一台链主副台信号到达的时间差,利用电波传播速度稳定的原理,时间 差转换为距离差。具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为焦点的一条双曲线, 如果能获取两条相交的曲线,则其交点就是我们要确定的位置。 3.1台链及其配置 罗兰c系统的发射台链是指一组发射台形成的网络,这些发射台具有共同的 时间基准并位于同一地理区域。至少要3个发射台才能组成一个双曲线台链,台 链中的一个发射台定为主台,其余各台称为副台。主台和每个副台都组成一个台 对。台链中副台的数量一般不超过5个。 主台的功能是: ①在规定的公差容限内发射规定格式的9脉冲组信号; ②建立台链的时间基准和脉冲组重复周期; ③监测副台信号。 副台的功能是: ①在规定的公差容限内发射规定格式的8脉冲组信号; ②保持规定的发射延迟; ③按控制台的要求在系统超差时发射闪烁信号以实现向用户告警。 通常,主台都用英文大写字母“M”表示,副台则用大写字母…W’、“x’,、…Y、 “z”等表示。台链中各发射台之间位置的相互关系,包括发射台间的距离和方位, 称作台链的配置。常见的台链配置有三角形、Y形和星形三种。三角形的台链配 置是最简单的一种,也叫一个台组.在Y形和星型配置中,一个台链包含了若干 个台组。例如,图3.1中的Y形配置台链中含XMY、YMZ以及ZMX总计三个 台组。实际台链的几何配置还取决于台址的可利用性,在某些情况下,两个台链 还共用某一个地面发射台。 X Y M 图3.1台链配置示意图 20 罗兰C导航中定位解算技术的研究 我国的罗兰C系统,目前由六个发射台三个监测站组成三个台链,分别覆盖 南海、东海、北海及日本海南部。台链布局图如图3.2所示。 我国台链配置的特点是: 1)南海台链两条基线基本成东西方向,东北海两个台链三条基线大致为南北 方向,在饶平发射台处形成近于90度的转折角。 2)南海链两条基线kin左右,较短。东北海的三条基线kin 左右,较长。 3)三个链的基线)六个发射台中有三个台为公用台,即同时工作在两个台链内。 5)六个发射台的发射功率均大于1200kw,在世界全部罗兰C台中属于大功 率发射台。 大功率、长基线、大张角,带来系统作用距离远,并且远区精度相对于短基 线较好,而公用台多则大大节省了建设经费。 O 矿矾 图3.2我国现有罗兰C台链的配置 第三章罗兰C定位概述 3.2基线和基线延长线 基线指同一台链两个发射台之间的最短测地连线,近似等于两个发射台之问 的大圆距离。基线用所连两个发射台的名称或字母来标识。例如,连接主台M和 副台x的基线称xM基线。基线长度可以用nmile或km等长度单位表示,也可 以用无线电信号传输过该基线所需的时间来表示,这时基线长度也称基线电长度, 常用的时间单位是US。 基线延长线是指基线在发射台之外的射线。主台方向之外的延长线称主台基 线延长线;副台方向之外的延长线称该副台基线延长线。对罗兰c系统来说,因 为基线延长线附近精度很低且有时差多值性,所以系统覆盖区不包括基线延长线位置线和位置线定位 罗兰c系统的位置线是地球表面上到两个发射台具有恒定测地距离差的曲 线。根据几何原理,到两个定点(M,)【)的距离差为常数的动点P的轨迹是以定点 M和x为焦点的一条双曲线。这样,罗兰C位置线是双曲线位置线。不同的距 离差,对应不同的位置线,形成双曲线位置线族。由于无线电波以确定的速度传 播,传播距离与时间成正比,所以系统的位置线既是距离差位置线,也是时间差 位置线是双曲线位置线形成的原理图。图中,以两个发射台为圆心画出两组 等距离的同心圆。在每个圆周上,从圆心来的信号到达时问是相同的。连接两组 具有相同距离差的同心圆的交点,可以画出一族双曲线位置线双曲线位置线定位示意图 定位就是用某种实用的坐标系统,例如北京系地理纬度坐标确定的一个位置。 如果在一个观测点测得了一个时间差,即可确定~条双曲线。但一条双曲线还不 能确定位置,仅表明观测点位于该条双曲线上的某点。为了达到定位,必须要测 得第二条位置线。两条位置线的交点就确定了观测者的位置。图3.4给出了两条 罗兰C导航中定位解算技术的研究 位置线定位的示意图。 . 位置线可以用主副台时差值来标示。早期的罗兰c系统备有专门的导航图, 即同时印有经纬度和罗兰时差位置线族的地图。用该地图可以直观地找到确定时 差值的位置线,并可以直接在导航图上把定位点的时差坐标转换为地理坐标。但 是由于图幅大小和比例尺的限制,导航图很难区分微小的量,定位精度不高,而 且使用手续复杂。 3.4定位精度 定位是指以采用某种坐标系统,如时差坐标系统、距离和方位坐标系统或经 纬度坐标系统表示或确定一个点的位置。对于一个无线电导航系统来说,定位精 度无疑是最重要的性能之一。准确了解系统的精度对合理充分地使用它十分重要。 与所有其它导航系统一样,罗兰C系统获取的载体测量位置是有误差的,包 括发射信号不稳定所引入的误差、传输媒介中天气及其它物理变化引入的误差以 及用户接收设备误差等等。 罗兰C系统的定位精度可以分为绝对精度,即由罗兰C系统确定的某一点位 置坐标相对于实际地理位置(经纬度)的精度;重复精度,即由罗兰C系统多次 对某一个预定位置点测量所达到的定位精度;相对精度,即两个用户使用罗兰C 系统导航相遇时所能到达的精度。从一般意义上讲,导航系统的定位精度是指绝 对精度。 罗兰C系统定位精度的一个重要特点是精度与用户定位所处的覆盖区位置、 台链的几何配置有关,用数学语言来说就是定位精度是定位点相对发射台位置的 函数。这是因为罗兰C系统的定位是通过测量主副台信号到达接收点的时间差来 实现的,时间差转换成距离差之后,再根据已知的台站配置(经纬度坐标)计算 出定位点的地理坐标。而由定位点的时间坐标转换成地理位置时,同样的时间差 测量误差会导致完全不同的定位误差,覆盖区内的定位精度将随着定位点远离主 台而增大。而且定位精度还与位置线交角有关。位置线交角越接近垂直,所获取 的定位精度就越高。需要特别指出的是,因为影响电波传输速度的许多因素有很 强的时间相关性和空间相关性,罗兰C系统重复精度和相对精度要比预测精度或 绝对精度高的多。 接收点的定位精度还受其它方面条件的影响,第一是达到接收点的信号质量, 这与接收点离所用发射台(一般是3个)的距离以及发射台的功率有关。另外, 收发路径的传播条件也很重要,在导电性好的路径上传播比在导电性差的同样长 度路径传播所获得的信号质量要好得多。不仅信号强度大(衰减小),而且信号时 延可预测性也好。接收点的信号条件当然也与发射台的信号质量以及接收机的性 第三章罗兰C定位概述 能有关,包括发射波形的标准程度、发射延迟的精确与稳定程度以及接收机本身 的性能与安装状况等。 3.5覆盖范围 覆盖区的一般定义是指允许用户利用系统信号定位到规定精度水平的地球表 面或空间的范围,它由系统的几何配置、信号功率电平、接收机性能、大气噪声 条件和影响信号可利用性的其它因素决定。显然,即使对于给定配置和功率的台 链,其覆盖区的大小也不是绝对的。例如,对于同样的精度要求,性能好的接收 机比性能坏的接收机工作区就大一些;对于不同的精度要求,其覆盖区大小也不 一样,精度要求越高,覆盖区越小。通常罗兰C系统台链覆盖区定义为信噪比为 某一定值的范围,或者定义为定位精度为某一定值的范围,或者是上述两种定义 公共范围。有时,也可以用最大作用距离来描述覆盖范围,所谓最大作用距离是 指三个发射台组成的台组中各台信号达到某极限最低值所产生的公共区域中离主 台最远的距离。可以近似认为,这个最大作用距离在主台对两副台张角正向(小 于一的一面)的角平分线方向。其实,用最大作用距离描述的覆盖区对应于用信 噪比给出的覆盖区。 一般来说,罗兰c系统的覆盖区指定位精度优于460m的区域;换句话说, 在系统的覆盖区内,绝对定位精度都不低于460m。因为系统的定位误差是随远 离主台而呈发散形式的,在离主台近的区域,定位精度可以高达数十米,仅仅在 接近覆盖区边缘才逐渐降低到极限精度460m。另外,系统的重复精度和相对精 度都较少受到陆地路径传输修正的影响,比绝对精度要高好几倍;利用差分技术 可以在局部区域把绝对精度提高到重复精度的量级,最高可达20m。但不能简单 地把作业所要求的定位精度和系统覆盖区的限定精度直接相比,必须要指明作业 区域和定位方式之后才能下结论。 除了定位精度,影响其台链覆盖范围的因素还包括下述几方面: ①台链的几何位置; ②发射台的信号质量和辐射功率: @收发路径的传输条件; ④接收点的噪声环境; ⑤接收机的技术性能。 对于给定的台链,可以认为发射台的信号质量和用户接收机的性能是给定的。 这样,台链覆盖区最终可以归结为由三大因素决定,即接收点的信噪比条件、几 何精度和天波干扰的限制。罗兰c系统测量信号地波,天波干扰对地波覆盖区的 限制也不容忽视,因为用户接收机的抗天波干扰能力是有限度的。天波干扰对覆 罗兰C导航中定位解算技术的研究 盖区的影响主要是在天地波混合区,影响程度取决于天波延迟和禾地波相对幅度 比。 地波覆盖区的预测可以依据下述方法进行: ①给定覆盖区的定位精度要求; ②选择代表点,计算出覆盖区的一定时间概率的大气噪声电平; ③根据发射台的辐射功率、路径传输参数和大气噪声电平,画出信噪比为规 定值的轮廓线; ④根据给定的测时差精度和定位精度要求,画出几何精度限制的轮廓线; ⑤上述两条轮廓线的公共部分就是所预告的覆盖区。 最后还要指出,尽管我们希望预告的覆盖区尽量符合实际情况,但它毕竟是 一种理论预告,它可以作为台链性能的一般描述,却不能作为能否使用的最终判 据。系统建成之后,在理论预告的基础上应该做出实验验证,给出更为准确的覆 盖区。 我国罗兰C南海、东海、北海台链的覆盖范围如图3.5所示,主要工作区是 面向海洋,背向工作区局部分离,系统作用距离较远。 第三章罗兰C定位概述 图3.5我国罗兰C台链覆盖范围 3.6 ASF修正 在罗兰C系统中定位的理论依据是电波传输速度是恒定的。实际上,电波传 输速度在不同的传输介质中是不相同的。通常,我们把电波通过大气相对于真空 的传输时延变化称为一次相位因子(PF),通过海水相对于大气的传输时延变化 称为二次相位园子(sF),而把电波通过陆地相对于海水的传输时延变化称为附 加二次相位因子(ASF)。 按照传播理论,无线电波在两点之间的传播时延T可表示为: T=P鼍拯’^§骚 因为电波在大气和海水中的传输速度是可以精确获得的,如电波在线米/微妙,在海面大气中299.5米/微妙,在陆地大气中299.2米/微妙。因此 一次和二次相位因子可以准确预算,丙附加二次相位因子的预测就困难的多,特 别是对于实际的海陆混合路径更是如此。一般的用户接收机的定位计算都是假定 传播路径为全海水路径,电波传播的主要误差由ASF引起,所以要提高系统的绝 对定位精度必须进行ASF修正。 所谓ASF修正就是接收机在计算地理位置时,把实际路径相对于海水路径的 附加时间延迟人为地用某种方法加进去。ASF修正值可以通过两种方法获得:1) 近似计算法,2)实际测量法。ASF修正值事先存放在接收机存储器中进行修正。 近似计算法是根据罗兰C系统每个台链覆盖区所包括的陆地、海水,按地形、 地物、土壤,分区建立的数学模型,按一定密度的网格计算ASF修正值,将这些 计算结果列表成册就是罗兰C系统的ASF修正表。 罗兰C导航中定位解算技术的研究 我国罗兰c系统东北海台链及南海台链的ASF修正表已编制完成,编制格式 按经纬度值自西向东、自北向南排列,以间隔15x15’给出了一组ASF修正数据。 表3.1是南海台链6780内经纬度间隔各为30’给出的一组ASF修正数据,上行表 示M.x台对的ASF值,下行表示M.Y台对的ASF值。 表3.1南海台链罗兰CASF修正表(单位us) 东经 105. 106. 1070 10矿 北纬 o,3∥ 0’30, o, 30’0’ 24。 0, +1.753+1.759+1.763 -2.314-2.350-2.402 30’ +1.717+1.712+1.699+1.690+1.668+1.654+1.646 23。 +1.620+1.616+1.559+1.516 ∥ +1.495+1.461+1.519 实测法是利用罗兰C接收机在已知坐标位置点的实际测量时差,求得实测值 和按全海水路径在该位置的预算值之间的差值,来确定传输修正值。实际应用时, 以GPS接收机测出的坐标位置作为实际值。 以多台链罗兰C/GPS组合接收机为例简要说明。组合接收机给出的GPS位 置为(Ⅳ3r 在该位置接收到了4个时差,见表3.2,用GPS的位置通过数学模型解算出各个 罗兰C台链到达该位置的时差,这里列出了相关的4个时差,以示说明。用GPS. 罗兰c就得到该位置的修正值。日本海台链8930和韩国台链9930也可以覆盖到 我国,它的部分修正值就是用此方法获得。 表3.2时差实测法获得的传输修正值(单位us) 理论计算(GPS)实测值(罗兰C)修正值(GPS.罗兰c) 0.43 8390TDy=32657.178390TDy=32656.74 .3.08 7430TDy=33418.547430TDy=33421.62 9930TDx=25194.96993盯11)x=25193.411.55 9930IDw=11032.52993盯IDw=11030.711.81 第三章罗兰C定位概述 不论是采用近似计算方法,还是实际测量方法,都需要大量的GPS和罗兰C 数据,需要通过不断的积累才能获得精确的ASF修正值,建立ASF修正库。 我国的长河二号系统由于受到建台地理位置的限制,目前所建的台链不能完 全满足台湾海峡以周围地区的舰船导航定位精度的要求。因此,可以通过完善ASF 修正数据库,增加台湾海峡及周围地区东海、南海多台链定位时的ASF修正值, 来提高台湾海峡及周围地区舰船导航定位的精度。 3.7定位算法概述 在罗兰C导航系统中,把罗兰时差转化成经纬度,是系统中最实用最重要的 部分。早期的罗兰导航系统由于计算工具和计算技术的落后,借助于预先算好的 罗兰表或罗兰图来实现时差到经纬度的转换,具有良好的直观性,一直受到欢迎, 但是手续和过程比较烦杂。进入20世纪70年代后,罗兰图表的定位作用逐渐被 淘汰。在罗兰C系统建成的初期,就开始研制座仓式坐标变换器,即与接收机一 道摆在驾驶仓内的自动实现时差到经纬度转换的装置。这种坐标变换器由最初的 与接收机分立的晶体管计算机、专用机、小型机,发展到与接收机合为一体的微 机、单板机、单片机。有坐标转换等功能的接收机,现在通称自动导航仪。 随着科学技术的进步,对导航系统的定位精度提出了越来越高的要求。因此, 在实现罗兰时差到位置的转换过程中,所要考虑的因素也越来越多。时差到经纬 度转换的第一个问题就是信号传播的时间差与距离差之间的转换。最初只是简单 地依靠电波传输速度值实现坐标变换,由于电波传输速度受到传输路径的影响, 相对于自由空间会产生相位延迟,所以在全海水路径要考虑SF(二次因子时延) 的影响,在陆地情况下要考虑ASF(附加二次时延)的修正问题,以提高定位精 度。时差到经纬度转换的第二个问题是地球形状,即地球的数学模型。虽然大地 水准面可以认为是地球形状的精确模型,但是由于地球内部质量分布不均匀,使 得大地水准面的形状很难用数学解析式表达。目前,大多用两度旋转椭球体(参 考椭球体)来代替地球。 当今世界各国各地区出于大地测量、导航和空间技术等的需要,所确定的各 自的椭球体的大小形状和位置并不相同。因此,尽管是同样的大地经纬度值,在 不同测地基准系上,却不代表同一个真实点。这就存在大地基准系之间的换算问 题。国际上自1975以后,子午仪卫星导航系统、罗兰C系统和奥米加导航系统 都采用了WGS.72全球大地系,后来,又出现了一种新的地球重力场模型WGS.84, 从1987年以后美国的GPS全球卫星导航系统启用WGS.84

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