第6章 军用战术通信导航系统（1 PLRS）要点课件.ppt
航空航天无线电导航,刘磊电子科技大学航空航天学院,第六章军用战术通信导航系统,在现代化的作战环境中，实时的指挥、控制和通信（Command、Control &Communication）对于陆、海、空三军的联合作战，是非常重要的,甚至决定战争的胜败与否。二次世界大战后，东西方对峙格局形成，世界各国开始了军备竞赛。尤其是美国，作为二战后经济和科学技术发展最强劲的国家，保护其在二战中的既得利益成为必然。因此需要加强其军事的科技化，占据世界军事的主导地位。,为此，美国国防部及其陆、海、空军除了开展全球性GPS战略导航系统的研制工作外。另外的一个重要举措就是开展了战术通信、导航、定位系统的开发工作。主要包括定位报告系统（PLRS）和联合战术信息分发系统（JTIDS）。从而形成其完整的军事战略、战术综合体系。,6.1 陆军定位报告系统,6.1.1 概述现代战争，是一种多方面军事能力的较量，单一兵种作战往往存在很大的缺陷。综合战斗的优势在海湾战争、科索沃战争中已经得到了充分的体现。长期以来，战地指挥员仅能凭借地图、罗盘和话音无线电消息，用猜测的方法对下属部队及友军保持跟踪。传统的指挥技术不仅效率低，同时还可能不准确和不及时。假如不能精确地知道受援部队的位置，支援效率将得不到充分的发挥。,特别是在能见度低和通信条件差的情况下，由于不能连续且精确的了解邻近部队和支援部队的位置，往往还会产生各部队之间自相交火的情况。当部队在密林或地形特征不明显的地区作战时，传统的定位和通信方法更难奏效，不能满足现代化战争对定位精度、可靠性和及时性的要求。,必须研制一种准确、实时、全方位的空地定位和导航系统，以满足陆、海、空、宇各军种的使用要求。能为战术指挥员提供近实时的三维定位信息；对地面和空中单位进行导航；协调空中支援及炮火支援；对地面和空中作战单位实施有效的控制和机动指挥。,克服上述缺陷,研发过程,70年代初，美国在总结了越南战争的经验教训之后，更加深刻的认识到指挥效率的重要性美国海军陆战队和陆军开始联合研制一种新型的集通信、导航定位、识别技术于一体的综合战术系统，这就是定位报告系统（PLRS，Position Location Reporting System）。,最初的PLRS系统是由美国的海军陆战队主持研制的。美国的通用动力公司和休斯飞机公司都得到了该项目的研制合同。经过设计论证后于1975-76年在加利福尼亚州的彭德尔顿营进行了试验。此时美国陆军对PLRS方案也产生了兴趣，随后便加入了计划。1976年，美国海军陆战队和陆军签署了一个协议。协议规定，以陆军为首，派出计划负责人，海军陆战队派出副职。该计划于1977年进入大规模工程研制阶段。休斯公司成为唯一的合同承制方。,工程研制阶段于1980年底完成，休斯公司向陆军交付了两部PLRS主控设备和64台用户设备，以进行为期一年的研制试验/使用试验。试验于1981年9月结束，随后，陆军和海军陆战队于10月至12月在德克萨斯州的胡德堡进行了联合使用试验。1982年1月，将设备移到北卡罗来纳州的勒人营进行为期一个月的海军陆战队试验。这些试验都涉及到海军陆战队的首要任务两栖突袭。,试验之后，陆军和海军陆战队都派出各自的装备评审委员会，于1982年3月联合审议了关于PLRS有效价值的评审结果，并决定是否进入生产阶段。1984年9月和12月，海军陆战队和陆军先后获得了第一套完整的PLRS系统。第二个生产合同于1985年通过竞争投标方式签订。1986年海军陆战队对PLRS的工程研制模型进行了试验，并开始使用。,1988年，海军陆战队完成了PLRS试验设备及主控设备训练器的研制任务。从1988年起到1990年，海军陆战队共购买了12部主控设备和1500台用户设备。在此期间，休斯公司地面系统集团（GSG）还获得了一项金额为3600万美元的改型生产合同，为几艘海军两栖攻击舰制造主控设备。,当海军陆战队在加利福尼亚州、北卡罗来纳州和日本部署PLRS网络时，陆军却在奋力解决增强型PLRS（即ADDS）研制工作中的问题。1988年59月在瓦丘卡堡进行试验期间，休斯公司成功的解决了所存在的问题。在1990年的演示中，EPLRS满足或超过了生产系统验证（PSV）试验的所有要求。,PLRS将是陆军和海军陆战队具备一种能在许多方面改变战场作战指挥的独特能力。对于各个战术用户（陆、海、空用户）来说，该系统能实时地测定和显示其精确位置。如果用户进入限制区域，系统便向其告警。该系统除具有自由电文数据交换能力外，还能根据请求将其引导到预定点，引导到其他部队。对于战术指挥员来说，PLRS能够提供其规定责任区内所有协同用户的标志、位置和移动情况。能使指挥员输入和修改配合点、走廊和限制区域。对于所有网内成员来说，该系统具有有效的电子反对抗措施，并能进行保密数字通信。,PLRS在各种能见度、气象和地形条件下都能在陆上和海上工作。能快速接纳进入该系统战术区的临时用户。PLRS是一种战术支持系统，它能提供精确的定位和导航信息，进行统一识别，能提供有限的预定数字数据消息。因而能提高地面、空中和两栖作战能力。此外它将会提高地面指挥员的下列能力：,控制部队联合作战；组织间接火力；协调近空支援；准确地指定布雷区；接受快速反应地航空医疗和后勤支援；在夜间和低能见度条件下指挥有效作战和避免与友军交战。,6.1.2 工作原理,定位报告系统是一种自动化时分多址战术数据系统，能够完成定位、导航、识别和有限的数据通信。PLRS并不是要设计成为一种能独立工作的指挥和控制系统，但能够向适当的指挥和控制机构提供关于己方和友方情况的数据。一、PLRS系统组成PLRS系统功能是通过网络来实现的。PLRS网络由一台主控设备、一台备用主控设备和数量不等的用户设备组成。,主控设备（MU）的功能是：对网络进行管理；自动处理每个在网用户设备的定位、导航和识别信息；交换有限的数字数据通信信息；实时显示规定责任区内的用户设备；让其所服务的战术指挥部和控制设备分享其数据库。,备用主控设备以“热备份”的形式提供余度，其功能是：监视主控设备的工作情况；参与网络定位和通信；当主控设备操作员发出指令或主控设备发生故障时自动的对网络进行控制。,PLRS用户设备是以基本用户设备（BUU）为基础设计的，可以完成以下功能：发射和接受PLRS消息；接受、翻译和响应主控设备发出的指令；在主控设备指导下控制射频功率输出；精确测量信号到达时间（TOA）；测量大气压力；产生和接收输入/输出数据。,二PLRS系统的时、空配置,休斯飞机公司设计的PLRS采用全同步时分多址体制，这种系统利用扩频波形进行多边定位和跟踪。1、时间配置PLRS网络通信采用时分多址结构。整个PLRS网络的主定时源在主控设备中，每个在网络中的用户设备都有自己的时基发生器（时钟），它与主控设备的时基发生器保持同步。,为了便于网络的控制，系统采用多级时分体系，即：时隙、时帧、时元。PLRS的基本时间单位是时隙，系统在每个时元中给系统的成员分配一定数量的时隙，数量的多少是根据其在系统中权重而定。网络中的每个PLRS设备按照规定好的顺序利用属于自己的时隙，其所有的发射和测距等工作必须在该时隙内完成，而其余的PLRS设备则处于接收状态，否则会发生通信的冲突和碰撞。,一个时隙时间长度是1.953125 毫秒，一个时帧包含128个时隙，一个时元包括256个时帧。通常不允许某一用户在一个时帧内占有多于两个或两个以上的时隙，因此时帧的意义在于表示用户设备能够产生报告消息的最大速率。时元表示一个用户设备所能发出报告信息的最低速率，即每个用户单元在一个时元内至少要发送一次报告信号。系统的时间结构如下图所示：,时隙是系统的最小时间单元。时隙的划分应满足系统成员数目的要求，并且考虑要能传输足够的信息，同时保证用户中两个成员的间的最大距离的保护时间，不能使两个相邻时隙发射的信号因成员间的距离而发生重叠。,2、空间配置,PLRS利用多边测距技术对系统用户进行定位和跟踪。每个用户要多次测量与不同中继用户的到达时间，并且将其转送给主控设备。主控设备利用这些到达时间来计算该网络内每台设备的位置，如下图所示：,PLRS网络的结构由PORT链、到达时间(TOA)链和基准节点组成。PORT链直接的或通过13个中继节点把用户设备（节点）与主控设备连接起来。直接连接的设备叫做“A”级节点；通过一个中继站连接的设备叫做“B”级节点，依此类推。“D”级节点是PLRS工作所能达到得最外层节点，其路径上有4个PORT链和3个中继节点（1个A，1个B，1个C）。在每条PORT链上要进行到达时间测量，并且将这些测量值送给主控设备。除了测距外，还可以用双向到达时间测量来同步用户设备的时钟。,PLRS测量通道,可以通过PLRS网络传送的消息有四种：用户数据输出消息；用户数据输入消息；网络控制消息和测量报告消息。所有这些信息都（必要时通过中继）送到各自的目的地。每种消息都使用差错控制，以保证允许的误码率。用户数据的输出消息或者源于与PLRS主控设备相接口的指挥和控制中心，或者源于主控设备本身，通过网络发送到适当的用户设备的输入/输出装置。输入/输出装置也可以产生要发回主控设备的数据信息。从而形成指挥和控制中心或主控设备和任一用户设备之间的双向（中继）通信。,PLRS消息体制,PLRS系统导航定位使用两种坐标系：地理坐标系和平面相对坐标系。PLRS的坐标转换在300*300公里的区域内进行。为了同步内部坐标和外部军用格网基准（MGR）坐标之间的关系，要给定PLRS三个以上协同工作设备的军用格网基准位置，从而它们变成了基准节点。PLRS网络用三个距离和一个高度来定位，从而单值地定出一个成员的三维位置。,PLRS坐标选择,三、系统同步测量,定位报告系统为实现TDMA的工作方式和实现定位导航，必须建立统一的系统时系统以主控设备的高稳定铷钟作为系统的时间基准，系统中其他设备的时钟均应与主控设备的时钟精确对准。在休斯公司采用的同步方法中，每台用户设备都有它自己的时基发生器，这个时基一旦与主控设备时基同步，就可以发送或接收消息，并进行测距。,时间同步的优点,第一，所有的用户可以共用一个频率，收发机设备简单划一。第二，主控设备与某个用户设备进行测距时，不必与其直接联系，所以就能为其他用途或用户腾出大量的时隙。第三，通过较少的传输便实现全网络工作的能力，也可以用来减少与其他系统之间的干扰；降低信号被敌方检测的概率和提高在干扰环境下成功的完成关键业务的能力。,系统时的作用,第一，使所有的成员具有统一的时元、时帧、时隙的时间基准，使其每次发射信号都以统一的时隙起点作为定时标准，保证时分多址工作方式正常有序的进行；第二，作为定位导航中精确测量到达时间TOA的基准；第三，由于定位报告系统采用直序扩频的伪码编排和跳频图案都是随时间而变化的，也需要有统一的时间基准，否则系统无法正常协调工作。,入网过程,用户设备和主控设备的时钟实现对准的过程叫做入网同步，也称粗同步。由于系统使用过程中，用户是高度分散的，因此要分级实现入网，系统把用户分为A、B、C、D四级。入网时，主控设备首先广播发射“入网征求”征求A级用户设备入网，A级用户设备通过接收该消息而获得时间信息，从而到达入网同步。当A级用户设备入网同步后，主控设备再发射“入网征求通知”消息，指定已入网的A级用户发射“入网征求”消息，使下级用户入网。以此类推，逐级建立起统一的系统时。,有源校时,在定位报告系统中，在完成粗同步之后，为了保证系统精确定位，各用户设备还必须进行精同步，从而进一步消除系统时同步的误差。而且，为了维持精确同步，在系统工作过程中，每个用户设备的精同步过程要周期性的重复进行。系统中采用有源校时的方法实现精同步。,四、系统抗干扰、保密通信,PLRS通常是在有意或突发干扰的环境下进行工作的。为实现这种能力，采用了直序扩频和跳频两种技术。在定位报告系统中，发射的信号用5MHz相关特性好的伪随机码序列以MSK方式调制 。为了进一步提高抗干扰性能，得到更高的扩频处理增益，在定位报告系统中利用跳频进一步使信号扩展道整个工作频段。跳频是发送端信息码序列与伪随机序列调制后，按不同跳频图案或指令去控制频率合成器，使发射频率随机改变。为了得到好的抗干扰和抗截获性能，跳频频点越多越好，但受扩频带宽的制约。,跳频点数为： N=如前所述，本系统中采用MSK调制的直序扩频信号，半功率点的带宽为3MHZ，因此，两个相邻频点的间隔选为3MHZ。系统的工作频段为420450MHZ，所以30MHZ内频点数为10，考虑到频带两端要留出一段保护频带，频点数取8跳频的抗干扰性能通常用处理增益描述为： G10LogN(dB)=9dB,定位报告系统采用了直扩和跳频混合工作方式，其优越性是明显的。对于跳频电台来说，抗跟踪式干扰的能力有限加上直扩后，在空中传播的是频率跳变的直扩信号，其功率谱密度很低，具有较好的抗截获能力，不易被侦察，即使被侦察到，由于跳频使频率变化，使跟踪干扰失去目标，混合扩频方式有很好的抗干扰能力。,五系统定位原理,PLRS网络利用三个距离(TOA)测量和一个高度测量来进行三维定位。高度是靠气压测量得到的，它能确定该设备所在的水平面；两个距离是根据时间同步后的单程到达时间测量值得到的，它与高度测量值共同确定该高度平面上的两个点；第三个距离则用来消除多值性。,PLRS所采用的是时分测量体制，所以用户不可能在所有的时间都能够进行测量。这必然会导致滞后误差。为了解决该问题，提高定位精度，PLRS系统采用了滤波-预测定位技术。根据测量量和测量性质的不同，系统中共有四类自适应预测校正滤波器，它们是简化的卡尔曼滤波器。由主控设备到达时间处理器的软件实现。这些滤波器一起从每台用户设备的到达时间和气压转换值的用户测量报告消息中取得原始测量数据，并将其变换成用户三维位置和速度的更新估算值。如下图所示：,六、误差分析,影响PLRS系统定位精度的误差源主要有如下几种：1、设备的分辨力用户设备设计得能够定时从一台用户设备向另一台用户设备发射无线电信息，用接收设备能够测得这个发射时刻，其误差直接会影响测距误差。这个测距值可以看作是一种随机变量。假设其期望值是真实测距值，假设其方差2在各种试验条件下为常数。通用动力公司PLRS估算出这个方差，其=4米。,“几何形状”用于说明用户设备相对其他用户设备和主控设备的相对位置关系。往往可以通过相对距离、相对张角等来描述。Burt等人证明：对三台用户设备来说，当张角等于90时，圆概率误差最小。下图给出了圆概率误差与张角的关系曲线。,2、几何形状,随着一台特定用户设备的视距设备数量的增加，多边定位解算法可用的距离数也要增加准确度中的标准偏差应当与 成正比，这里的n是视距设备数。要想将圆概率误差减少一半，就需要把视距设备数增加到四倍。,3、视距用户设备数量,位于零级中继位置的用户设备，在大多数情况下都是用固定报告设备（FRU）和主控备提供的测距估算值来定位的，然后仅用测距方差和张角就能计算出在这些设备的圆概率误差。位于零级中继等级的这些用户设备能够为一级中继等级那些用户设备的定位解算提供测距估算值。要计算一级中继等级设备地圆概率误差，除考虑测距方差和张角外，还必须考虑提供测距估算值的用户设备的圆概率误差。,4、中继等级,对于主要基于地面设备的PLRS来说，由于其测时精度很高，高度测量误差相对较大，因此高度误差是主要的测量误差。,5、高度测量,6.1.3 系统战术指标及应用,服务区域：主工作区（地面设备服务区）为35海里；扩展工作区（空用设备工作区）为200海里；海拔高度小于60000英尺。定位精度：在主工作区内背负设备15米；地面车载设备20米；机载式设备30米；在扩展工作区精度略有下降。,定位速率：背负式设备为64秒/次；地面车载式设备为32秒/次；直升机为8秒/次；其它飞机为4秒/次。工作频率：420MHz450MHz用户数：370500系统时钟稳定度：1e-9,PLRS基本技术的适用范围很广，如果就以现有的形式使用PLRS，它可应用于以下几个方面：定位、导航和通信实验仪器；恶劣气候条件下搜索营救和石油勘探；海岸汇集区导航；城市地面车辆定位和监控；,
