粟博文 叢麗 汪翔

1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院北京100190 2.廣州虎牙信息科技有限公司廣東廣州510000

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N在多軍聯(lián)合作戰(zhàn)中實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)估計(jì)、精確指揮控制和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同的通信鏈路系統(tǒng).目前軍用較為廣泛的Link16 數(shù)據(jù)鏈以時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)為基礎(chǔ),采用RS 編碼、數(shù)據(jù)交織、直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)等技術(shù),具有極強(qiáng)的保密抗干擾性能.作戰(zhàn)環(huán)境中,其可以容納大量成員,充分利用整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的信息資源,實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的聯(lián)合作戰(zhàn),發(fā)揮整體最大的作戰(zhàn)能力[1].

現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈通常是采用時(shí)分多址接入方式.基于TDMA 體制的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有良好的抗截獲、抗干擾能力,廣泛應(yīng)用于軍用系統(tǒng)中.TDMA 的接入?yún)f(xié)議主要研究多節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間分配問(wèn)題,也稱為時(shí)隙分配協(xié)議問(wèn)題.

相對(duì)導(dǎo)航是數(shù)據(jù)鏈的一項(xiàng)重要功能,各作戰(zhàn)單元之間相對(duì)位置的確定是完成協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵.在相對(duì)導(dǎo)航中普遍采用卡爾曼濾波作為濾波估計(jì)算法,當(dāng)系統(tǒng)為線性且噪聲統(tǒng)計(jì)特性滿足高斯分布時(shí)卡爾曼濾波是最小方差估計(jì)器[2].由于武器裝備的發(fā)展和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的愈加復(fù)雜、數(shù)據(jù)鏈中成員的動(dòng)態(tài)性不斷提高、成員出入網(wǎng)更為頻繁等因素,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航時(shí)隙分配設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足相對(duì)導(dǎo)航定位性能的需求.

現(xiàn)有的時(shí)隙分配方式分為3 種,固定時(shí)隙分配、動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配和混合時(shí)隙分配.

固定時(shí)隙分配協(xié)議一般根據(jù)時(shí)隙需求的節(jié)點(diǎn)數(shù)量提前劃分時(shí)隙,在時(shí)隙充足(或者說(shuō)節(jié)點(diǎn)不多)的情況下可以滿足需求.如果沒(méi)有針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的通信需求進(jìn)行合理的資源劃分,會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)或效率低下.有研究表明最優(yōu)固定時(shí)隙分配問(wèn)題被認(rèn)為是經(jīng)典的NP 完備問(wèn)題[3-4],因此,一般研究都是盡量尋求較優(yōu)解,常用的方法大都基于啟發(fā)式算法[5],如均域退火算法[6]、有序節(jié)點(diǎn)染色算法[7]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的時(shí)隙分配算法[8]等.

這些固定分配方式的效果可能隨著系統(tǒng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化而變差.動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的概念主要是相對(duì)于靜態(tài)分配而言,可靈活根據(jù)時(shí)隙需求調(diào)整時(shí)隙的分配.

都柏林城市大學(xué)的VENKATARAMAN 等提出將每個(gè)時(shí)隙劃分成幾個(gè)小時(shí)隙來(lái)增加可用的帶寬資源,不同用戶分配不同數(shù)量的小時(shí)隙的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分割(DTSP)算法[9].曼尼托巴大學(xué)的SHRESTHA B提出了一種基于動(dòng)態(tài)隊(duì)列長(zhǎng)度的混合CSMA/TDMA的時(shí)隙分配方案,考慮到隊(duì)列長(zhǎng)度的不確定性,提高了信道利用率[10].克利夫蘭州立大學(xué)的UNK N 提出一種基于介質(zhì)訪問(wèn)控制的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配機(jī)制,能夠避免網(wǎng)絡(luò)擁塞,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量[11].在韓國(guó)國(guó)家基金研究會(huì)資助下LEE K 等提出了基于時(shí)分多址網(wǎng)絡(luò)的基于中繼的定位方法.其中用于廣播導(dǎo)航信號(hào)和中繼接收消息的時(shí)隙被連續(xù)地分配以在TDMA 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中繼概念,減少時(shí)隙間隔期間成員動(dòng)態(tài)性產(chǎn)生的影響[12].

混合時(shí)隙分配算法綜合前兩者的優(yōu)點(diǎn),有研究表明綜合利用多種接入?yún)f(xié)議可以提高系統(tǒng)的效率[13-14],典型的混合時(shí)隙分配算法思想是一部分節(jié)點(diǎn)固定時(shí)隙分配,另一部分節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配.具有代表性的混合時(shí)隙分配方式有PTDMA協(xié)議[15]、ABROAD 協(xié)議[16]、Z-MAC協(xié)議[17].

可見(jiàn)時(shí)隙分配方式的研究大都集中將時(shí)隙資源進(jìn)行合理的劃分,使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分別占用不同的時(shí)隙,在避免了相鄰節(jié)點(diǎn)之間播發(fā)消息的碰撞的同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)有較高的通信質(zhì)量和較大的通信容量[18],從導(dǎo)航定位性能角度進(jìn)行時(shí)隙分配的研究較少,如忠南大學(xué)LEE J H 等的研究.他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于Link16 相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)性能分析平臺(tái)并根據(jù)不同時(shí)隙分配順序觀察系統(tǒng)成員在同一參考位置下相對(duì)導(dǎo)航性能表現(xiàn)[19].

本文在Link16 數(shù)據(jù)鏈基礎(chǔ)上,提出了一種基于導(dǎo)航源空間分布的數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法,通過(guò)計(jì)算導(dǎo)航源與成員的方位角,動(dòng)態(tài)地調(diào)整成員導(dǎo)航時(shí)隙來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)整體的相對(duì)導(dǎo)航精度.

1 數(shù)據(jù)鏈相對(duì)導(dǎo)航及時(shí)隙分配原理

1.1 數(shù)據(jù)鏈相對(duì)導(dǎo)航定位

數(shù)據(jù)鏈通常指定一個(gè)成員作為導(dǎo)航控制者(Navigation Controller,NC)建立起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)坐標(biāo)系,以時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間,以地理基準(zhǔn)的位置為網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確地理位置,如圖1所示為以Link16 數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)示意圖.

相對(duì)導(dǎo)航定位就是實(shí)時(shí)確定網(wǎng)中成員在該相對(duì)坐標(biāo)系中的位置.這對(duì)集團(tuán)作戰(zhàn)而言,比準(zhǔn)確的地理位置更加重要.

為保證系統(tǒng)正常工作,各成員間應(yīng)保持時(shí)間同步.當(dāng)一個(gè)用戶接收到另一個(gè)作為源的成員輻射的信號(hào)時(shí),通過(guò)測(cè)量出信號(hào)傳輸時(shí)間可以得知兩者之間的距離.同時(shí),在用戶接收這一源的信號(hào)時(shí),在其信息段內(nèi)傳送有這一源的位置數(shù)據(jù).這樣,用戶根據(jù)源的位置數(shù)據(jù)和測(cè)出的距離,可以確定出自己處在的以源為中心的球面,對(duì)3 個(gè)不同的源可確定3 個(gè)具有不同球心和半徑的圓球位置面,原理上這樣3 個(gè)位置面的交點(diǎn)就是用戶在三維空間中的位置.

在時(shí)分多址工作的情況下,各源是按一定的時(shí)間順序輪流輻射的,并且源和用戶都是在運(yùn)動(dòng)著的,不可能在同一時(shí)刻同時(shí)測(cè)出到3 個(gè)源的距離.因此,采用卡爾曼濾波技術(shù),按照成員運(yùn)動(dòng)規(guī)律外推下一濾波時(shí)刻的位置,用測(cè)距信息對(duì)位置進(jìn)行修正.經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,逐步修正,就可得到精度較高的用戶實(shí)時(shí)位置.

圖1 一種數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能的工作原理是將導(dǎo)航源和成員之間測(cè)得的TOA 值和P 消息(包含導(dǎo)航源位置信息)中源的狀態(tài)數(shù)據(jù),或有源校時(shí)得到的導(dǎo)航源與成員時(shí)鐘的鐘差,氣壓高度表測(cè)量的氣壓高度,加上慣導(dǎo)系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)測(cè)定的用戶位置等,一并輸入導(dǎo)航信息處理器中,在其中將這些觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合用戶(或INS)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程,用卡爾曼濾波定位算法,先計(jì)算用戶預(yù)測(cè)狀態(tài)值和信息,然后計(jì)算預(yù)測(cè)狀態(tài)的協(xié)方差陣和增益矩陣,最后進(jìn)行濾波修正,得到濾波估計(jì)值及其協(xié)方差陣.隨著新的測(cè)量值的不斷輸入,計(jì)算過(guò)程循環(huán)進(jìn)行,不斷進(jìn)行濾波估計(jì),得到狀態(tài)量的估計(jì)值和狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣.具體工作原理如圖2所示.

1.2 數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配原理

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)分多址的接入方式,即將時(shí)間軸分成一個(gè)個(gè)等長(zhǎng)的片段,每個(gè)片段分給一個(gè)成員播發(fā)消息,其他成員在這個(gè)片段中只能接收消息.借鑒Link16 數(shù)據(jù)鏈時(shí)間系統(tǒng),將時(shí)間軸從大到小依次分成周期、幀、時(shí)隙,時(shí)隙即為分給單個(gè)成員的片段.周期、幀、時(shí)隙長(zhǎng)度以及時(shí)隙的組成如圖3所示.

其中每個(gè)周期的長(zhǎng)度是12.8 min.一個(gè)周期可以分為長(zhǎng)度為12 s 的64 個(gè)幀,每一個(gè)幀又可以分為長(zhǎng)度為7.812 5 ms 的1 536 個(gè)時(shí)隙,每一個(gè)時(shí)隙分為3.354 ms 信息段和4.458 5 ms 的時(shí)間保護(hù)段.時(shí)隙指定播發(fā)信號(hào)的成員在信息段中播發(fā)信號(hào),信號(hào)保護(hù)段用來(lái)保證下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始前本時(shí)隙內(nèi)播發(fā)的信號(hào)已到達(dá)所有接收信號(hào)的成員.

各成員按照時(shí)隙分配表在規(guī)定的時(shí)隙中播發(fā)自身消息,但數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)時(shí)隙是用于通信信息的交互.抽取少部分時(shí)隙作為導(dǎo)航時(shí)隙,播發(fā)導(dǎo)航定位需要的P 消息.

P 消息采用特定的信號(hào)格式,其中包含導(dǎo)航定位需要的基本信息,具體包括位置信息、速度信息、角度信息、高度信息、導(dǎo)航源位置質(zhì)量和導(dǎo)航源時(shí)間質(zhì)量等,如圖4所示.

以Link16 數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)從導(dǎo)航性能角度分析時(shí)隙分配方法,數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配通常也可分為混合時(shí)隙分配、固定時(shí)隙分配和動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配.混合時(shí)隙分配是指部分特殊身份的成員時(shí)隙固定,余下時(shí)隙采用動(dòng)態(tài)方式分配給其他成員.固定時(shí)隙分配是指成員按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的時(shí)隙分配表依次獲得時(shí)隙.動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配是指網(wǎng)絡(luò)所有成員的時(shí)隙分配表是可以變動(dòng)的,在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中可以重新分配時(shí)隙的所有權(quán).

動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配可以依照導(dǎo)航源空間分布、質(zhì)量等因素調(diào)整時(shí)隙分配表,從而提高數(shù)據(jù)鏈的導(dǎo)航定位精度.

2 數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配

2.1 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配原則

在數(shù)據(jù)鏈相對(duì)導(dǎo)航定位中,定位精度與成員自身傳感器精度、導(dǎo)航源誤差和導(dǎo)航源空間分布相關(guān).為了提高導(dǎo)航定位精度,成員在接收到導(dǎo)航源的P消息后,根據(jù)導(dǎo)航源位置質(zhì)量以及時(shí)間質(zhì)量信息,選擇導(dǎo)航源進(jìn)行定位.在導(dǎo)航源位置質(zhì)量和時(shí)間質(zhì)量一定的情況下,成員定位精度主要受導(dǎo)航源空間分布的影響.因此,本文提出的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的原則是改善導(dǎo)航源的空間分布.

圖2 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)相對(duì)導(dǎo)航工作原理圖

圖3 系統(tǒng)的時(shí)間結(jié)構(gòu)

圖4 P 消息結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)航源可以視為衛(wèi)星定位中的衛(wèi)星,因此,導(dǎo)航源的空間分布采用衛(wèi)導(dǎo)中的精度因子(Dilution of precision,DOP)來(lái)描述,DOP值越小表示導(dǎo)航源空間分布越好.

在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈相對(duì)導(dǎo)航中,高度方向使用氣壓高度表的結(jié)果進(jìn)行約束,因此,計(jì)算空間分布只需要獲得導(dǎo)航源的二維平面坐標(biāo),則權(quán)系矩陣H和水平位置精度因子(Horizontal dilution of precision,HDOP)的表達(dá)式如下:

從式(1)可以看出,在計(jì)算單個(gè)成員的HDOP時(shí),權(quán)系矩陣H中的值只與各導(dǎo)航源與成員的方位角αi有關(guān)系,當(dāng)α1,α2,···,αi滿足一定關(guān)系時(shí),HDOP的值較小,從而具有較好的空間分布.因此通過(guò)分析導(dǎo)航源方位角的大小與HDOP的關(guān)系,使用相鄰導(dǎo)航源與成員的夾角作為判斷導(dǎo)航源對(duì)該成員空間分布好壞的標(biāo)準(zhǔn).

1)當(dāng)導(dǎo)航源數(shù)目為2 個(gè)時(shí),假設(shè)第1 個(gè)導(dǎo)航源到成員的方位角為0°,第2 個(gè)導(dǎo)航源到成員的方位角為α.HDOP表達(dá)式為:

易得當(dāng)α=90°時(shí),HDOP最小,空間分布最好,隨著α 的減小或者增大,HDOP都會(huì)逐漸增大空間分布變差.

2)當(dāng)導(dǎo)航源數(shù)目為3 個(gè)時(shí),假設(shè)第1 個(gè)導(dǎo)航源到成員的方位角為0°,第2 個(gè)導(dǎo)航源到成員的方位角為α,第3 個(gè)導(dǎo)航源到成員的方位角為β.HDOP表達(dá)式為:

從式(4)可以看出當(dāng)α=60°,β=120°時(shí),HDOP最小,空間分布最好,隨著α、β 的減小或者增大,HDOP都將增大,空間分布變差.

3)當(dāng)導(dǎo)航源數(shù)目為4 個(gè)時(shí),設(shè)一個(gè)導(dǎo)航源的方位角為0°,一個(gè)導(dǎo)航源的方位角為α,一個(gè)導(dǎo)航源的方位角為β,一個(gè)導(dǎo)航源的方位角為γ.假設(shè)α、β、γ的大小成等差數(shù)列,α=θ,β=2 θ,γ=3 θ.成員的權(quán)系矩陣H表達(dá)式如式(5),HDOP的表達(dá)式如式(6).

圖5 導(dǎo)航源最優(yōu)空間分布圖

當(dāng)sin2θ=0.5 時(shí),HDOP最小,此時(shí)α=45°,β=90°,γ=135°.

固定α,β,改變?chǔ)?即γ=(135+σ)°,將α,β,γ 的值代入式(6)得

當(dāng)σ=0°時(shí)HDOP取最小值.同理依次固定α和γ、β 和γ,可以得α=45°,β=90°,γ=135°時(shí)HDOP最小.

通過(guò)上述分析可知導(dǎo)航源與成員的HDOP最小,導(dǎo)航源二維最優(yōu)空間分布如圖5所示.

2.2 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法設(shè)計(jì)

采用導(dǎo)航源的方位角大小作為動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法的準(zhǔn)則,進(jìn)而決定哪些成員作為導(dǎo)航源以及導(dǎo)航源成員按照怎樣的順序播發(fā)消息.

在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法中選擇連續(xù)n個(gè)導(dǎo)航源計(jì)算成員的HDOP值,如果n的值選擇太大,那么統(tǒng)一到同一個(gè)時(shí)刻的導(dǎo)航源就較多,最先播發(fā)消息的導(dǎo)航源和最后一個(gè)導(dǎo)航源之間的時(shí)間間隔會(huì)較大.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航源的動(dòng)態(tài)性很高,太長(zhǎng)的時(shí)間間隔會(huì)使HDOP計(jì)算不準(zhǔn)確.如果n的值太小則不能反映一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)航源的空間分布對(duì)定位結(jié)果的影響.綜合考慮上述因素使用連續(xù)4 個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)航源計(jì)算HDOP.

2.2.1 單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配

單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法針對(duì)單個(gè)成員的空間分布設(shè)計(jì)出較好的時(shí)隙分配表.由導(dǎo)航源方位角與HDOP的關(guān)系可得,當(dāng)相鄰源與成員構(gòu)成的方位角為45°時(shí),HDOP最小,空間分布最好.

單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法具體流程如下:

1)建立導(dǎo)航源備選集合包含所有的可以作為導(dǎo)航源的成員.

2)第1 個(gè)時(shí)隙導(dǎo)航控制者播發(fā)消息.

3)計(jì)算導(dǎo)航源備選集合中剩下的所有導(dǎo)航源與前一個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)航源與待定位成員構(gòu)成的方位角,方位角最接近45°的導(dǎo)航源作為當(dāng)前時(shí)隙的導(dǎo)航源.

4)在導(dǎo)航源備選集合中刪去該導(dǎo)航源,在時(shí)隙分配表中加入該導(dǎo)航源,時(shí)隙遞增,返回第3 步,直到時(shí)隙分配表填滿時(shí)停止循環(huán).

5)在新的一幀中按照新建立的時(shí)隙分配表播發(fā)消息.

單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法流程圖如圖6所示.

圖6 單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法流程圖

2.2.2 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配

全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法針對(duì)全網(wǎng)所有成員設(shè)計(jì)出較好的時(shí)隙分配表.因此,對(duì)全網(wǎng)成員來(lái)說(shuō),需要讓相鄰導(dǎo)航源對(duì)盡可能多的成員夾角接近45°.設(shè)置一個(gè)角度范圍,統(tǒng)計(jì)相鄰導(dǎo)航源與其他所有成員的夾角在這個(gè)范圍內(nèi)的成員個(gè)數(shù).這樣就可以選擇出相對(duì)大多數(shù)成員具有較好空間分布的導(dǎo)航源.具體的全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法如下:

1)建立導(dǎo)航源備選集合包含所有的可以作為導(dǎo)航源的成員.

2)時(shí)隙分配表第1 個(gè)時(shí)隙導(dǎo)航控制者播發(fā)消息.

3)計(jì)算導(dǎo)航源備選集合中剩余導(dǎo)航源與前一個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)航源與所有成員構(gòu)成的方位角,記錄方位角在指定范圍內(nèi)的次數(shù).選擇次數(shù)最多的導(dǎo)航源作為當(dāng)前時(shí)隙的導(dǎo)航源,插入時(shí)隙分配表.

4)在導(dǎo)航源備選集合中去掉該導(dǎo)航源,在時(shí)隙分配表中加入該導(dǎo)航源,時(shí)隙遞增,返回第3 步,直到時(shí)隙分配表填滿時(shí)停止循環(huán).

5)在新的一幀中按照新建立時(shí)隙分配表播發(fā)消息.

圖7 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法流程圖

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配仿真及分析

使用140 個(gè)成員進(jìn)行組網(wǎng)仿真,在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法中設(shè)置導(dǎo)航源備選集合包括序號(hào)1 ～64 的64個(gè)成員,時(shí)隙分配表長(zhǎng)度為50,即每一幀開(kāi)始時(shí)從64個(gè)備選導(dǎo)航源里選出對(duì)指定成員空間分布較好的50個(gè)導(dǎo)航源創(chuàng)建時(shí)隙分配表.

分別對(duì)一級(jí)成員中的21號(hào)成員和二級(jí)成員中的76號(hào)成員采用單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法,成員傳感器參數(shù)設(shè)置如表1所示.成員運(yùn)動(dòng)軌跡為前50 s為勻速直線運(yùn)動(dòng),后50 s 為半徑10 000 m 的圓周運(yùn)動(dòng).采用單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法前后成員東北天3個(gè)方向的位置誤差比較曲線如圖8、圖9所示,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

表2 有無(wú)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配位置誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1)采用單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法后,21號(hào)成員和76號(hào)成員在經(jīng)度和緯度方向的定位誤差都大大減小.21號(hào)成員三維定位誤差從67.8 m 下降到26.3 m,定位精度提升了61.2%,76號(hào)成員三維定位誤差從174.1 m 下降到113.7 m,定位精度提升了34.7%.

2)高度方向使用高度表結(jié)果進(jìn)行約束,設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法不考慮高度方向,因此,成員在高度方向定位精度無(wú)明顯提升.

圖8 21號(hào)成員有無(wú)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配定位結(jié)果比較圖

圖9 76號(hào)成員有無(wú)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配定位結(jié)果比較圖

3.2 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配仿真及分析

使用140 個(gè)成員進(jìn)行組網(wǎng)仿真,在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法中設(shè)置導(dǎo)航源備選集合包括序號(hào)1 ～64 的64個(gè)成員,時(shí)隙分配表長(zhǎng)度為50,相鄰導(dǎo)航源與成員的方位角的選擇范圍是30°～60°.每一幀開(kāi)始時(shí)從64個(gè)導(dǎo)航源備選集合里選出對(duì)最多數(shù)目的成員空間分布較好的50 個(gè)導(dǎo)航源創(chuàng)建時(shí)隙分配表.

采用全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法前后,分別統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一級(jí)成員和二級(jí)成員的三維定位誤差均值,如圖10、圖11所示.

圖10 一級(jí)成員有無(wú)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配定位結(jié)果比較圖

1)使用全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法后,全網(wǎng)成員的定位精度整體得到提高.其中一級(jí)成員平均定位誤差從42.4 m 下降到31.7 m,定位精度提高了25.3%,二級(jí)成員的平均定位誤差從130.5 m 下降到92.1 m,定位精度提高了29.5%.

2)全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法并不是使所有成員精度都得到提高,使用全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法后9號(hào)、18號(hào)、93號(hào)等成員定位精度下降.

3)由于一級(jí)成員有RTT 校時(shí)并且具有較高的時(shí)間質(zhì)量和位置質(zhì)量,無(wú)論是否采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配,相較二級(jí)成員都具有較好的定位精度.

4)將全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法與單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法定位結(jié)果進(jìn)行比較,可以看出在全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法下21號(hào)成員定位精度提高了23.4%,76號(hào)成員的定位精度提高了29.7%,均低于采用單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法精度的提升.

圖11 二級(jí)成員有無(wú)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配定位結(jié)果比較圖

4 結(jié)論

為了提高數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)成員整體的相對(duì)導(dǎo)航精度,在不考慮高度方向精度調(diào)整下,本文提出一種基于導(dǎo)航源空間分布的數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)導(dǎo)航時(shí)隙分配算法,并使用導(dǎo)航源方位角表征導(dǎo)航源空間分布,針對(duì)全網(wǎng)和單成員設(shè)計(jì)了不同的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法.仿真結(jié)果表明,使用單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法后,單成員的定位精度得到比較大的提高；全網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法對(duì)單個(gè)成員的定位精度不如單成員動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法,但能夠使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)成員的整體定位精度得到提高.