军用战术通信导航系统(2-JTIDS)第6章

在所有已经比较成熟的CNI系统中，以 美国国防部于七十年代中期开始研制 的联合战术信息分发系统（Joint Tactical Information Distribution System,简称JTIDS）最具代表性。 该系统是一种以时分多址为基础，以 保密数字通信为主，兼顾导航的综合 化扩频通信系统，具有极强的抗干扰 和生存能力。
整个系统成员被分成不同等级，处于位置最高 等级的是导航控制者NC和相对位置基准PR； 处于时间最高等级的是时间基准TR。
此外，系统中的其他成员按校时方式分为两级：一 级成员可直接对TR进行有源校时；二级成员仅能通 过一级成员进行有源校时Hale Waihona Puke Baidu只能进行无源校时。
虽然NC、PR的相对位置误差和TR的时间误差 均为零，但所装备的端机和其他成员相同。成 员虽划分为不同等级，但可根据实际情况进行 等级更换或转移,如一级成员或二级成员也可被 指派担当NC或TR。 JTIDS网络结构如图所示：
三、慢移相对格网
假如导航控制者和相对位置基准都可以借助于推 航系统得到自己带有误差的位置数据并在指定的 时隙发射出去； 假定导航控制者发布的相对位置数据是准确无误 的，而相对位置基准的y坐标是准确无误的，那么 相当于位置基准和导航控制者一起确定了相对坐 标系的方向 该相对坐标系随导航控制者和相对位置基准的位 置误差积累的共同作用而作缓慢的漂移。
假设导航控制者和相对位置基准是静止不动的，并 且地理位置精确已知。 相对坐标系的原点在导航控制者所在的地球椭球面 上 XOY平面与原点处的椭球切平面相吻合。X轴指向相 对位置基准在XOY平面的垂直投影点。
二、快移相对格网 假设相对坐标系的原点与导航控制者 的运动保持完全同步
即原点的经纬度始终与导航控制者的经纬 度一致， XOY平面与该点处的椭球切平面相吻合， 相对坐标系的X轴仍然指向相对位置基准 在XOY平面的垂直投影点。
JTIDS系统是时分多址（TDMA）为基础，具有 强抗干扰能力、强生存能力、实现三军作战一 体化的战术系统，同时它也是一个分布式并且 无节点的集团相对导航系统。
整个系统由装备JTIDS端机的成员组成； 网络中的成员可以是作战集团的飞机、舰船、战车、 阵地、部队、指挥中心或单兵等。 成员随机分布于集团作战区域，通过JTIDS端机联 成无线电通讯网络，实现集团成员间的通讯、导航 和识别。
6.2.2 工作原理
6.2.2.1 系统时、空配置 系统时、 系统是一种相对导航系统，其目的就 是在没有或者不能利用地理台站的情 况下，为整个系统中的成员提供精确 的相对定位； 在能够获得地理台站信息的情况下， 提供精确的绝对位置。 因此，JTIDS具有双格网导航的功能。
系统构成
JTIDS系统的网络组成至少包括一个导航控制 者NC(Navigation Controller)，一个相对位置基 准RPR(Relative Position Reference)和一个时 间基准TR(Time Reference)。
其余时隙则接收来自其他成员的信息，以此实现网 中成员之间的信息交换。
每个时隙又可分为导引段、信息段和保 护段。
在导引段内，应完成接收机正常工作所必须 的同步， 信息段用来传送通讯、导航、识别等各种信 号数据， 保护段用来保证在同一时间内不会有两个或 两个以上用户的发射讯号同时到达同一用户 而造成相互干扰。它所占用的时间长度取决 于系统的工作半径（覆盖区域半径）。
另外，随着飞机性能的改进，为保证 飞行的安全性和充分发挥其作战性能， 对航空电子无线电设备的要求愈来愈 高，而其种类也越来越多。 在国外，一般说来，仅只为保证通讯、 导航、敌我识别，机上装备的电子无 线电没备的数量就超过数十种之多， 这就引起机舱拥挤、天线繁多、频带 拥挤、相互干扰严重等问题。
为解决上述问题，提出了综合化的概念。 所谓综合化，就是利用一种设备来同时 完成多种功能 。 这样既可以减少机上设备的数量(体积、 重量)，又可以解决各设备间相互干扰的 问题。
JTIDS是一种集团相对导航系统
系统中的每个成员均可通过无线通信实现 成员或各子网之间的信息共享 了解成员分布情况和系统的战备资源，从 而了解局部或整体的战争态势并提高总体 的作战能力
为了适应未来战争的需要，增强国防 力量，我国于八十年代初也提出一种 CNI系统，命名为TIS（Tactical Information System），即“战术信息 系统”，其原理和功能与JTIDS系统相 似。
第二种方法称之为TOA地理定位
这种方法类似于上面讲到的相对定位方法。 系统中有两个或两个以上的绝对位置基准 在播发相对导航电文的同时播发自己的绝 对位置 其他成员通过测量与绝对位置基准之间的 （伪）距离，就可以确定自己的地理位置。 这种方法不需要绝对位置基准获得了精确 的相对位置，但却需要两个以上的绝对位 置基准。
JTIDS系统时轴的划分如图所示。
6.2.2.2
一、相对导航
导航功能的实现
通常的系统成员都带有高度测量装置，且大部分 在同一高度层，而垂直高度和水平面是正交的， 所以JTIDS系统基本上是平面导航系统。 系统有一个导航控制者NC，它可以任意指定自 己的二维位置(XNC,YNC ) （实际上总是有一定的 准则），由此来确定系统的相对坐标原点； 同时，系统还有一个相对基准PR，它来确定系 统的坐标轴方向。
需要注意的是，相对位置基准不像导航 控制者那样在选择自己的坐标时具有二 维自由度，它只有一维自由度
通常来说它只能够指定与导航控制者的连线 与相对坐标系x轴之间的夹角θ， 然后通过与NC测距（时间同步之后）并接 收其播发的位置信息，从而获得自己的位置 在属于自己的时隙上向网内其他成员播发
x PR = x NC + ρ PRNC * cos θ y PR = y NC + ρ PRNC * sin θ
JTIDS网中成员只能在分配给自己的时 隙发播信号
此时作为网络的导航信号源为集团中其 他成员提供导航定位信息，
而在其他时隙该成员又成为用户
接收其他成员发播的导航定位信息进行 定位解算，得到自己在相对格网中的位 置，从而实现相对导航功能。
时分多址是成员通过与网络中指定的 时间基准同步之后，形成统一的系统 时来实现的。 由于该系统是分布式、无节点系统， 系统中的成员可依据实际情况随时增 减，成员等级可变更或转移，因而在 战争中具有很强的抗毁生存能力；
通常，系统有两种方法可以完成精确的绝对 导航。
第一种方法称之为地理偏移法，该种方法比较简 单。
绝对位置基准在向网内播发相对导航电文的同时也播 发绝对导航电文。其他成员在收到之后，可以仅仅通 过电文决能够精确计算出绝对坐标和相对坐标之间的 偏移，包括平移和旋转。
这种方法只要求系统中有一个绝对位置基准，但 要求该绝对位置基准已经获得了精确的相对位置， 这样才不会影响其他成员的绝对导航精度。
JTIDS宽带工作时限制在960～1015兆赫的范 围内，并在1030兆赫和1090兆赫上完成梳齿滤 波，以保护空中交通管制不会受到它干扰。 窄带工作时，则限制在969兆赫附近，以免对 工作于980兆赫上的商用塔康(Tacan)产生显著 干扰。
①工作频段为960～1215MHz，与塔康处一个频率段。 ②采用扩频、跳频、检错纠错的伪随机脉冲编码技术， 具有很强抗有源干扰和防窃性能。 ③多节点或无明显控制中心的系统。
二、绝对导航
JTIDS系统设计的目的之一就是为空中的高 动态用户提供实时、高精度的定位。另外， 作为高动态的战斗用户，姿态信息对其是非 常重要的。所以，从以上两方面考虑， JTIDS系统中往往包含有推航系统。 既然系统中装备了推航系统，则系统可以提 供地理位置信息，即绝对导航。但通常推航 设备的导航精度都存在随时间或随航程变差 的现象。 因此，系统的某些成员也往往通过其他的方 式获得较精确的绝对位置信息，如通过地面 台站或空中台站等等。这样的一些成员就变 成了系统的绝对位置基准。
6.2 联合战术信息分发系统
6.2.1 概述 GPS仅仅能够提供高精度的导航定位，但 却不具有通信、敌我识别、指挥控制等功 能，而这恰恰是现代化战争所必需的。
究其原因，主要因为GPS是一种无源系统。
考虑到未来战争的需要，迫切需要建立有 源军事支持系统对GPS进行补充，实现集 导航、通信、识别、指挥、控制等功能于 一体的综合战术系统。
对于某些特殊身份的成员，有可能不允 许（保持无线电静默）或者不能进行有 源操作，这时候他就必须进行无源校时 和无源定位
该成员至少能够与3个以上已经完成时钟同 步的成员进行测距，同步、定位方程为：
ru1 = ( xu − x1 ) 2 + ( y u − y1 ) 2 + ( z u − z 3 ) 2 + ∆t u ru 2 = ( xu − x 2 ) 2 + ( y u − y 2 ) 2 + ( z u − z 3 ) 2 + ∆t u ru 3 = ( xu − x3 ) 2 + ( y u − y 3 ) 2 + ( z u − z 3 ) 2 + ∆t u
网内成员如果能够利用有源校时完成时钟 同步，并且能够测量到与NC和PR的距离， 接收到它们的导航电文，则可以通过如下 的测量方程来解算自己的位置坐标：
ruNC = ( xu − x NC ) 2 + ( y u − y NC ) 2 ruPR = ( xu − x PR ) 2 + ( y u − y PR ) 2
JTIDS系统的设计，充分考虑了对塔康系 统的兼容性。
JTIDS系统发射信号频谱扩宽，某一频率的 发射时间只有6.4us，不会影响塔康系统的 6.4us 工作性能。 另一方面，塔康系统的发射信号为窄带频谱， JTIDS系统的宽带和相关接收机不会受到干 扰接收，而且在频谱很宽和采用纠错措施后， 有干扰也被消除，恢复信息。
整个系统时轴划分为时元（epoch）、时帧 （frame）、时隙（slot）。
每个时元为12.8分钟，它被划分为64个时长为12秒 的时帧，每个时帧又被划分成1536个时长为7.8125 毫秒的时隙。
系统将这些时隙按一定的规则分配给网中的各 个成员，每个成员在分配给他的时隙内辐射信 息，将自己的位置、速度、时间质量、位置质 量、航向等导航参量报告给其他成员
JTIDS的前身为Seek Bus和ITN/ITACS。
Seek Bus为美国空军在60年代后期研制的，以时分 多址为基础，以保密数字通讯为主，兼顾导航的一 种综合系统； ITN/ITACS为美国海军在60年代末期研制的一种以 完成相对导航为主，将通讯、导航、识别等功能组 合为一系统。
70年代中期时，美国国防部鉴于这两种研制方 案的目的一致，仅只是重点不同，所采用的技 术相似，因而将其合并为一，由空军负责领导， 各军种参加，定名为联合战术信息分发系统 （JTIDS）。
导航控制者是为了建立相对坐标系的原点， 相对位置基准是为了和导航控制者一起建立相对坐 标系的坐标方向，由它们建立系统的相对坐标系被 网络内部的成员认为是准确无误的； 时间基准是为了网络内的所有成员保持统一的系统 时，时间基准的时钟即为系统时，从而保证测时测 距的精度。
相对导航空间坐标系的建立有多种方案，下面 简要介绍几种方案。 一、静止相对格网
鉴于上述两种情况，从六、七十年代起，欧美 等国就开始着手于研制和开发集上述功能于一 体的作战系统。CNI系统（Communication、 Navigation and Identification System）就是一 种集通信、导航和识别等多种功能于一身的电 子综合系统。 该系统可减少航行体上用于通信、导航、识别 的电子设备及外装天线的数量（体积和重量）、 降低设备间的干扰、节省能源、提高系统的可 靠性和精度、增强生存能力。
系统中所有台站都是用户，共同构成通信、导航、识别网， 彼此通过保密通信，测量时差，在知道网中几个成员的位置之 后，可以计算出所有成员各自的位置、航向、速度等，完成相 对导航。 如果网中一个或几个成员失去功能，其他成员仍然照样工作。
④系统按时分多址工作。每个网成员大约10～12s播发 一次信息(对机载设备)，彼此能够确知相对位置。