美军战术数据链航迹质量计算方法分析

1美军战术数据链航迹质量计算方法分析王菁，刁联旺，贺成龙，许阳（信息系统工程重点实验室，中国电子科技集团第二十八所，南京，江苏，210007）摘要：数据链航迹质量评估是数据链航迹处理技术中关键技术，也是实现数据链战术应用功能的基础。文章首先对美军战术数据链(TADIL)6016B标准中定义的航迹质量面积公式以及航迹质量影响因素做了介绍。其次，通过对该航迹质量面积公式的推导与分析，得出了美军所定义的航迹质量是依据满足2分布的椭圆表达式计算而来的，即航迹质量面积等于以位置坐标均方根误差为长短轴的椭圆面积。最后，文章通过仿真实验分析了航迹质量受地理定位误差、雷达测量误差以及外推误差的影响情况，并通过美军航迹质量分级表说明美军航迹质量的等级。关键词：航迹质量；数据链；2分布中图分类号：TP202文献标识码：AEvaluationofTrackQualityAssessmentMethodforU.S.ArmyTacticalDataLinkWangJing,DaoLian-wang,HeCheng-long,XuYang(ScienceandTechnologyonInformationSystemEngineeringLaboratory,210007,Nanjing,China)ABSTRACT：Trackqualityassessmentoftacticaldatalinkisthekeytechnologyoftrackprocessing,andisalsothebasisofapplicationfunctionfortacticaldatalink.Inthispaper,thetrackqualityareaequationdefinedintheU.S.Armytacticaldatalinkformattedmessagestandard(TADIL)6016Bisintroduced,andtheaffectionfactsontrackqualityarealsoanalyzed.Meanwhile，accordingtotheeducingandanalyzing,thepapershowsthatthetrackqualityinU.S.Armydatalinkisdefinedbytheellipseexpressionbasedonthe2distributing,andthevalueofthetrackqualityequalstotheareaoftheellipse.Atlast,simulationsshowtheaffectionofthegeographylocationerror,radarmeasurementerrorandextrapolationerroronthetrackquality.KEYWORDS：TrackQuality，Datalink,2distributing；1引言美军和北约国家从50年代末开始研制并使用战术数据链(TADIL)，先后研制装备了40多种数据链，其中使用较广的是Link4、Link11、Link16[1]，基本形成了通用、专用相结合的数据链装备体系。现阶段为了适应信息化战争的需求，美军仍然在继续对现有数据链进行整合和改进，以提高数据链数据处理能力和集成应用水平。数据链航迹处理是实现数据链战术应用功能的基础和核心。伴随着数据链的发展，国外数据链航迹处理技术在不断改进和完善中。由于我国的JIDS数据链[2][3][4]研制时主要参考了美军的TADIL数据链[5]，但我国的装备和作战需求与美军存在不同之处，因此，其中的一些技术体制和信息处理方法并不适合我国的实际作战应用。这就需要对数据链航迹处理技术进一步深入研究。其中一项关键的技术就是对美军数据链航迹质量评估的研究。所谓数据链航迹质量（TQ），是指由发送航迹的单元确定的对所报告的航迹位置信息可靠性的度量。航迹质量可以作为参与单元确定报告责任的重要依据，还可以动态调整航迹相2关的波门，实现动态自适应航迹相关。目前，国外对于数据链中航迹质量的计算评估，主要是利用航迹位置方差、速度方差的信息。这种方法也应用于弹道导弹的航迹质量评估。为了进一步提高机动运动状态下航迹质量评估算法的精度，需要分析影响航迹质量的各种因素，理解美军定义航迹质量的方法机理，进一步深化研究数据链航迹质量评估技术。本文首先介绍了美军战术数据链6016B标准中定义的航迹质量计算方法，分析航迹质量的影响因素；其次，通过对航迹质量公式进行推导，分析其定义的实质内涵。最后通过仿真对比，说明了美军所定义的航迹质量受到各因素影响的情况及其分级情况。2航迹质量定义美军对数据链航迹质量（TQ）的定义[5]是对报告的空中，水面（海上），或陆地（地面）航迹位置信息可靠性的一种度量，确定单元是否传递该航迹。航迹质量用0~15的数值表示，包含在Link16J系列消息的J3.2，J3.3和J3.5（PTI=1）中。其中，J3.2空中航迹，用于交换空中航迹信息；J3.3水面航迹，用于交换水(海)面航迹信息；J3.5陆地点或航迹，用于交换陆地固定点/航迹的战术监视信息。数值0表示非实时报告值，1~15表示位置数据不同的可靠性，15是最可靠，见表1。表1航迹质量分级表TQ值含义0＞16811非实时航迹1≤16811km22≤9449km23≤2353km24≤1506km25≤847km26≤377km27≤92km28≤15km29≤3.77km210≤0.0964km211≤0.0240km212≤0.0062km213≤0.0014km214≤0.00034km215≤0.00010km2美军在6016B标准中定义的航迹质量面积公式为：2222222ln0.05118.82271xyxySkkSkk(1)S是点有95%置信度落入该区域的面积，其中：22222xyxyk(2)22224xyxy(3)其中x为x方向均方根误差，y为y方向均方根误差。3航迹质量的影响因素为了确保所报告的TQ值能精确地反映报告单元的最佳位置精度估值(在0.95概率)，TQ计算至少要考虑下列因素[6]：报告航迹的传感器测量精度，其中包括传感器到目标的距离的影响;由跟踪系统建立的航迹位置、速度的置信度;最新传感器航迹更新后过去的时间;最新测量或估计的航迹距离及速度;由数据链相对导航坐标系终端提供的传感器自身的位置精度,数据链终端提供的本单元当前地理位置质量等等[6]。具体误差表现在以下三个方面，且只考虑二维坐标的情况：一、地理定位误差对于每个平台来说，其本身都存在着一定的地理定位误差。其中，对于固定式平台，由于其误差可以通过数据校准消除，因此计算时可以认为其不受地理定位误差影响；但对于机动式平台（如预警机），由于其处于运动过程中，地理定位误差是随机的，难以准确计算，因此计算时需要考虑。地理定位误差均值为0，方差为：22()0()0()gxgytGtt(4)其中，gx、gy分别为地理定位在x、y方向的误差。二、雷达测量误差雷达测量误差就是雷达在进行测量时产生的测量所得值与被测目标真实值之间的差异。3设在某t探测时刻，()t为目标探测的斜距，()t为目标探测的方位角，将目标转化到直角坐标系中，则：()()sin()()()cos()xtttyttt(5)设雷达的测距误差为，方位角误差为，则其测量误差协方差矩阵为：22()()()()()()()()()cxcxcycycxcyxtxLtExtxytyytytttt(6)cx、cy为直角坐标系中，x、y方向的雷达测量误差。三、外推误差在进行航迹预测时，需要对航迹进行外推，此过程不可避免地造成误差，包括着预测的位置误差以及速度误差。这些因素对航迹质量的计算均存在一定影响。速度的方差可采用下列简便公式计算：两点计算法：222222()/()/2/2/tttTtttTuxvyuxxTvyyTTT(7)22uv、分别为x、y方向的速度的方差，dT为外推时间。考虑以上三类误差，计算x，y，其中平台地理误差的总测量方差为：222222xgxcxygycy平平(8)外推后各坐标分量的估计误差为：22222222xxduyydvTT平平(9)4航迹质量公式推导首先，对美军在6016B标准中定义的航迹质量面积公式进行推导。式(1)中：2222222221142xyxyxyxyk(11)2222222222222222ln0.05112ln0.05244xyxyxyxyxyxyxySkk(12)其中当不考虑不同坐标维相关的情形下：即0xy，将上式化简：22222212ln0.05212ln0.05226xyxyxyxyS(13)从2分布定义出发，2(2)的定义如下式：1222(2)xxyyxyxxyy(14)对椭圆作角度为的旋转：cossinxx+y(15)sincosyx+y(16)12222212xyxyxytg(17)22222(2)xyEF(18)在95%置信度下的：2220.0522(2)2ln0.055.99xyEF(19)其中：2222222142xyxyxyE2222222142xyxyxyF此时，2(2,0.95)5.99可以计算出椭圆的面积S，长、短半轴分别为：2ln0.05aE，42ln0.05bF2222222222222ln0.052ln0.0512ln0.05244xyxyxyxyxyxySabEF(20)于是有：SS其中当不考虑不同坐标维度相关的情形下：0xy，将上式化简：2222222ln0.052ln0.0512ln0.05212ln0.05226xyxyxyxySEF(21)根据以上推导可以确定，美军军标6016B中的公式是根据2分布的原理进行定义计算的。5仿真结果下面通过Matlab仿真实验，验证航迹质量表达式6xyS受地理定位误差、雷达方位测量误差以及外推误差影响的情况。(1)、研究地理定位误差分别在x，y方向对TQ值的影响传感器与目标的距离为60km，测距误差为150m；传感器与目标方位角为60°,方位误差为1°；传感器与目标俯仰角为35°，俯仰角误差为1°。x,y方向的平台误差分别从0m到5000m可调节。图1为当地理定位误差分别在x，y方向从0-5000米变化时，TQ值变化的曲线图。可以看出，随着地理定位误差的增大，TQ值持续增大。由于地理定位误差与雷达测量误差独立，在地理定位误差的影响下，依据美军航迹质量分级表(见表1)可以查出TQ值等级从8降低为7。010002000300040005000020406080100平台x方向误差(m)TQ面积(km2)TQ面