曹乃森，趙 敬，丁永強

（空軍第一航空學(xué)院航空電子工程系，河南信陽464000）

Link16數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航功能實現(xiàn)與改進(jìn)?

曹乃森，趙 敬，丁永強

（空軍第一航空學(xué)院航空電子工程系，河南信陽464000）

基于同步的相對導(dǎo)航與精確定位技術(shù)是Link16數(shù)據(jù)鏈運行的關(guān)鍵。針對國內(nèi)文獻(xiàn)對該技術(shù)介紹較少的情況，分析了相對導(dǎo)航的基本原理，研究了利用往返計時報文實現(xiàn)精確同步的方法和步驟，建立了相對導(dǎo)航解算方程以及相對柵格與地理柵格坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型，最后提出了一種用GPS／IMU數(shù)據(jù)融合和卡爾曼濾波方法提高導(dǎo)航精度的方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案能顯著提高數(shù)據(jù)鏈的導(dǎo)航精度。

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)；Link16數(shù)據(jù)鏈；相對導(dǎo)航；往返計時；導(dǎo)航精度；精確定位

1 引言

Link16數(shù)據(jù)鏈又稱聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS），是一種集通信、導(dǎo)航和識別功能于一體的綜合戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，是C4ISR系統(tǒng)的紐帶，在科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭等行動中為美軍獲取戰(zhàn)場態(tài)勢信息、掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)起了重要作用［1］。在同步基礎(chǔ)上實現(xiàn)的相對導(dǎo)航與精確定位是Link16數(shù)據(jù)鏈的一種重要功能，是實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢共享的關(guān)鍵。該功能使系統(tǒng)內(nèi)所有成員能在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行導(dǎo)航定位，為參與者提供精確的位置信息，系統(tǒng)成員利用相對導(dǎo)航功能不僅知道自身的時空狀態(tài)，而且知道其它成員的時空狀態(tài)，從而得到整個戰(zhàn)場的敵我態(tài)勢分布，獲取戰(zhàn)場優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)文獻(xiàn)關(guān)于數(shù)據(jù)鏈如何實現(xiàn)相對導(dǎo)航功能的介紹很少，針對這種情況，本文詳細(xì)研究了數(shù)據(jù)鏈利用往返計時報文實現(xiàn)精確同步進(jìn)而實現(xiàn)相對導(dǎo)航的原理，建立了相對柵格與地理柵格坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型，對如何提高導(dǎo)航精度進(jìn)行了研究，并根據(jù)某型飛機機載設(shè)備的加裝情況，提出了一種基于GPS／IMU數(shù)據(jù)融合和卡爾曼濾波方法的導(dǎo)航精度改進(jìn)方案。仿真和實際應(yīng)用表明，該方案切實可行。

2 相對導(dǎo)航原理

相對導(dǎo)航（RELNAV）是Link16數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航功能的名字。Link16采用時分多址方式，具有統(tǒng)一的系統(tǒng)時，網(wǎng)內(nèi)成員只能在分配給自己的時隙內(nèi)發(fā)播信號，此時作為網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航信號源為網(wǎng)內(nèi)其它成員提供導(dǎo)航信息；而在其它時隙該單元又成為用戶，接收網(wǎng)內(nèi)其它成員發(fā)播的導(dǎo)航定位信息進(jìn)行定位解算，得到自己在相對網(wǎng)格內(nèi)的位置，從而實現(xiàn)相對導(dǎo)航功能。由于所有平臺交換導(dǎo)航信息，具有高質(zhì)量定位（如GPS）的那些成員可以提高其它成員的導(dǎo)航質(zhì)量。

相對導(dǎo)航是在兩個獨立的柵格坐標(biāo)即相對柵格（u，v，w）和地理柵格（經(jīng)度、緯度和高度）用卡爾曼濾波來計算位置和速度［2］，如圖1所示。它利用主機提供的導(dǎo)航信息和接收的PPLI導(dǎo)航信息來計算自己的位置及其在這兩個柵格坐標(biāo)內(nèi)的估計精度。然后，這些PPLI信息向所有其它參與單元JU（JTIDS Unit）廣播。在相對柵格中通過JTIDS端機推算出精確的相對位置數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個或更多的端機獨立得出它們精確的地理位置數(shù)據(jù)時，相對導(dǎo)航功能就可以為所有端機提供精確的地理位置。相對導(dǎo)航與定位過程如圖2所示。

改進(jìn)的位置和速度數(shù)據(jù)送到主機平臺，用于顯示、定位或飛行校準(zhǔn)。信息的利用和柵格類型的選擇取決于主機平臺。

2．1 相對柵格坐標(biāo)

Link16的相對柵格是一個1 024 n mile2的大平面柵格，柵格原點是平面與地球的切點。JU估計它們在U（東）、V（北）和W（高度）坐標(biāo)系中的位置，并以英尺為單位報告離柵格原點的距離。柵格的使用中，要求指定一個JU作為導(dǎo)航控制器（NC），并選擇一個JU作為輔助導(dǎo)航控制器，且對所有JU進(jìn)行初始化，使之具有一個公共的柵格原點。對于鏈路使用來說，相對柵格并不是必需的，而是可選的。

2．2 地理柵格坐標(biāo)

地理柵格使用經(jīng)度／緯度／高度坐標(biāo)系。每個JU自動計算它的位置（和質(zhì)量）并在PPLI中廣播發(fā)射出去，通過JU本身提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)與接收PPLI數(shù)據(jù)來計算地理柵格坐標(biāo)。允許利用帶有高質(zhì)量位置信息（如GPS）的JU來改善其它JU的精度和緯度估值。

3 精確同步的實現(xiàn)

同步是定位的基礎(chǔ)，為了在Link16中準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)終端必須與網(wǎng)絡(luò)保持同步［3］。只有實現(xiàn)時鐘的精確同步，相對導(dǎo)航才能夠?qū)崿F(xiàn)精確的雙格網(wǎng)（地理柵格和相對柵格坐標(biāo)）定位［4］。

作為一個基于時間的系統(tǒng)，Link16要求每個參與的終端獲取和保持一個精確的系統(tǒng)時間，作為網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)（NTR）的一個指定單元將負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)時間。這個角色可指定給任一單元（一個且僅僅一個）。一旦工作，該單元將承擔(dān)精同步任務(wù)，并開始廣播發(fā)送系統(tǒng)時間和入網(wǎng)消息。一旦建立精同步，NTR視距范圍內(nèi)的單元就可被指定為初始入網(wǎng)單元（IEJU），向NTR視距范圍以外的終端發(fā)送入網(wǎng)消息。在NTR或IEJU視距范圍內(nèi)的單元將在入網(wǎng)過程中獲取系統(tǒng)時間。

3．1 端機入網(wǎng)

NTR端機在每個時幀內(nèi)固定的4個時隙位置發(fā)射入網(wǎng)消息，在NTR開始發(fā)射入網(wǎng)消息前，要由操作員輸入當(dāng)前時間的時、分、秒值。NTR端機把時、分、秒值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的時元號、時幀號和時隙號，之后隨著時隙計數(shù)，NTR端機就在每幀分配的4個時隙上分別用4種跳頻圖案發(fā)射入網(wǎng)消息。這里采用“1+3”方案，即每幀第一個時隙所用的跳頻圖案隨時元號和時幀號的改變而改變，而在另外3個時隙上分別用3種固定的跳頻圖案發(fā)射入網(wǎng)消息，入網(wǎng)消息內(nèi)容包含當(dāng)前時間對應(yīng)的時元號、時幀號和時隙號。這就為端機入網(wǎng)提供了兩種入網(wǎng)方式。第一種方式是在端機操作員能夠獲取較為精確的外部參考時間的情況下，操作員輸入當(dāng)日時間的時、分、秒值，端機計算得到當(dāng)前時間對應(yīng)的時元號和時幀號，然后在一個適當(dāng)大小的時間窗口內(nèi)提前用下一幀第一個時隙的跳頻圖案捕獲入網(wǎng)消息，獲得系統(tǒng)時。時間窗口的大小根據(jù)外部參考時間相對于系統(tǒng)時的誤差范圍確定，一般時間窗口的大小是這個誤差范圍大小的2倍。如果在時間窗口內(nèi)不能入網(wǎng)，操作員可以重新根據(jù)外部參考時間輸入系統(tǒng)時的估值，再次設(shè)置時間窗口捕獲入網(wǎng)消息，或者轉(zhuǎn)入第二種方式入網(wǎng)。

采用第二種入網(wǎng)方式的端機可以不依賴外部參考時間入網(wǎng)。這種方式下，要入網(wǎng)的端機在設(shè)置另外3個發(fā)射入網(wǎng)消息的跳擴頻圖案的一種圖案上等待接收入網(wǎng)消息，每隔12 s更換一次等待圖案。

NTR端機視距內(nèi)的成員端機首先入網(wǎng)獲得系統(tǒng)時。一旦進(jìn)一步獲得精確同步，這些視距內(nèi)的成員端機中被指定為起始入網(wǎng)端機（IEJU）和所有被指定作為中繼端機（RJU）也要在上述固定的4個時隙上發(fā)射入網(wǎng)消息。因此，NTR視距外的端機也能收到入網(wǎng)消息，獲得系統(tǒng)時。

為支持動態(tài)初始化的端機入網(wǎng)，在入網(wǎng)時隙上以備用的工作密鑰、備用的跳頻頻點庫和直擴偽碼庫產(chǎn)生跳擴圖案發(fā)射起始入網(wǎng)消息。

3．2 精同步

如果終端收到了入網(wǎng)消息，就用接收到的時間校正終端的系統(tǒng)時間，但本身的時鐘只與系統(tǒng)時達(dá)到了粗同步。處于粗同步的單元能接收所有的消息和話音，只能發(fā)送RTT（往返計時報文），不能發(fā)送其它消息，因此還需進(jìn)一步完成精同步。實現(xiàn)精同步有兩種方式：主動同步方式和被動同步方式。

3．2．1 主動同步方式

主動同步方式實現(xiàn)精同步是通過往返計時消息實現(xiàn)的，終端在一個時隙內(nèi)發(fā)送往返計時詢問消息，并在同一個時隙內(nèi)接收往返計時應(yīng)答消息。往返計時詢問既可以采用尋址方式（RTT-A），也可以采用廣播方式（RTT-B）。尋址方式的往返計時詢問消息RTT-A，指明了一個時間質(zhì)量最高的終端地址，在一個指定的時隙內(nèi)被傳輸?shù)街付ǖ慕K端上，只有這個指定的終端才發(fā)出往返計時應(yīng)答消息。廣播方式的往返計時詢問消息RTT-B，不是發(fā)送給特定的終端，任何具有更高質(zhì)量的終端都可以應(yīng)答。RTT-B通常應(yīng)用于重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)，終端在網(wǎng)絡(luò)編號等于它們本身的時間質(zhì)量時接收詢問消息并發(fā)送應(yīng)答消息。

往返計時應(yīng)答消息在時隙開始后4.275 ms準(zhǔn)時發(fā)送。主動同步方式實現(xiàn)精同步如圖3所示，其中：tTOAI是由應(yīng)答JU確定的RTT詢問消息到達(dá)時間；tTOAR是由詢問JU確定的RTT應(yīng)答消息到達(dá)時間；td為一個固定值，td=4.275 ms；tp為RTT消息的傳播時間；ε是兩個JU之間的初始時鐘偏差，即詢問JU需要校正的時間偏差。

詢問終端利用往返計時應(yīng)答消息中報告的詢問到達(dá)時間（tTOAI）、詢問終端直接測量應(yīng)答到達(dá)時間（tTOAR）、固定值td，就可以得到詢問終端系統(tǒng)時鐘的修正量ε。

因此，只要通過與一個具有更精確系統(tǒng)時間的JU（已實現(xiàn)精同步，具有更高的時間質(zhì)量）交換往返計時消息，詢問終端就能提高本身的系統(tǒng)時間精度。每個終端通過網(wǎng)絡(luò)報告自己的時間質(zhì)量，并保留一個在視距范圍內(nèi)的終端的內(nèi)部報告表，通過這個內(nèi)部報告表可以幫助詢問終端選擇向哪一個終端發(fā)送往返計時詢問消息。

3．2．2 被動同步方式

被動同步方式實現(xiàn)精確同步可通過接收多次精確參與定位與識別消息（PPLI）來完成，它要求被動單元（和次要用戶）具有好的地理位置并至少有3個主動單元在視距范圍內(nèi)。

當(dāng)一個單元的時間完全精確時，精同步即廣播發(fā)布，全鏈路參與單元均可達(dá)到精同步。

為了便于要實現(xiàn)精同步的成員找尋合適的其它成員作為被詢問對象進(jìn)行RTT，每個成員要在自己發(fā)射的P消息中標(biāo)志其時間質(zhì)量，顯然，為了避免時鐘同步發(fā)散，每個需要RTT的成員應(yīng)尋找時間質(zhì)量比自身高的成員作為被詢問對象。

4 相對導(dǎo)航解算

在各個參與單元（JU）達(dá)到了精同步之后，可以通過兩個或兩個以上參與單元的精確位置坐標(biāo)來實現(xiàn)其它單元的精確定位。JU可以根據(jù)3個JU的PPLI消息的到達(dá)時間（TOA）測量得到的數(shù)據(jù)和這些報文中所包含JU的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)信息來確定自己的三維數(shù)據(jù)，即通過PPLI報文的到達(dá)時間可以推算出JU之間的距離，組成坐標(biāo)方程組來解算出JU的坐標(biāo)［5］。己知3點坐標(biāo)為A（xa，ya，za）、B（xb，yb，zb）、C（xc，yc，zc），被測點的坐標(biāo)為（x，y，z），建立如下方程組：

式中，c為無線電傳播速度，不受天氣、氣候和地理位置的影響；t1、t2、t3分別是PPLI報文到達(dá)時間；ta、tb、tc分別是A、B、C報文中的TOA；cΔtu為用戶與系統(tǒng)時之間的鐘差。

導(dǎo)航解算實際上是一種多邊測偽距的定位方式，若要得到自己的位置需要解算上面的定位方程。普通的方程解算往往實時性不夠，因為網(wǎng)絡(luò)中的用戶都為高速用戶；另一方面，普通的方程解算難以消除偽距測量所引入的噪聲，使系統(tǒng)的精度受到影響。因此，Link16系統(tǒng)的導(dǎo)航解算通常采用卡爾曼濾波的方式［6］。

5 相對導(dǎo)航的實現(xiàn)

相對導(dǎo)航是端機的一種功能，它在公共參考坐標(biāo)系內(nèi)為各參與單元提供精確的位置信息。在確立各個單元之間的精確位置之后，可以選擇其中一個參與單元負(fù)責(zé)建立起相對柵格坐標(biāo)系。由于確定的參與單元定位也可能以經(jīng)度、緯度和高度的WGS-84大地坐標(biāo)（即地理柵格）來表示，因此存在兩個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

設(shè)地球赤道半徑Re=6 378.245 km，扁平系數(shù)l =1／298，第一偏心率為相對柵格坐標(biāo)系的坐標(biāo)；（R、AZ、EL）為WGS-84系統(tǒng)坐標(biāo)系，其中R為目標(biāo)范圍，AZ為方位角，EL為仰角；ΦI和λI為參與單元的地理經(jīng)緯度，ΦT和λT為目標(biāo)的地理經(jīng)緯度，H為目標(biāo)的高度；系統(tǒng)坐標(biāo)中心的位置為（Φs，λs，hs），分別代表緯度／經(jīng)度／高度［7］；（Φt，λt，ht）為跟蹤點坐標(biāo)，（Xt，Yt，Zt）為相對點坐標(biāo)，a為參考球面的主半軸。

（1）從相對柵格坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)平面

假定（Xt，Yt，Zt）和（Φs，λs，hs），求（Φt，λt，ht）。

K按照如下的迭代算法實現(xiàn)：

K′=0，然后計算：

（2）從WGS坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到相對柵格坐標(biāo)

其中：

6 導(dǎo)航精度的改進(jìn)

相對導(dǎo)航的精度可以通過利用高質(zhì)量用戶數(shù)據(jù)、信息源之間良好的相對運動、良好的幾何位置和高質(zhì)量時間加以改善。

6．1 基于GPS／IMU的導(dǎo)航精度改進(jìn)

用戶成員在獲得相對坐標(biāo)系后，能根據(jù)IMU（Inertial Measurement Unit）給出的位置坐標(biāo)算出自身在相對坐標(biāo)系的初始位置值［8］；之后，根據(jù)IMU的速度外推其相對坐標(biāo)位置。用戶平臺一方面根據(jù)自身外推的相對位置值和導(dǎo)航控制器報告的相對位置值計算出平臺自身相對于導(dǎo)航控制器的距離，即rcount=｜＾P-＾Pmeasure｜，同時在不斷接收導(dǎo)航控制器的P消息過程中，還能通過測量導(dǎo)航控制器P消息的TOA值，得到平臺自身相對于導(dǎo)航控制器的測量距離（偽距），測量模型為

計算距離與測量距離之差值是用戶平臺IMU各種誤差和端機時鐘誤差的函數(shù)。因此，根據(jù)IMU誤差模型，利用卡爾曼濾波算法，按下列遞推形式：

就能精確地估計IMU輸出和端機時鐘誤差，并用以修正自身的相對位置估值和校正端機時鐘。IMU輔助下的系統(tǒng)相對導(dǎo)航原理如圖4所示。

如果用戶平臺上沒有可用的IMU數(shù)據(jù)，則需要人工輸入位置初值，并利用平臺的運動模型外推，和有IMU推測數(shù)據(jù)情況相比要引入較大的定位誤差，對于高動態(tài)的空中平臺尤其如此。如果裝備了GPS，則直接提供高精度的位置數(shù)據(jù)，作為當(dāng)前已知地理位置。

如果有兩個或兩個以上的網(wǎng)成員精確已知其地理位置（該成員稱為地理位置基準(zhǔn)，即GPR），那么，其它網(wǎng)成員在接收其P消息時，通過TOA測量和濾波就能精確估計出自身的地理位置（此時要用源的地理位置估值和平臺自身的地理位置估值計算rcount=｜＾P-＾Psource｜）。因此，系統(tǒng)可以相對獨立地同時實現(xiàn)雙格導(dǎo)航定位（相對定位和絕對定位）。

6．2 基于源選擇的導(dǎo)航精度改進(jìn)

已在相對坐標(biāo)系中精確定位的參與單元（JU）將自己的位置值通過P消息廣播出去，其它需要相對定位的用戶不僅可以利用導(dǎo)航控制器作為源，還可以選擇已精確定位的成員作為源進(jìn)行導(dǎo)航定位。根據(jù)“源”選擇協(xié)議，用時間同步質(zhì)量和定位質(zhì)量較高的單元作為源，以防止倒校準(zhǔn)或循環(huán)校準(zhǔn)，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。為了實現(xiàn)源選擇協(xié)議，端機每次發(fā)射的P消息中均包括時間質(zhì)量、地理位置質(zhì)量、相對坐標(biāo)位置質(zhì)量和方位角質(zhì)量4種質(zhì)量等級，實現(xiàn)用優(yōu)先級高的源來調(diào)整自己的數(shù)據(jù)。

7 方案驗證

上述改進(jìn)方案已在某型飛機的加改裝中得到仿真和驗證，其結(jié)果如圖5所示。直線1為某參與單元的誤差線，與其相對坐標(biāo)位置質(zhì)量有關(guān)；直線5為加裝GPS接收機后的誤差線，其幅值顯著降低，導(dǎo)航精度很高；線2為GPS信號丟失時刻；斜線3為未使用IMU慣性導(dǎo)航裝置且GPS信號后時的誤差變化線，可以看出位置質(zhì)量下降很快；曲線4為使用IMU時的誤差變化曲線，其變化較為緩慢。

導(dǎo)航精度決定著態(tài)勢顯示的效果。文獻(xiàn)［5］提出的采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高導(dǎo)航精度的方法論述比較簡單，與其相比，基于GPS／IMU的導(dǎo)航精度改進(jìn)方案極大地提高了導(dǎo)航精度并在應(yīng)用中得到了驗證。

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CAO Nai-sen was born in Xinyang，Henan Province，in 1973.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns communication and navigation and development of automatic test system.

Email：cns19720327＠sina.com

趙敬（1978—），女，河南信陽人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為數(shù)字信號處理電路的設(shè)計；

ZHAO Jing was born in Xinyang，Henan Province，in 1978. She received the M.S.degree in 2007.She is now a lecturer.Her research concerns the design of digital signal processing circuit.

丁永強（1981—），男，河南信陽人，2005年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為機載電子設(shè)備。

DING Yong-qiang was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He received the B.S.degree in 2005.He is now a lecturer. His research concerns the airborne electronic equipment.

《電訊技術(shù)》征稿的新要求

為了促進(jìn)本刊的國際化進(jìn)程，進(jìn)一步擴大影響力，為廣大科技人員搭建更高層次的學(xué)術(shù)研究和技術(shù)交流平臺，現(xiàn)對來稿作如下幾點新的要求：

（1）來稿中的圖題、表題應(yīng)給出對應(yīng)的英文翻譯；

（2）中文參考文獻(xiàn)采用雙語著錄；

（3）屬于基金項目的來稿應(yīng)給出項目的英文翻譯；

（4）提供作者簡介的英文翻譯，其中應(yīng)包括作者的出生年、籍貫、何時獲得學(xué)位、研究方向等內(nèi)容，可參見IEEE系列刊物作者簡介的翻譯；

（5）歡迎作者將具有原創(chuàng)性的研究成果直接以全英文論文投稿，應(yīng)注意語言流暢，專業(yè)術(shù)語準(zhǔn)確，符合科技英語表達(dá)習(xí)慣，并附上中文標(biāo)題、單位、摘要和關(guān)鍵詞，以及中文作者簡介；

（6）為了保證出版的及時性，作者不得在自校階段對稿件作大幅修改，否則，將按新投稿件處理，編輯部保留追究由此造成的一切損失的權(quán)利。

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《電訊技術(shù)》編輯部

Realization and Improvement of Navigation Function of Link16

CAO Nai-sen，ZHAO Jing，DING Yong-qiang
（Department of Aeronautic Electronic Engineering，The First Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

The relative navigation and precise positioning technology based on synchronization is the key of Link16 operation.Because there is few detailed explanation about this technology，this paper illustrates the basic principle of relative navigation，studies the method and process of precise synchronization based on Round-Trip Timing message，builds the data conversion mode between relative grid coordination and geographical grid coordination，and finally proposes a scheme to improve the navigation precision with GPS／IMU data fusion and Kalman filtering. The application result shows that the scheme can improve greatly navigation precision of data link.

JTIDS；Link16 data link；relative navigation；round-trip timing；navigation precision；precise positioning

TN96

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.003

曹乃森（1973—），男，河南信陽人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為通信導(dǎo)航與自動測試系統(tǒng)；

1001-893X（2011）05-0011-06

2011-01-30；

2011-04-11