機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面無(wú)源多點(diǎn)定位系統(tǒng)研究

沈金良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802)

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機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面無(wú)源多點(diǎn)定位系統(tǒng)研究

沈金良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802)

無(wú)源多點(diǎn)定位(MLAT)是一種新式的目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)，可推廣用于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面、進(jìn)近和航路(廣域多點(diǎn)定位)的目標(biāo)監(jiān)視。研究了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)原理和基本概念，提出了一種能減少系統(tǒng)多路徑干擾的信號(hào)預(yù)處理、A、C模式應(yīng)答信號(hào)的識(shí)別和航跡處理方法，解決了系統(tǒng)被動(dòng)監(jiān)視過(guò)程中虛警率高的問(wèn)題，保證了航跡的連續(xù)性，結(jié)合工程試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)原理框圖了優(yōu)化，給出了典型的系統(tǒng)配置和現(xiàn)場(chǎng)布置圖和驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)場(chǎng)監(jiān)視航跡圖，為裝備研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)；應(yīng)答信號(hào)；識(shí)別

1 概 述

無(wú)源多點(diǎn)定位(MLAT)是一種新式的目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)，可推廣用于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面、進(jìn)近和航路(廣域多點(diǎn)定位)的目標(biāo)監(jiān)視，是一種非協(xié)同監(jiān)視技術(shù)。該系統(tǒng)在不增加機(jī)載設(shè)備的前提下，通過(guò)多個(gè)地面接收站接收的機(jī)載應(yīng)答機(jī)信號(hào)，利用到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位技術(shù)[1]實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)精確測(cè)量定位，實(shí)時(shí)精確地對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面和場(chǎng)地區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視。無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面提供了一種與傳統(tǒng)一次場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)不同的新技術(shù)手段，該系統(tǒng)還具有基站布置靈活、成本低、無(wú)盲區(qū)等優(yōu)勢(shì)，所以具有很好的市場(chǎng)前景。

在繁忙的大型機(jī)場(chǎng),由于存在飛機(jī)、擺渡車、行李車等多種移動(dòng)目標(biāo)，使得監(jiān)視場(chǎng)景更加復(fù)雜，并且部分區(qū)域存在建筑物遮擋等原因使一次雷達(dá)存在監(jiān)視盲區(qū)，不能完全覆蓋。隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了上面所述繁忙機(jī)場(chǎng)的一次場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)、車輛等目標(biāo)的定位和識(shí)別，改善了繁忙機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面監(jiān)視能力[2-3]。尤其是當(dāng)處于嚴(yán)格管控場(chǎng)合或者受氣候影響能見(jiàn)度較低的時(shí)候，此系統(tǒng)的性能將變得尤為突出，它使得操作人員完全掌握每架飛機(jī)和每輛車的精確位置，防止跑道上的各種潛在的碰撞，增強(qiáng)了安全性。除此之外，無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)同時(shí)支持接收多路自適應(yīng)監(jiān)控廣播(ADS-B)信息。

目前，國(guó)際民航組織已將無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)作為空管系統(tǒng)中新的監(jiān)視技術(shù)。在西方等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已被用于場(chǎng)面、進(jìn)近區(qū)域的監(jiān)視。如國(guó)外的Sensis、Rannoch、奧姆尼等公司研發(fā)的MDS系統(tǒng)已投入運(yùn)行。

2 定位原理

2.1 定位原理

無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)采用1個(gè)主站和n個(gè)副站構(gòu)成的長(zhǎng)基線時(shí)差定位體制。時(shí)差(TDOA)定位又稱為雙曲線定位，它是通過(guò)處理多站接收到的待定目標(biāo)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，到達(dá)時(shí)間差對(duì)于2個(gè)天線來(lái)說(shuō)在二維情況模式下可以將目標(biāo)的方位對(duì)應(yīng)到一個(gè)雙曲線上。當(dāng)4個(gè)接收站都檢測(cè)到飛機(jī)信號(hào)的時(shí)候，就可以通過(guò)計(jì)算其中每2個(gè)雙曲面的交點(diǎn)來(lái)得出飛機(jī)的三維方位。當(dāng)只有3個(gè)接收站檢測(cè)到飛機(jī)信號(hào)的時(shí)候，三維方位不能直接算出，但如果目標(biāo)的高度可以通過(guò)其他途徑獲得(例如 從C模式應(yīng)答)，那目標(biāo)的方位就可以計(jì)算了。但這個(gè)結(jié)果通常是參考了二維的計(jì)算結(jié)果。而且必須注意的是，用海拔高度(C模式)來(lái)計(jì)算會(huì)導(dǎo)致其結(jié)果沒(méi)有雙曲面來(lái)得精確，因?yàn)楹０胃叨群偷乩砀叨冗€是有很大差異的。如果多于4個(gè)站檢測(cè)到飛機(jī)信號(hào)，那么可以獲得額外的信息來(lái)對(duì)方位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，以降低誤差。

假設(shè)有基于1 090 GHz頻段的3個(gè)接收機(jī)被放在不同的地方F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，從飛機(jī)上傳回的應(yīng)答信號(hào)同時(shí)被2個(gè)接收機(jī)收到，3個(gè)接收機(jī)都能測(cè)量同一信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差。將F1和F2作為雙曲線的焦點(diǎn)，并將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)定在雙曲線上，它與F1和F2、F3之間的距離分別為d1、d2和d3，2條雙曲線產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)即為目標(biāo)位置。在實(shí)際情況下，計(jì)算是通過(guò)用雙曲面來(lái)代替雙曲線，目標(biāo)的位置被定位在一個(gè)水平面上的2個(gè)雙曲面的交點(diǎn)。其到達(dá)時(shí)間差示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 到達(dá)時(shí)間差示意圖

無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)由1個(gè)主站和n個(gè)副站構(gòu)成，下面以4站為例進(jìn)行說(shuō)明，定義n=3，各定位站的空間位置為：(xi，yi，zi)T,i=0,1,2,3，其中i=0表示主站，i=1,2,3 表示副站，待定目標(biāo)位置為(x,y,z)，ri表示目標(biāo)與第i站之間的距離，Δri(i=1,2,3)表示目標(biāo)到第i站的距離與目標(biāo)到主站之間的距離差，則定位方程為[1]：

(1)

式中：i=1，2，3。

化簡(jiǎn)式(1)得到：

AX=F

(2)

可以采用偽逆法解式(2)，得：

X=(ATA)-1ATF

(3)

2.2 典型系統(tǒng)配置

在工程研制時(shí)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面無(wú)源多點(diǎn)定位系統(tǒng)組成一般包括1個(gè)中心接收站(CRS)、若干個(gè)輔助接收站(SRS)、1個(gè)信息處理中心(CPS)、若干個(gè)站間通信系統(tǒng)[4-6]。

接收基站包括全向天線接收處理設(shè)備、信號(hào)預(yù)處理設(shè)備、站間通信終端、電源設(shè)備等。

信息處理中心包括目標(biāo)數(shù)據(jù)處理機(jī)、顯示終端、站間通信終端、電源設(shè)備以及其他輔助設(shè)備等。

站間通信系統(tǒng)包括可選擇光纜(光端機(jī))。

為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新速率，建議適當(dāng)配置幾個(gè)詢問(wèn)發(fā)射站。

為了精確校正系統(tǒng)時(shí)延，消除環(huán)境的慢變化所引起的系統(tǒng)時(shí)延的變化，系統(tǒng)需要增加1個(gè)信號(hào)校正站，一般情況下系統(tǒng)校正站和詢問(wèn)站可以復(fù)用。

典型系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 典型系統(tǒng)配置圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

機(jī)載應(yīng)答信號(hào)是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位被動(dòng)監(jiān)視的主要信號(hào)來(lái)源之一。同樣，在機(jī)場(chǎng)的擺渡車、行李車上可以安裝機(jī)載應(yīng)答設(shè)備或自適應(yīng)相關(guān)廣播(ADS-B)，通過(guò)多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。目前民航機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)包括MARKX、MARKXⅡ、S模式信息以及ADS-B信息。這些信號(hào)的頻率都是1 090 GHz，要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，首先必須對(duì)其信號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

3.1 MARKX、MARKXⅡ應(yīng)答信號(hào)的研究

國(guó)際民航組織對(duì)應(yīng)答信號(hào)作了統(tǒng)一規(guī)定。MARKXⅡ模式兼容MARKX。MARKX、MARKXⅡ詢問(wèn)一共有6種模式，分別為1，2，3/A，B，C模式。其中模式1、2專用于軍用識(shí)別詢問(wèn)，3/A模式兼用于軍用識(shí)別和民用識(shí)別，C模式用于高度詢問(wèn)，D模式作為備用詢問(wèn)模式，它們的應(yīng)答格式如圖3所示。

圖3 A/C模式應(yīng)答信號(hào)格式

由上面的應(yīng)答信號(hào)格式可知:A模式代碼和C模式高度代碼的脈沖形式完全相同，地面雷達(dá)系統(tǒng)因知道詢問(wèn)模式，所以很容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)答脈沖的模式識(shí)別，而在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中，因不接收詢問(wèn)信息，因此無(wú)法知道收到的應(yīng)答信息是A模式或C模式信息，在系統(tǒng)完成定位的過(guò)程中如何識(shí)別接收信息是A模式還是C模式就顯得非常關(guān)鍵。

本文提出一種針對(duì)無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)中所接收的應(yīng)答機(jī)A模式代碼和C模式高度代碼信號(hào)的識(shí)別方法，該方法根據(jù)航管雷達(dá)A、C模式編碼規(guī)則和應(yīng)用的物理意義[4]以及民航機(jī)場(chǎng)監(jiān)視的實(shí)際情況，解決了無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)中地面接收機(jī)所收到的A/C 模式應(yīng)答信號(hào)的識(shí)別問(wèn)題。

(1) 當(dāng)應(yīng)答器響應(yīng)3/A模式(即身份模式)詢問(wèn)時(shí)，應(yīng)答碼則代表身份信息，排序?yàn)锳4A2A1、B4B2B1、C4C2C1、D4D2D1。

(2) 當(dāng)應(yīng)答器響應(yīng)C模式時(shí)，應(yīng)答碼則代表高度碼。高度碼組成方式與A碼完全不同，它的順序?yàn)椋篋1D2D4、A1A2A4、B1B2B4、C1C2C4。其中Dl到B4按標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼(又叫格雷碼)編碼，它的最小遞增單位為152.4 m。

C1到C4按照五周期循環(huán)碼編碼，規(guī)定其最小遞增單位為30.48 m。

由循環(huán)碼編碼規(guī)則可知當(dāng)D1位為1時(shí)，表示的高度大于3 0480 m，目前民航飛機(jī)的飛行高度還到不了，因此在民航系統(tǒng)的機(jī)載應(yīng)答信號(hào)中D1位恒為0。根據(jù)目前我國(guó)民航劃定5 000 m以上的飛行高度層及對(duì)應(yīng)的英制高度和編碼，可知C模式時(shí)D4D2D1的解碼結(jié)果一定為0或4。

低3位(C)的五周期循環(huán)碼編碼規(guī)則如表1所示。

表1 C模式應(yīng)答信息低3位五周期循環(huán)碼編碼規(guī)則

具體算法如下：

(1) 將接收到的12 bit信息由高位到低位按照 A4A2A1 B4B2B1 C4C2C1 D4D2D1 的順序排列，并檢查特別位置識(shí)別碼(SPI)脈沖是否出現(xiàn)，如果SPI脈沖出現(xiàn)，則可判定該信息為A模式識(shí)別代碼，識(shí)別算法結(jié)束，否則進(jìn)入下一步；

(2) 如果結(jié)果為7 500、7 600、7 700 3種危急信息之一時(shí)，判定該信息為A模式識(shí)別代碼，且為危急信息代碼，識(shí)別結(jié)束，否則進(jìn)行下一步；

(3) 由表1可知C4C2C1的解碼結(jié)果C為0、5、7之一時(shí)，判定該信息為A模式識(shí)別代碼，識(shí)別算法結(jié)束，否則進(jìn)行下一步；

(4) 如果D4D2D1的解碼結(jié)果D為1、2、3、5、6、7之一時(shí)，判定該信息為A模式識(shí)別代碼，識(shí)別結(jié)束，結(jié)果為0、4之一時(shí)，進(jìn)行下一步；

(5) 根據(jù)物理特性，在機(jī)場(chǎng)附近起降區(qū)域內(nèi)飛機(jī)處于起降階段的特點(diǎn)，飛機(jī)應(yīng)答信息的A模式代碼固定不變，而C模式代碼是不斷變化的,采用定時(shí)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

(6) 最后系統(tǒng)融合S模式中相關(guān)信息進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 S模式信號(hào)及ADS-B信號(hào)研究

二次雷達(dá)的S模式是在二次雷達(dá)的傳統(tǒng)模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在二次雷達(dá)中引進(jìn)了地址選擇的詢問(wèn)/應(yīng)答概念，即規(guī)定在全世界范圍內(nèi)任何一架飛機(jī)的編碼地址是唯一的，這就從根本上克服了竄擾現(xiàn)象，使得雷達(dá)可以對(duì)被監(jiān)視的飛機(jī)進(jìn)行有選擇的詢問(wèn)。

自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是近幾年技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的最重要的成果，是國(guó)際上解決空中交通管制、自由飛行最有效的方法[7]。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(美國(guó)的GPS、我國(guó)的北斗系統(tǒng)等)數(shù)據(jù)鏈通信的監(jiān)視技術(shù)[8]。ADS-B能夠集成目標(biāo)本機(jī)的身份編碼、三維位置、速度信息、加速度信息、地空標(biāo)志信息、飛行意圖等信息，利用數(shù)據(jù)鏈通信的方式，實(shí)時(shí)、自發(fā)、間歇性地對(duì)外廣播這些導(dǎo)航信息，在地面就可以捕捉到這些信息。最大ADS-B消息發(fā)射頻率不會(huì)超出每秒6.2個(gè)消息、平均每秒2個(gè)空中位置、2個(gè)空中速度、0.2個(gè)身份以及2個(gè)事件消息[6]。為了避免獲得虛假的方位信息，系統(tǒng)優(yōu)先采用全局模糊定位解碼算法。S模式和ADS-B信號(hào)的格式如圖4所示。

在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中可利用的S模式和ADS-B應(yīng)答信號(hào)作用具體見(jiàn)表2,其中DF表示下載數(shù)據(jù)格式。

圖4 S/ADS-B信號(hào)的格式

表2 S模式和ADS-B應(yīng)答信號(hào)編碼格式

S模式擴(kuò)展振蕩器(ADS?B)DF=17地標(biāo)，海拔或者衛(wèi)星定位高度，ADS?B方位，ICAO識(shí)別S模式擴(kuò)展振蕩器(ADS?B)DF=18地標(biāo)，海拔或者衛(wèi)星定位高度，ADS?B方位，ICAO識(shí)別S模式空中防撞系統(tǒng)DF=0地標(biāo)，海拔高度S模式空中防撞系統(tǒng)DF=16地標(biāo)，海拔高度，空對(duì)空坐標(biāo)S模式監(jiān)控DF=4地標(biāo)，海拔高度S模式監(jiān)控DF=5地標(biāo)，A模式識(shí)別S模式監(jiān)控DF=20地標(biāo)，海拔高度，數(shù)據(jù)鏈S模式監(jiān)控DF=21A模式識(shí)別，地標(biāo)，數(shù)據(jù)鏈

在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中時(shí)差的采樣利用的是4個(gè)導(dǎo)前碼信號(hào)，具體信息可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)和融合。

3.3 信號(hào)的預(yù)處理

本系統(tǒng)采樣動(dòng)態(tài)門(mén)限抑制多路徑反射信號(hào)，一般接收機(jī)的浮動(dòng)門(mén)限取脈沖信號(hào)幅度的一半，由于本系統(tǒng)運(yùn)用在機(jī)場(chǎng)作為場(chǎng)面監(jiān)視設(shè)備時(shí)信號(hào)的多路徑干擾較為明顯，多路徑干擾信號(hào)一般都出現(xiàn)在直射接收信號(hào)之后，因此本系統(tǒng)采用一種全新的門(mén)限來(lái)抑制這類多路徑干擾。原理圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)預(yù)處理原理圖

3.4 航跡跟蹤處理

信息在傳送、處理的各個(gè)環(huán)節(jié)中不可避免地會(huì)引入誤差，從而引起目標(biāo)定位信息的丟失和錯(cuò)誤。因此,系統(tǒng)需要對(duì)定位點(diǎn)跡進(jìn)行處理,可選擇濾波器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行濾波估計(jì)的方法來(lái)提高系統(tǒng)的整體性能?？蛇x擇的濾波器有a、β或Kalman濾波器，由濾波器的特性可知：當(dāng)目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，a、β濾波器在穩(wěn)態(tài)時(shí)和Kalman濾波幾乎是等效的；但是在暫態(tài)過(guò)程中，或者目標(biāo)做機(jī)動(dòng)飛行(轉(zhuǎn)彎等)時(shí)，Kalman濾波器的綜合性能要優(yōu)于a、β濾波器。根據(jù)無(wú)源多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)目標(biāo)經(jīng)常需要機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，本文提出選擇Kalman濾波器。濾波的目的就是目標(biāo)過(guò)去和現(xiàn)在的狀態(tài)進(jìn)行平滑，同時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)未來(lái)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，包括目標(biāo)的位置信息和速度信息[9]。航跡跟蹤處理模塊實(shí)現(xiàn)針對(duì)原始測(cè)量報(bào)告的航跡維護(hù)，航跡跟蹤處理流程如圖6所示。

圖6 航跡跟蹤處理流程圖

驗(yàn)證機(jī)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)經(jīng)Kalman濾波器航跡跟蹤處理后的典型航跡如圖7所示。

圖7 驗(yàn)證機(jī)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)航跡

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決了系統(tǒng)被動(dòng)監(jiān)視過(guò)程中虛警率高的問(wèn)題，保證了航跡的連續(xù)性，解決了現(xiàn)有場(chǎng)面一次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)固有的無(wú)標(biāo)識(shí)、覆蓋盲區(qū)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)、車輛等移動(dòng)目標(biāo)的精確定位和識(shí)別，改善了大型、繁忙、建筑物遮擋機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面監(jiān)視能力，為裝備研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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Research into Passive Multi-point Location System of Airport Surface

SHEN Jin-liang

(The 51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

Multilateration (MLAT) is a new target surveillance technique,can be extended for airport surface，approach and enroute(wide area MLAT (WAM)) target monitoring.This paper studies the principle and basic concept of airport surface MLAT monitoring system,brings forward a method to perform signal pre-processing against system multi-path interference，identification of mode A/C response signals and track management,which resolves the problem that the false alarm ratio is high in the course of passive monitoring,guarantees the track continuity.Combining with engineering test validation，the diagram is optimized，typical system configuration,field deployment and validating airport surveillance track diagram are given,which lays the technical foundation for the equipment development.

Multilateration system；response signal；identification

2014-07-29

TN971.1

A

CN32-1413(2015)01-0013-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.003