淺析Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)處理機(jī)制

趙澤

摘要：多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視運(yùn)行過(guò)程中起著非常重要的作用，本文針對(duì)Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)處理機(jī)制進(jìn)行了深入地分析，對(duì)了解多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)輸出原理及系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍調(diào)整提供了借鑒與幫助。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)定位;TOA過(guò)濾;定位算法

中圖分類號(hào)：V35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0205-03

0 引言

多點(diǎn)定位系統(tǒng)（MLAT）作為場(chǎng)面監(jiān)視的一種有效手段，已陸續(xù)在國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)開(kāi)始安裝使用。但機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通流量的不斷增加，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)不斷進(jìn)行改擴(kuò)建工程，來(lái)滿足和提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行容量及效率。對(duì)于多點(diǎn)定位系統(tǒng)來(lái)講，則需要進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)覆蓋區(qū)域地調(diào)整或擴(kuò)容，已達(dá)到場(chǎng)面監(jiān)視的運(yùn)行要求。

1 Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

多點(diǎn)定位監(jiān)視技術(shù)是基于三個(gè)及以上地面站接收機(jī)接收到的目標(biāo)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA），對(duì)多個(gè)雙曲線（面）相交的位置解算來(lái)確定飛機(jī)目標(biāo)的二維（或三維）位置。針對(duì)機(jī)場(chǎng)實(shí)際的電磁環(huán)境，通過(guò)采用冗余方式在機(jī)場(chǎng)不同區(qū)域布置多個(gè)遠(yuǎn)端地面接收站，用于接收飛機(jī)目標(biāo)發(fā)射出的A/C/S模式、ADS-B、TCAS/ACAS應(yīng)答信號(hào)，隨后在對(duì)其信號(hào)解碼和時(shí)間標(biāo)記后送至中心處理站，中心處理站通過(guò)定位解算便可以對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行確定并生成目標(biāo)報(bào)告送往自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行融合處理供管制員指揮監(jiān)控飛機(jī)位置。中心處理站作為整個(gè)系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，不僅要進(jìn)行信號(hào)定位處理，還需要進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間同步/校準(zhǔn)及實(shí)時(shí)地向詢問(wèn)發(fā)射站發(fā)送詢問(wèn)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的全監(jiān)視功能。該處理站采用了主備冗余的方式，每一個(gè)地面站輸出的數(shù)據(jù)同時(shí)送到兩個(gè)中心處理站進(jìn)行處理，兩個(gè)中心處理站相互監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，共同處理主用和備用狀態(tài)，所以當(dāng)主備切換時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)丟失，提高系統(tǒng)的安全可靠性。多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)處理流程

如圖1，中心處理站收集和處理所有地面站輸出的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)解碼、目標(biāo)代碼關(guān)聯(lián)、TOA過(guò)濾、多點(diǎn)定位處理、目標(biāo)航跡處理、目標(biāo)報(bào)告生成等主要功能。

2.1 原始數(shù)據(jù)解碼

解碼模塊接收各個(gè)地面站輸出的包括地面站SIC碼、TOA時(shí)間、信號(hào)電平、信息類別以及報(bào)文內(nèi)容等的原始數(shù)據(jù)，完成對(duì)A/C模式和S模式下行信號(hào)（DF0，DF4，DF5，DF11，DF17，DF18，DF20和DF21）碼字中相關(guān)目標(biāo)身份識(shí)別信息、高度信息等內(nèi)容的提取。

2.2 目標(biāo)關(guān)聯(lián)

關(guān)聯(lián)模塊的功能是從不同地面站收集同一目標(biāo)的TOA（到達(dá)時(shí)間），采用適合的關(guān)聯(lián)方式，形成一個(gè)TOA-block，每一個(gè)TOA在TOA-block內(nèi)的位置與接收地面站的標(biāo)識(shí)有關(guān)。在關(guān)聯(lián)過(guò)程中主要涉及到兩種模式的關(guān)聯(lián)，即A/C模式之間的關(guān)聯(lián)、S模式之間的關(guān)聯(lián)[1]。A/C模式數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模塊從接收到的地面站原始數(shù)據(jù)中過(guò)濾和識(shí)別有效的A/C模式目標(biāo)數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)之間相同的識(shí)別碼或高度碼，將這些有效的數(shù)據(jù)同已識(shí)別的目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為每一個(gè)目標(biāo)建立不同的A/C模式TOA-block。S模式數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模塊從接收到的地面站原始數(shù)據(jù)中過(guò)濾和識(shí)別有效的S模式目標(biāo)數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)的24位地址碼，將這些有效的數(shù)據(jù)同已識(shí)別的目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為每一個(gè)目標(biāo)建立不同的S模式TOA-block。

2.3 目標(biāo)定位處理

目標(biāo)定位模塊基于一個(gè)公共的時(shí)間基準(zhǔn)上，根據(jù)目標(biāo)TOA-block中的TOA信息，利用不同的定位算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置定位功能。目標(biāo)定位處理流程主要分為三部分：系統(tǒng)區(qū)域拓?fù)湫畔?、地面站信息、定位算法?guī)則初始化;目標(biāo)定位處理;定位結(jié)果輸出。

初始化：THALES多點(diǎn)定位系統(tǒng)可以根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件、所需性能和監(jiān)視應(yīng)用區(qū)域情況，實(shí)現(xiàn)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配置。目標(biāo)定位處理過(guò)程完全依賴于特定的拓?fù)浜团渲贸跏蓟畔?。這些初始化信息包括地面站基本信息、所使用的定位算法和規(guī)則、區(qū)域拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

目標(biāo)定位處理：目標(biāo)定位處理流程主要包括TOA-blocks信息接收、目標(biāo)首次檢測(cè)、目標(biāo)連續(xù)檢測(cè)、目標(biāo)更新、目標(biāo)點(diǎn)跡和航跡跟蹤。

（1）TOA接收：關(guān)聯(lián)過(guò)程根據(jù)插入到TOA-block中的第一個(gè)TOA時(shí)間進(jìn)行排序形成一個(gè)TOA-block列表，該列表作為目標(biāo)定位模塊的輸入。TOA-block排序是為了保證位置計(jì)算按照時(shí)間順序排列，防止位置向后跳轉(zhuǎn)。在進(jìn)行目標(biāo)定位之前，根據(jù)設(shè)置的TOA過(guò)濾條件，對(duì)每一個(gè)TOA-block中的TOA信息的過(guò)濾篩選，TOA的過(guò)濾規(guī)則主要有以下幾種：

①功率電平：通過(guò)設(shè)置功率門(mén)限電平過(guò)濾器，對(duì)接收到的信號(hào)功率電平進(jìn)行過(guò)濾，選擇高于該門(mén)限電平的TOA。如果block中所有TOA的功率電平低于該門(mén)限，則該TOA- block將被丟棄。有一個(gè)TOA的功率電平高于該門(mén)限，則TOA-block將被保留。

②地面站檢查：通過(guò)設(shè)置一個(gè)地面站SIC的濾波器，檢查該地面站是否在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)，如果不在將濾除該地面站的TOA信息。

③預(yù)估：如果接收到的信號(hào)報(bào)頭失真，但是信號(hào)仍被識(shí)別，將對(duì)該信號(hào)的TOA值進(jìn)行預(yù)估并在TOA-block中進(jìn)行標(biāo)記。

④S模式檢查：對(duì)TOA-block中的每一個(gè)TOA的AP字段以及DF18的控制字段和DF19的應(yīng)用字段進(jìn)行檢查。如果有一個(gè)TOA檢查失敗，將丟失整個(gè)TOA-block。

⑤在一定周期時(shí)間內(nèi)，定位處理模塊檢索讀取關(guān)聯(lián)模塊輸出的TOA-block信息，并對(duì)TOA-block中任意兩個(gè)TOAs之間的時(shí)間差同光速到兩個(gè)地面站的時(shí)間進(jìn)行比較，判斷TOAs信息是否有效。

根據(jù)有效的TOA值計(jì)算出目標(biāo)的位置。如果目標(biāo)為新目標(biāo)，則執(zhí)行“首次檢測(cè)”處理，否則執(zhí)行“連續(xù)檢測(cè)”處理。

（2）首次檢測(cè)：首次檢測(cè)僅適用于給定目標(biāo)但之前沒(méi)有有效位置的情況。按照TOA-block配置的TOA數(shù)量，丟棄TOA-block中信號(hào)電平比較低的TOA，如圖3（a）所示。根據(jù)首次檢測(cè)處理程序定義的不同算法和規(guī)則對(duì)TOA-block中的TOA信息進(jìn)行定位處理，對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行檢查確保返回的位置值可用，最后對(duì)多個(gè)算法的計(jì)算出結(jié)果進(jìn)行平均作為目標(biāo)位置。

（3）連續(xù)檢測(cè)：連續(xù)檢測(cè)首先判斷當(dāng)前目標(biāo)是否位于系統(tǒng)所配置定義的某一個(gè)區(qū)域中（如跑道、滑行道等）。如果目標(biāo)包含在已配置的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)TOA-block配置的TOA數(shù)量，在以目標(biāo)位置為中心的四個(gè)區(qū)域內(nèi)選取信號(hào)電平較高的TOA，如圖3（b）所示。使用該區(qū)域定義的定位規(guī)則進(jìn)行處理[2] 。如果目標(biāo)不包含在所配置的區(qū)域，將使用默認(rèn)的定位規(guī)則進(jìn)行處理，并根據(jù)定義的時(shí)間和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)次數(shù)的門(mén)限，停止定位目標(biāo)。

（4）多點(diǎn)定位算法和規(guī)則：多點(diǎn)定位算法是按照目標(biāo)高度可以分為2維算法、3維算法以及2維3維混合算法三種。按照算法的解法可以分為迭代算法和非迭代算法兩種。對(duì)于迭代算法，需要定義迭代最小和最大次數(shù)、基于固定位置或最后一個(gè)有效位置的起始向量、基于當(dāng)前位置和先前迭代位置之間的位置差的停止準(zhǔn)則。非迭代算法中定義位置分辨率，即計(jì)算允許的最大舍入誤差有多大。

規(guī)則設(shè)定：規(guī)則有兩種，一種是按照系統(tǒng)所定義的區(qū)域進(jìn)行設(shè)定的，另一種則是默認(rèn)規(guī)則。規(guī)則中可以設(shè)定所需最小的TOA數(shù)量、所使用的2D和/或3D算法、最小和最大高度等參數(shù)。

2.4 航跡處理

通過(guò)定位算法計(jì)算出目標(biāo)位置后，形成了目標(biāo)的原始點(diǎn)跡信息。由于不良的DOP或視線遮擋等原因可能造成計(jì)算出的位置異常，因此需要一種檢測(cè)位置異常值并將其移除的修正機(jī)制。Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)針對(duì)位置異常設(shè)置了一個(gè)預(yù)航跡處理器，用于過(guò)濾最明顯的失敗位置和跳轉(zhuǎn)。計(jì)算出的目標(biāo)點(diǎn)跡同預(yù)航跡處理器中一個(gè)預(yù)設(shè)的位置窗口比較，如果計(jì)算的點(diǎn)跡超出這個(gè)位置窗口，那么將丟棄點(diǎn)跡或修改以致能夠匹配歷史航跡和預(yù)測(cè)趨勢(shì)。

通過(guò)預(yù)航跡處理器篩選后，將該位置添加到已關(guān)聯(lián)目標(biāo)的航跡處理中。航跡處理器由兩個(gè)卡爾曼濾波器組成，在主動(dòng)或被動(dòng)模式下并行運(yùn)行，避免平滑幅度過(guò)大造成輸出結(jié)果受影響，如圖4所示。兩個(gè)濾波器的平滑值同原始點(diǎn)跡實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)超出預(yù)設(shè)的位置差值時(shí)，切換到另一個(gè)濾波器作為主濾波器輸出平滑位置。在首次檢測(cè)目標(biāo)的情況下，定位處理已經(jīng)完成。在連續(xù)檢測(cè)的情況下，利用目標(biāo)的最后位置和速度，計(jì)算了給定周期時(shí)間下的預(yù)測(cè)位置，預(yù)測(cè)位置的最大允許數(shù)量是可配置的。

2.5 目標(biāo)報(bào)告生成

航跡處理提供的有效航跡數(shù)據(jù)以列表的形式與所有目標(biāo)信息一起存儲(chǔ)在一個(gè)已知的存儲(chǔ)器中作為“航跡存儲(chǔ)”信息，如圖5所示。目標(biāo)維護(hù)程序掃描目標(biāo)列表，查找需要輸出的目標(biāo)信息和該刪除的目標(biāo)信息。目標(biāo)信息以ASTERIX CAT010/020進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，以定義的傳輸模式進(jìn)行外送。

3 Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)輸出配置

多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍的調(diào)整配置，可以分為兩類。一是增加接收地面站優(yōu)化部分區(qū)域地定位精度;另一種僅僅是調(diào)整當(dāng)前覆蓋區(qū)域范圍，不涉及地面站的配置。前一種涉及到的調(diào)整類別比較復(fù)雜，在此不進(jìn)行詳述，本文主要針對(duì)后一種不涉及地面站配置的信號(hào)覆蓋范圍的調(diào)整進(jìn)行詳述。

目前多點(diǎn)定位系統(tǒng)是根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、停機(jī)坪、進(jìn)近區(qū)域、航站樓等功能區(qū)域進(jìn)行多點(diǎn)定位信號(hào)處理及輸出的。每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)圖層，可以定義區(qū)域的名稱、優(yōu)先級(jí)、處理目標(biāo)海拔高度范圍、數(shù)據(jù)是否外送，多個(gè)區(qū)域可以相互疊加，根據(jù)區(qū)域的優(yōu)先級(jí)，對(duì)優(yōu)先級(jí)數(shù)值最大的區(qū)域信號(hào)進(jìn)行處理輸出。覆蓋區(qū)域的具體配置邏輯關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)需要調(diào)整某一區(qū)域地輸出信號(hào)時(shí)，首先了解該區(qū)域所處的位置，不同的位置所使用的算法和定位精度是不同的，例如跑道和進(jìn)近區(qū)域配置規(guī)則是不一樣的，需要對(duì)該區(qū)域地范圍進(jìn)行設(shè)定，可以利用系統(tǒng)繪圖軟件劃定一定的地圖范圍，也可以直接輸入?yún)^(qū)域范圍關(guān)鍵點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)點(diǎn)信息，該坐標(biāo)點(diǎn)是以機(jī)場(chǎng)參考點(diǎn)為中心的三維直角坐標(biāo)系，并對(duì)該區(qū)域定義一個(gè)polygonID識(shí)別號(hào)，便于系統(tǒng)索引該ID進(jìn)行該區(qū)域內(nèi)的信號(hào)處理。在該區(qū)域內(nèi)還需要設(shè)置5個(gè)不同的信號(hào)相關(guān)處理規(guī)則，每一個(gè)規(guī)則包括處理的TOA數(shù)量（5-9個(gè)）和所使用的算法類型（4個(gè)2維非迭代算法，1個(gè)3維牛頓迭代算法）。系統(tǒng)將5個(gè)規(guī)則最終解算的定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取平均值作為輸出[3]。同時(shí)還需要在該區(qū)域內(nèi)定義校準(zhǔn)地面站，可設(shè)定一個(gè)或多個(gè)，根據(jù)優(yōu)先順序進(jìn)行選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍調(diào)整及外方技術(shù)支持有限的困境，通過(guò)對(duì)Thales多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程中TOA信息的過(guò)濾篩選規(guī)則、定位處理流程以及信號(hào)輸出的詳細(xì)介紹，提出了具體的覆蓋范圍調(diào)整方法，解決了多點(diǎn)定位系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍調(diào)整的難題，為其他地區(qū)同類型系統(tǒng)的維護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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