基于北斗的高精度MLAT系統(tǒng)設(shè)計

王小瓊

（1.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230031；2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

0 引言

MLAT[1]（（muhilaterati，多點相關(guān)定位）作為一種成本低、容錯性好的技術(shù)手段，在機場監(jiān)控中起到了重要的作用，在不需要添加額外機載設(shè)備的條件下，通過多個站點同時對飛機應(yīng)答數(shù)據(jù)的綜合處理，即可計算出飛機的位置。同時，由于飛機應(yīng)答數(shù)據(jù)中帶有飛機標(biāo)志，解決了場面一次雷達固有的無法識別目標(biāo)標(biāo)志的問題。

1 MLAT定位原理

多點相關(guān)定位（MLAT）系統(tǒng)采用到達時間差位技術(shù)，即通過測試目標(biāo)（飛機）發(fā)射信號到達多個基站的時間差參數(shù)來確定目標(biāo)（飛機）三維位置與身份的一種獨立協(xié)同式監(jiān)視技術(shù)。該技術(shù)通過在地面布置多個遠端接收站，采用多點接收方式，接收監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的機載二次雷達應(yīng)答信號，然后進行解碼發(fā)送至中心處理站，經(jīng)過計算即可確定目標(biāo)（飛機）的位置坐標(biāo)。

MLAT定位是基于場面周邊的多個接收站，同時接收飛機發(fā)送的應(yīng)答信號，由于各接收站的站點位置不同，在各點間產(chǎn)生了接收時間差。依據(jù)該原理，可以通過不在同一平面的4個站點確定一架飛機進行三維信息（x，y，z）：

式中，x為飛機的經(jīng)度；y為飛機的緯度；z為飛機的高程；c為光速；tm為m站收到應(yīng)答的時間；tn為n站收到應(yīng)答的時間；xm為m站的經(jīng)度；ym為m站緯度；zm為m站高程。

由上面方程可知，飛機三維數(shù)據(jù)的精度依賴于站點位置及時間精度。時間同步方式主要采用以下三種：

（1）基于參考應(yīng)答機的時間同步。各站點接收來自參考站點廣播的參考信號，通過解算各站點接收到參考信號時刻的差異，實現(xiàn)各站點的時間同步。

（2）基于GNSS共視方式同步。各站點接收GNSS時間數(shù)據(jù)，各站測算出TOA數(shù)據(jù)并加上時間戳后發(fā)送到中心站，中心站綜合計算TDOA，從而實現(xiàn)各站之間的時間同步。

（3）基于原子鐘的同步方式。中心站點由高精度原子鐘獲得中心時間信號，并通過NTP協(xié)議發(fā)布時間服務(wù)，各站通過局域網(wǎng)獲取中心的時間信息從而實現(xiàn)系統(tǒng)時間同步。

以上幾種時間同步方式由于電纜時延、接收天線時延、電離層干擾、傳播路徑延遲、復(fù)雜電磁環(huán)境干擾、原子鐘抖動等因素，均存在較大的時間同步誤差。同時，在目前的MLAT系統(tǒng)中，站點的位置由建站時確定，作為固定值參與計算，而實際環(huán)境中，由于地質(zhì)、飛行震動等條件的影響，站點的位置會存在小范圍動態(tài)改變，不考慮站點位置變化因素，也會為飛機最終定位結(jié)果帶來誤差。

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是全球四大衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)之一，可提供定位、授時、導(dǎo)航、通信服務(wù)。當(dāng)前民航的時間基準(zhǔn)基本上都依賴GPS，而GPS時間受制于政治因素，時間系統(tǒng)的安全性缺乏保障；另一方面，隨著我國北斗三號完成組網(wǎng)[2]，服務(wù)性能將會大幅提升，各項技術(shù)指標(biāo)將大幅優(yōu)于GPS。并且，當(dāng)前MLAT系統(tǒng)很少考慮站點的位置精度，而北斗具備同時提供高精度定位[3]與授時服務(wù)[4]的能力。本文將提出一種基于北斗高精度定位與授時的MLAT系統(tǒng)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)組成如圖1所示，在中心站部署北斗高精度授時終端，通過北斗衛(wèi)星的授時信號獲取高精度的時間基準(zhǔn)，并提供1PPS、NTP、串口等多種授時方式，實現(xiàn)各遠端站與中心站的高精度時間同步。各遠端站在接收飛機應(yīng)答信號時，以高精度時間基準(zhǔn)進行TOA數(shù)據(jù)解算同時將該數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站。部署與中心站的高精度位置處理服務(wù)器通過接收個站點的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，可實時獲取各遠端站的高精度位置信息，TDOA處理服務(wù)器綜合各站點高精度位置及TOA數(shù)據(jù)來綜合計算TDOA，從而實現(xiàn)飛機的高精度定位功能。

圖1 系統(tǒng)組成

2.1 北斗高精度授時

在中心站部署北斗高精度授時終端，本終端可同時接收北斗和GPS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星和GPS雙系統(tǒng)冗余備份，提供長期時標(biāo)信息，進行同步并對外授時；也可以使用外部輸入源（包括IRIG-B（DC）和網(wǎng)絡(luò)授時）為時間基準(zhǔn)進行同步并對外授時。

（1）模塊化設(shè)計：北斗高精度授時終端采用靈活插卡式，插入北斗、GPS時鐘板，作為主時鐘系統(tǒng)應(yīng)用；插入B碼輸入板或網(wǎng)絡(luò)板等可作為擴展時鐘應(yīng)用。

（2）高精度守時：在衛(wèi)星源和外部鐘源都不可用時，由系統(tǒng)授時模塊在一定時間段內(nèi)穩(wěn)定地提供高精度時間信息。

（3）輸入源冗余備份，無損切換：北斗和GPS衛(wèi)星源之間或衛(wèi)星源和外部輸入源之間可以自動切換；輸入兩路B碼時間信息實現(xiàn)雙系統(tǒng)冗余備份提供時標(biāo)信息。兩路B碼時間信息可自動切換，并在切換時實現(xiàn)無損切換。

圖2為北斗高精度授時終端的模塊組成。圖中，北斗高精度授時終端可提供多種形式的高精度時間輸出方式，其中1PPS的授時精度為50 ns，NTP授時精度為10 ms，串口授時精度為1μs。可靈活地為各遠端站提供高精度時間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖2 北斗高精度授時終端模塊組成

2.2 北斗高精度定位

北斗高精度授時系統(tǒng)站點按照功能分為基準(zhǔn)站和監(jiān)測站兩種，基準(zhǔn)站作為整個高精度定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)，配備高精度北斗接收機，監(jiān)測站部署于各遠端站。中心站采集基準(zhǔn)站和監(jiān)測站定時發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，采用雙差解算模式將原始觀測值（包括衛(wèi)星號、載波相位、載波相位差、偽距、偽距標(biāo)準(zhǔn)差等）與北斗衛(wèi)星星歷，獲取精確的監(jiān)測點相對于基準(zhǔn)點的形變量，從而可以實時獲取精確的遠端站的地理位置數(shù)據(jù)，位置的水平垂直精度均可達到毫米級。

3 結(jié)束語

MLAT作為一種重要場面監(jiān)視技術(shù)，其定位的精確度對場面車輛和飛行區(qū)的管理和監(jiān)測會產(chǎn)生重要影響。為了確保地面安全和維持飛行秩序，更高效、更精確的定位技術(shù)需要應(yīng)用于MLAT系統(tǒng)中。并且，隨著北斗地基增強系統(tǒng)的不斷完善，基于北斗的MLAT高精度系統(tǒng)將實現(xiàn)在航路、終端區(qū)域的應(yīng)用，可有效提升空中交通管理能力以及空中運輸服務(wù)能力。