機場場面無源多點定位系統(tǒng)研究

沈金良

(中國電子科技集團公司第51研究所，上海 201802)

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機場場面無源多點定位系統(tǒng)研究

沈金良

(中國電子科技集團公司第51研究所，上海 201802)

無源多點定位(MLAT)是一種新式的目標監(jiān)視技術，可推廣用于機場場面、進近和航路(廣域多點定位)的目標監(jiān)視。研究了機場場面無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)原理和基本概念，提出了一種能減少系統(tǒng)多路徑干擾的信號預處理、A、C模式應答信號的識別和航跡處理方法，解決了系統(tǒng)被動監(jiān)視過程中虛警率高的問題，保證了航跡的連續(xù)性，結合工程試驗驗證對原理框圖了優(yōu)化，給出了典型的系統(tǒng)配置和現(xiàn)場布置圖和驗證系統(tǒng)機場監(jiān)視航跡圖，為裝備研制奠定了技術基礎。

無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)；應答信號；識別

1 概 述

無源多點定位(MLAT)是一種新式的目標監(jiān)視技術，可推廣用于機場場面、進近和航路(廣域多點定位)的目標監(jiān)視，是一種非協(xié)同監(jiān)視技術。該系統(tǒng)在不增加機載設備的前提下，通過多個地面接收站接收的機載應答機信號，利用到達時間差(TDOA)定位技術[1]實現(xiàn)了目標精確測量定位，實時精確地對機場場面和場地區(qū)域移動目標進行監(jiān)視。無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)為機場場面提供了一種與傳統(tǒng)一次場面監(jiān)視雷達不同的新技術手段，該系統(tǒng)還具有基站布置靈活、成本低、無盲區(qū)等優(yōu)勢，所以具有很好的市場前景。

在繁忙的大型機場,由于存在飛機、擺渡車、行李車等多種移動目標，使得監(jiān)視場景更加復雜，并且部分區(qū)域存在建筑物遮擋等原因使一次雷達存在監(jiān)視盲區(qū)，不能完全覆蓋。隨著技術的發(fā)展，無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了上面所述繁忙機場的一次場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)的問題，實現(xiàn)了對飛機、車輛等目標的定位和識別，改善了繁忙機場的場面監(jiān)視能力[2-3]。尤其是當處于嚴格管控場合或者受氣候影響能見度較低的時候，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和每輛車的精確位置，防止跑道上的各種潛在的碰撞，增強了安全性。除此之外，無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)同時支持接收多路自適應監(jiān)控廣播(ADS-B)信息。

目前，國際民航組織已將無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)作為空管系統(tǒng)中新的監(jiān)視技術。在西方等多個國家和地區(qū)已被用于場面、進近區(qū)域的監(jiān)視。如國外的Sensis、Rannoch、奧姆尼等公司研發(fā)的MDS系統(tǒng)已投入運行。

2 定位原理

2.1 定位原理

無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)采用1個主站和n個副站構成的長基線時差定位體制。時差(TDOA)定位又稱為雙曲線定位，它是通過處理多站接收到的待定目標信號到達時間差實現(xiàn)對目標的定位。從數(shù)學角度來看，到達時間差對于2個天線來說在二維情況模式下可以將目標的方位對應到一個雙曲線上。當4個接收站都檢測到飛機信號的時候，就可以通過計算其中每2個雙曲面的交點來得出飛機的三維方位。當只有3個接收站檢測到飛機信號的時候，三維方位不能直接算出，但如果目標的高度可以通過其他途徑獲得(例如 從C模式應答)，那目標的方位就可以計算了。但這個結果通常是參考了二維的計算結果。而且必須注意的是，用海拔高度(C模式)來計算會導致其結果沒有雙曲面來得精確，因為海拔高度和地理高度還是有很大差異的。如果多于4個站檢測到飛機信號，那么可以獲得額外的信息來對方位計算結果進行校準，以降低誤差。

假設有基于1 090 GHz頻段的3個接收機被放在不同的地方F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，從飛機上傳回的應答信號同時被2個接收機收到，3個接收機都能測量同一信號到達的時間差。將F1和F2作為雙曲線的焦點，并將目標點設定在雙曲線上，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)生一個交點即為目標位置。在實際情況下，計算是通過用雙曲面來代替雙曲線，目標的位置被定位在一個水平面上的2個雙曲面的交點。其到達時間差示意圖見圖1。

圖1 到達時間差示意圖

無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)由1個主站和n個副站構成，下面以4站為例進行說明，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，待定目標位置為(x,y,z)，ri表示目標與第i站之間的距離，Δri(i=1,2,3)表示目標到第i站的距離與目標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

在工程研制時機場場面無源多點定位系統(tǒng)組成一般包括1個中心接收站(CRS)、若干個輔助接收站(SRS)、1個信息處理中心(CPS)、若干個站間通信系統(tǒng)[4-6]。

接收基站包括全向天線接收處理設備、信號預處理設備、站間通信終端、電源設備等。

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

站間通信系統(tǒng)包括可選擇光纜(光端機)。

為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新速率，建議適當配置幾個詢問發(fā)射站。

為了精確校正系統(tǒng)時延，消除環(huán)境的慢變化所引起的系統(tǒng)時延的變化，系統(tǒng)需要增加1個信號校正站，一般情況下系統(tǒng)校正站和詢問站可以復用。

典型系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 典型系統(tǒng)配置圖

3 關鍵技術研究

機載應答信號是實現(xiàn)多點定位被動監(jiān)視的主要信號來源之一。同樣，在機場的擺渡車、行李車上可以安裝機載應答設備或自適應相關廣播(ADS-B)，通過多點定位監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)目標的實時監(jiān)視。目前民航機載應答機發(fā)出的應答信號包括MARKX、MARKXⅡ、S模式信息以及ADS-B信息。這些信號的頻率都是1 090 GHz，要實現(xiàn)對目標的定位，首先必須對其信號結構進行研究。

3.1 MARKX、MARKXⅡ應答信號的研究

國際民航組織對應答信號作了統(tǒng)一規(guī)定。MARKXⅡ模式兼容MARKX。MARKX、MARKXⅡ詢問一共有6種模式，分別為1，2，3/A，B，C模式。其中模式1、2專用于軍用識別詢問，3/A模式兼用于軍用識別和民用識別，C模式用于高度詢問，D模式作為備用詢問模式，它們的應答格式如圖3所示。

圖3 A/C模式應答信號格式

由上面的應答信號格式可知:A模式代碼和C模式高度代碼的脈沖形式完全相同，地面雷達系統(tǒng)因知道詢問模式，所以很容易實現(xiàn)應答脈沖的模式識別，而在多點定位系統(tǒng)中，因不接收詢問信息，因此無法知道收到的應答信息是A模式或C模式信息，在系統(tǒng)完成定位的過程中如何識別接收信息是A模式還是C模式就顯得非常關鍵。

本文提出一種針對無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)中所接收的應答機A模式代碼和C模式高度代碼信號的識別方法，該方法根據(jù)航管雷達A、C模式編碼規(guī)則和應用的物理意義[4]以及民航機場監(jiān)視的實際情況，解決了無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)中地面接收機所收到的A/C 模式應答信號的識別問題。

(1) 當應答器響應3/A模式(即身份模式)詢問時，應答碼則代表身份信息，排序為A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1、D4D2D1。

(2) 當應答器響應C模式時，應答碼則代表高度碼。高度碼組成方式與A碼完全不同，它的順序為：D1D2D4、A1A2A4、B1B2B4、C1C2C4。其中Dl到B4按標準循環(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D1位為1時，表示的高度大于3 0480 m，目前民航飛機的飛行高度還到不了，因此在民航系統(tǒng)的機載應答信號中D1位恒為0。根據(jù)目前我國民航劃定5 000 m以上的飛行高度層及對應的英制高度和編碼，可知C模式時D4D2D1的解碼結果一定為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模式識別代碼，識別算法結束，否則進入下一步；

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

(3) 由表1可知C4C2C1的解碼結果C為0、5、7之一時，判定該信息為A模式識別代碼，識別算法結束，否則進行下一步；

(4) 如果D4D2D1的解碼結果D為1、2、3、5、6、7之一時，判定該信息為A模式識別代碼，識別結束，結果為0、4之一時，進行下一步；

(5) 根據(jù)物理特性，在機場附近起降區(qū)域內飛機處于起降階段的特點，飛機應答信息的A模式代碼固定不變，而C模式代碼是不斷變化的,采用定時統(tǒng)計的方法來進行區(qū)分。

(6) 最后系統(tǒng)融合S模式中相關信息進行確認。

3.2 S模式信號及ADS-B信號研究

二次雷達的S模式是在二次雷達的傳統(tǒng)模式基礎上發(fā)展起來的。在二次雷達中引進了地址選擇的詢問/應答概念，即規(guī)定在全世界范圍內任何一架飛機的編碼地址是唯一的，這就從根本上克服了竄擾現(xiàn)象，使得雷達可以對被監(jiān)視的飛機進行有選擇的詢問。

自動相關監(jiān)視(ADS-B)技術是近幾年技術發(fā)展所帶來的最重要的成果，是國際上解決空中交通管制、自由飛行最有效的方法[7]。廣播式自動相關監(jiān)視(ADS-B)是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(美國的GPS、我國的北斗系統(tǒng)等)數(shù)據(jù)鏈通信的監(jiān)視技術[8]。ADS-B能夠集成目標本機的身份編碼、三維位置、速度信息、加速度信息、地空標志信息、飛行意圖等信息，利用數(shù)據(jù)鏈通信的方式，實時、自發(fā)、間歇性地對外廣播這些導航信息，在地面就可以捕捉到這些信息。最大ADS-B消息發(fā)射頻率不會超出每秒6.2個消息、平均每秒2個空中位置、2個空中速度、0.2個身份以及2個事件消息[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信號的格式如圖4所示。

在多點定位系統(tǒng)中可利用的S模式和ADS-B應答信號作用具體見表2,其中DF表示下載數(shù)據(jù)格式。

圖4 S/ADS-B信號的格式

表2 S模式和ADS-B應答信號編碼格式

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

在多點定位系統(tǒng)中時差的采樣利用的是4個導前碼信號，具體信息可以用來進行數(shù)據(jù)的相關和融合。

3.3 信號的預處理

本系統(tǒng)采樣動態(tài)門限抑制多路徑反射信號，一般接收機的浮動門限取脈沖信號幅度的一半，由于本系統(tǒng)運用在機場作為場面監(jiān)視設備時信號的多路徑干擾較為明顯，多路徑干擾信號一般都出現(xiàn)在直射接收信號之后，因此本系統(tǒng)采用一種全新的門限來抑制這類多路徑干擾。原理圖如圖5所示。

圖5 信號預處理原理圖

3.4 航跡跟蹤處理

信息在傳送、處理的各個環(huán)節(jié)中不可避免地會引入誤差，從而引起目標定位信息的丟失和錯誤。因此,系統(tǒng)需要對定位點跡進行處理,可選擇濾波器對目標進行濾波估計的方法來提高系統(tǒng)的整體性能。可選擇的濾波器有a、β或Kalman濾波器，由濾波器的特性可知：當目標做勻速直線運動時，a、β濾波器在穩(wěn)態(tài)時和Kalman濾波幾乎是等效的；但是在暫態(tài)過程中，或者目標做機動飛行(轉彎等)時，Kalman濾波器的綜合性能要優(yōu)于a、β濾波器。根據(jù)無源多點定位監(jiān)視系統(tǒng)目標經(jīng)常需要機動的特點，本文提出選擇Kalman濾波器。濾波的目的就是目標過去和現(xiàn)在的狀態(tài)進行平滑，同時預測目標未來時刻的運動狀態(tài)信息，包括目標的位置信息和速度信息[9]。航跡跟蹤處理模塊實現(xiàn)針對原始測量報告的航跡維護，航跡跟蹤處理流程如圖6所示。

圖6 航跡跟蹤處理流程圖

驗證機場監(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 驗證機場監(jiān)視系統(tǒng)航跡

4 結束語

通過以上關鍵技術的研究，解決了系統(tǒng)被動監(jiān)視過程中虛警率高的問題，保證了航跡的連續(xù)性，解決了現(xiàn)有場面一次監(jiān)視雷達系統(tǒng)固有的無標識、覆蓋盲區(qū)等問題，實現(xiàn)了對飛機、車輛等移動目標的精確定位和識別，改善了大型、繁忙、建筑物遮擋機場的場面監(jiān)視能力，為裝備研制奠定了技術基礎。

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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