多點定位系統信號處理流程及假信號處置

中國民用航空華北地區空中交通管理局 張孝澤

本論文介紹了多點定位系統（MLAT）的基本信息，在技術上講解了多點定位原理以及系統對信號的處理流程。針對大興機場場面上出現不明目標的問題進行了故障分析，為空管技術保障人員提供了相關處理經驗。

隨著國內航空運輸量的不斷增長，北京大興國際機場及其周邊區域的飛機數量急劇增加。高密度的航班架次使得機場場面內飛機與飛機之間、飛機與場面車輛之間的間距減少。運行中的ADS-B系統（廣播式自動相關系統）目標易受機載設備影響，定位偏移頻發。場監一次雷達覆蓋有盲區且易受固定目標干擾。在低能見度或者極端天氣運行情況下，利用這兩套設備監視場面時，頻頻發生不明目標侵入跑道的情況。這對要求高效運行的空管指揮造成了干擾。航空器安全問題、航班正點問題日益突出，空管單位迫切需要更加先進可靠的監視手段。多點定位系統（MLAT）針對大興機場場面的特點進行優化，可以完全覆蓋大興機場本場，掃描更新率快、精度高。不依賴機載設備定位，可為場監雷達補盲，并同時與其配對，為航空器提供二次標牌。多點定位系統為塔臺管制員提供了更加精準的場面監視[1]。

1 多點定位系統基本信息

1.1 系統介紹

多點定位系統是一個典型的分布式系統，利用現有機載應答機發射的1090MHz應答信號就可以實現對飛機的定位。同時對已有的監視設備和機載設備無需改造，也無需在航空器上安裝任何額外設備。多點定位系統接收機可以接收航空器發射的多種應答信號，包括A/C模式二次雷達信號，S模式二次雷達信號和ADS-B信號。利用應答信號到達接收機的時間差(TDOA定位技術，Time Difference of Arrival)來實現精準定位，并且根據應答碼中的地址碼對目標進行識別。在同一時刻內，至少三個地面站接收到同一目標的應答信號，對該目標進行解碼，并將數據送至中央處理服務器，根據各個接收機的數據計算出目標的具體位置。

1.2 場面覆蓋情況

地面臺站分布：多點定位系統地面站的位置不僅直接關系到系統的監視覆蓋區域，而且對相關設備的合理使用和消除覆蓋盲區也起著至關重要的作用。為了滿足信號覆蓋，大興空管中心在大興機場架設了充足的地面臺站，包括航站樓港灣16個、獨立桅桿10個、照明燈合裝8個以及其他地點10個，共計部署了44個地面臺站。

覆蓋范圍：多點定位系統能夠完全覆蓋大興機場本場47平方公里面積。主要包括運行中的四條跑道（西一跑道、西二跑道、東跑道和北跑道）、場面滑行道以及機動飛行區。設置偵測目標高度在1000m以下。

精度：航空器在場面上，95%的目標定位誤差小于7m，99%的目標定位誤差小于12m。

2 多點定位系統信號處理流程

2.1 系統架構

為大興機場搭建的多點定位系統是基于中央計時架構的模塊化系統，主要由中央處理站、地面站、NTP時鐘服務器以及控制監控系統組成，同時系統冗余了中央處理站和地面站。

2.1.1 中央處理站的作用

多點定位系統的核心，接收來自接收站（RXS）和發射接收合裝站（RXTXS）的二次信號，能夠對接收到的二次信號進行實時多方位數據處理，并利用NTP服務器對最終處理的數據附加時間戳，最終以ASTERIX格式輸出目標數據和系統信息。

中央處理站的主要部件有BVIM（視頻信號輸入模塊，Block of Video signal Inputs）、目標處理服務器（Target Processor）、iConverter（光纖轉換模塊）。

(1)BVIM：BVIM的作用是將從RXS（地面站）接收的視頻信號從光信號轉換為電信號。電信號被進一步分配到目標處理服務器的測量單元（MU）。47塊光信號接收板被安裝在BVIM中。

(2)目標處理服務器：實現目標處理功能。測量單元子模塊接收來自BVIM的信號并進行評估，包括確定響應的類型，測量響應到達的時間以及檢測響應數據中的內容。后將評估后的數據進一步處理。對接收到的二次信號進行時間標記，記錄原始輸入數據，對數據進行多方位準確計算再輸出Asterix標準格式數據。

此外，目標處理服務器還具備管理系統的診斷功能。能夠校準系統，接收和評估來自所有RXS（接收站）、TXS（發射站）和其他子系統的診斷數據。

(3)iConverter：光信號與網絡信號之間的媒體轉換器。利用iConverter，局域網中一般使用網線相連的網絡設備可以在相對較遠的距離上通過光纖互連[2]。

2.1.2 地面站的作用

多點定位系統的數據來源，接收來自空中或地面來源的二次信號，濾除因多路徑反射產生的假信號，記錄應答信號到達接收站的時間，將經過模數轉換和脈沖檢測后的應答信號與到達時間傳送至中心處理站。

2.1.3 NTP時鐘服務器的作用

獲取GPS衛星標準時間信號，并傳輸至網絡。用于多點定位系統各個部件的時間同步。

2.1.4 控制監控系統的作用

實時監控各個臺站、中央處理站以及其他服務器設施的運行，提供系統告警提示、日志記錄、切換主備機等功能。

2.2 目標定位原理

目前多點定位系統主要采用到達時間差算法進行定位。目標的二維（或三維）位置是通過計算多條雙曲線（或雙曲面）的交點來確定的。隨著飛機的飛行，飛機與各接收站的距離各不同，飛機向各地面接收站發送響應信號的到達時間也不同。通過計算到達時間的差異，多點定位系統可以計算出飛機當前的位置。定位地面目標需要三個接收站接收應答信號，通過雙曲線交叉定位確定目標位置。而定位空中目標則至少需要四個接收站接收應答信號，通過雙曲面交叉定位確定目標的位置以及高度。多點定位系統定位原理示意圖如圖1所示。

圖1多點定位系統定位原理Fig.1 Positioning principle of multilateration system

2.3 信號處理流程

多點定位系統的信號處理，主要是針對各個遠端地面站接收的信號進行相應處理。地面接收站（RXS）接收到二次應答信號，對其進行模擬信號轉數字信號處理，再通過光纖或微波傳輸到中央處理站（CPS）。中央處理站的測量單元（MUSR）可以最多接收47路傳入信號，對傳進信號進行測量與同步，并通過局域網將處理后的數據傳輸至目標處理服務器（TP）。目標處理服務器接收到數據后記錄雷達原始數據，執行到達時間差（TDOA）計算，對二次雷達數據進行處理并保持對目標的跟蹤，最后生成ASTERIX標準格式消息。多點定位系統信號接收流程，如圖2所示。

圖2 多點定位系統信號接收流程圖Fig.2 Signal receiving flow chart of multilateration system

3 案例分析：假目標問題的處置

大興機場多點定位系統發生多起出現不明目標的情況。根據相關案例的特點，將解決假目標的方案分為關閉干擾臺站和劃設初始航跡抑制區。

案例一：關閉干擾臺站

2021年05月19日10：06：00（北京時間，下同）大興機場西塔管制員反映大興機場本場G3滑行道附近出現一個不明信號，該信號產生了跑道侵入告警（RIW），持續20秒。

解決方案：

通過查詢相關日志和數據回放顯示，在該目標的航跡探測（Track Inspector）項中查詢到其對應的接收臺站（Receiving Station）為RX14、RX16和RX40地面臺站。后續持續觀察該區域滑行經過的航班，三個臺站均不時出現定位斷斷續續、定位不準的情況。對此聯合廠家工程師，修改系統配置，新劃設Disabled_14_16_40信號屏蔽區。在該區域下，將RX14、RX16和RX40臺站信號置于失效狀態。該故障修復。

案例二：劃設初始航跡抑制區

2021年07月21日10：00：00大興機場西塔管制員反映35R跑道上出現一個CHADAO01（場內查道車）的不明信號，持續25分鐘左右。

解決方案：

多點定位系統具有車輛跟蹤的功能，可以探測識別到車載應答機。根據多點態勢界面的二次目標標牌，聯系大興機場飛行管理部聯合排查。后經調查，大興機場配備了兩輛帶有應答機的查道車輛。該信號為場內查道車在停車位充電時，未按要求關閉應答機產生。同時車輛定位信號發生偏移，導致信號進入跑道。由于跑道附近位置敏感，產生不明目標會嚴重干擾塔臺管制運行。因此，協同廠家工程師對該位置劃設的初始航跡抑制區進行優化調整。

初始航跡抑制區一般設置在跑道道口或跑道附近滑行道，意在防止偏移的信號進入跑道影響管制正常運行。其作用是如果在該區域憑空出現一個信號，通常為偏移的假目標信號，那么屏蔽該信號。而正常滑行經過的航空器會從區域邊界進入，此時航班信號正常顯示不受影響。本故障中調整了系統參數，對設置的MinEntries3初始航跡抑制區進行延伸，修復了該故障。如圖3所示。

圖3 修改后的初始航跡抑制區Fig.3 Modified initial track suppression zone

4 結語

綜上所述，多點定位系統作為一種有效的監測技術，可以密切關注大興機場場面內航空器運行情況。利用應答信號到達時間差精確計算出目標具體位置，對航空器進行有效管理，解決了當前機場交通擁堵的問題。此外，對多點定位系統產生不明目標的案例進行分析，可以為空管技術人員提供借鑒。在以后的工作中，可以更高效的對相似故障進行定位與處理，進而提高機場總體運行效率。