趙澤

摘要：多點定位系統(tǒng)信號在機場場面監(jiān)視運行過程中起著非常重要的作用，本文針對Thales多點定位系統(tǒng)信號處理機制進行了深入地分析，對了解多點定位系統(tǒng)信號輸出原理及系統(tǒng)信號覆蓋范圍調整提供了借鑒與幫助。

關鍵詞：多點定位;TOA過濾;定位算法

中圖分類號：V35 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0205-03

0 引言

多點定位系統(tǒng)（MLAT）作為場面監(jiān)視的一種有效手段，已陸續(xù)在國內機場開始安裝使用。但機場場面交通流量的不斷增加，機場場區(qū)內不斷進行改擴建工程，來滿足和提高機場運行容量及效率。對于多點定位系統(tǒng)來講，則需要進行系統(tǒng)信號覆蓋區(qū)域地調整或擴容，已達到場面監(jiān)視的運行要求。

1 Thales多點定位系統(tǒng)結構簡介

多點定位監(jiān)視技術是基于三個及以上地面站接收機接收到的目標信號到達時間差（TDOA），對多個雙曲線（面）相交的位置解算來確定飛機目標的二維（或三維）位置。針對機場實際的電磁環(huán)境，通過采用冗余方式在機場不同區(qū)域布置多個遠端地面接收站，用于接收飛機目標發(fā)射出的A/C/S模式、ADS-B、TCAS/ACAS應答信號，隨后在對其信號解碼和時間標記后送至中心處理站，中心處理站通過定位解算便可以對目標位置進行確定并生成目標報告送往自動化系統(tǒng)進行融合處理供管制員指揮監(jiān)控飛機位置。中心處理站作為整個系統(tǒng)的核心節(jié)點，不僅要進行信號定位處理，還需要進行系統(tǒng)時間同步/校準及實時地向詢問發(fā)射站發(fā)送詢問指令實現對覆蓋區(qū)域內目標的全監(jiān)視功能。該處理站采用了主備冗余的方式，每一個地面站輸出的數據同時送到兩個中心處理站進行處理，兩個中心處理站相互監(jiān)視運行狀態(tài)，共同處理主用和備用狀態(tài)，所以當主備切換時，數據不會出現丟失，提高系統(tǒng)的安全可靠性。多點定位系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

2 Thales多點定位系統(tǒng)信號處理流程

如圖1，中心處理站收集和處理所有地面站輸出的原始數據，實現信號解碼、目標代碼關聯(lián)、TOA過濾、多點定位處理、目標航跡處理、目標報告生成等主要功能。

2.1 原始數據解碼

解碼模塊接收各個地面站輸出的包括地面站SIC碼、TOA時間、信號電平、信息類別以及報文內容等的原始數據，完成對A/C模式和S模式下行信號（DF0，DF4，DF5，DF11，DF17，DF18，DF20和DF21）碼字中相關目標身份識別信息、高度信息等內容的提取。

2.2 目標關聯(lián)

關聯(lián)模塊的功能是從不同地面站收集同一目標的TOA（到達時間），采用適合的關聯(lián)方式，形成一個TOA-block，每一個TOA在TOA-block內的位置與接收地面站的標識有關。在關聯(lián)過程中主要涉及到兩種模式的關聯(lián)，即A/C模式之間的關聯(lián)、S模式之間的關聯(lián)[1]。A/C模式數據關聯(lián)模塊從接收到的地面站原始數據中過濾和識別有效的A/C模式目標數據，利用目標之間相同的識別碼或高度碼，將這些有效的數據同已識別的目標進行關聯(lián)，為每一個目標建立不同的A/C模式TOA-block。S模式數據關聯(lián)模塊從接收到的地面站原始數據中過濾和識別有效的S模式目標數據，利用目標的24位地址碼，將這些有效的數據同已識別的目標進行關聯(lián)，為每一個目標建立不同的S模式TOA-block。

2.3 目標定位處理

目標定位模塊基于一個公共的時間基準上，根據目標TOA-block中的TOA信息，利用不同的定位算法實現目標位置定位功能。目標定位處理流程主要分為三部分：系統(tǒng)區(qū)域拓撲信息、地面站信息、定位算法規(guī)則初始化;目標定位處理;定位結果輸出。

初始化：THALES多點定位系統(tǒng)可以根據不同的現場條件、所需性能和監(jiān)視應用區(qū)域情況，實現不同的拓撲結構和配置。目標定位處理過程完全依賴于特定的拓撲和配置初始化信息。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)域拓撲信息。

目標定位處理：目標定位處理流程主要包括TOA-blocks信息接收、目標首次檢測、目標連續(xù)檢測、目標更新、目標點跡和航跡跟蹤。

（1）TOA接收：關聯(lián)過程根據插入到TOA-block中的第一個TOA時間進行排序形成一個TOA-block列表，該列表作為目標定位模塊的輸入。TOA-block排序是為了保證位置計算按照時間順序排列，防止位置向后跳轉。在進行目標定位之前，根據設置的TOA過濾條件，對每一個TOA-block中的TOA信息的過濾篩選，TOA的過濾規(guī)則主要有以下幾種：

①功率電平：通過設置功率門限電平過濾器，對接收到的信號功率電平進行過濾，選擇高于該門限電平的TOA。如果block中所有TOA的功率電平低于該門限，則該TOA- block將被丟棄。有一個TOA的功率電平高于該門限，則TOA-block將被保留。

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

③預估：如果接收到的信號報頭失真，但是信號仍被識別，將對該信號的TOA值進行預估并在TOA-block中進行標記。

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

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

根據有效的TOA值計算出目標的位置。如果目標為新目標，則執(zhí)行“首次檢測”處理，否則執(zhí)行“連續(xù)檢測”處理。

（2）首次檢測：首次檢測僅適用于給定目標但之前沒有有效位置的情況。按照TOA-block配置的TOA數量，丟棄TOA-block中信號電平比較低的TOA，如圖3（a）所示。根據首次檢測處理程序定義的不同算法和規(guī)則對TOA-block中的TOA信息進行定位處理，對計算的結果進行檢查確保返回的位置值可用，最后對多個算法的計算出結果進行平均作為目標位置。

（3）連續(xù)檢測：連續(xù)檢測首先判斷當前目標是否位于系統(tǒng)所配置定義的某一個區(qū)域中（如跑道、滑行道等）。如果目標包含在已配置的區(qū)域內，根據TOA-block配置的TOA數量，在以目標位置為中心的四個區(qū)域內選取信號電平較高的TOA，如圖3（b）所示。使用該區(qū)域定義的定位規(guī)則進行處理[2] 。如果目標不包含在所配置的區(qū)域，將使用默認的定位規(guī)則進行處理，并根據定義的時間和發(fā)現目標次數的門限，停止定位目標。

（4）多點定位算法和規(guī)則：多點定位算法是按照目標高度可以分為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。對于迭代算法，需要定義迭代最小和最大次數、基于固定位置或最后一個有效位置的起始向量、基于當前位置和先前迭代位置之間的位置差的停止準則。非迭代算法中定義位置分辨率，即計算允許的最大舍入誤差有多大。

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

2.4 航跡處理

通過定位算法計算出目標位置后，形成了目標的原始點跡信息。由于不良的DOP或視線遮擋等原因可能造成計算出的位置異常，因此需要一種檢測位置異常值并將其移除的修正機制。Thales多點定位系統(tǒng)針對位置異常設置了一個預航跡處理器，用于過濾最明顯的失敗位置和跳轉。計算出的目標點跡同預航跡處理器中一個預設的位置窗口比較，如果計算的點跡超出這個位置窗口，那么將丟棄點跡或修改以致能夠匹配歷史航跡和預測趨勢。

通過預航跡處理器篩選后，將該位置添加到已關聯(lián)目標的航跡處理中。航跡處理器由兩個卡爾曼濾波器組成，在主動或被動模式下并行運行，避免平滑幅度過大造成輸出結果受影響，如圖4所示。兩個濾波器的平滑值同原始點跡實時進行比較，當超出預設的位置差值時，切換到另一個濾波器作為主濾波器輸出平滑位置。在首次檢測目標的情況下，定位處理已經完成。在連續(xù)檢測的情況下，利用目標的最后位置和速度，計算了給定周期時間下的預測位置，預測位置的最大允許數量是可配置的。

2.5 目標報告生成

航跡處理提供的有效航跡數據以列表的形式與所有目標信息一起存儲在一個已知的存儲器中作為“航跡存儲”信息，如圖5所示。目標維護程序掃描目標列表，查找需要輸出的目標信息和該刪除的目標信息。目標信息以ASTERIX CAT010/020進行格式轉換，以定義的傳輸模式進行外送。

3 Thales多點定位系統(tǒng)信號輸出配置

多點定位系統(tǒng)信號覆蓋范圍的調整配置，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;另一種僅僅是調整當前覆蓋區(qū)域范圍，不涉及地面站的配置。前一種涉及到的調整類別比較復雜，在此不進行詳述，本文主要針對后一種不涉及地面站配置的信號覆蓋范圍的調整進行詳述。

目前多點定位系統(tǒng)是根據機場跑道、滑行道、停機坪、進近區(qū)域、航站樓等功能區(qū)域進行多點定位信號處理及輸出的。每一個區(qū)域相當于一個圖層，可以定義區(qū)域的名稱、優(yōu)先級、處理目標海拔高度范圍、數據是否外送，多個區(qū)域可以相互疊加，根據區(qū)域的優(yōu)先級，對優(yōu)先級數值最大的區(qū)域信號進行處理輸出。覆蓋區(qū)域的具體配置邏輯關系如圖3所示。

當需要調整某一區(qū)域地輸出信號時，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，例如跑道和進近區(qū)域配置規(guī)則是不一樣的，需要對該區(qū)域地范圍進行設定，可以利用系統(tǒng)繪圖軟件劃定一定的地圖范圍，也可以直接輸入區(qū)域范圍關鍵點的地理位置坐標點信息，該坐標點是以機場參考點為中心的三維直角坐標系，并對該區(qū)域定義一個polygonID識別號，便于系統(tǒng)索引該ID進行該區(qū)域內的信號處理。在該區(qū)域內還需要設置5個不同的信號相關處理規(guī)則，每一個規(guī)則包括處理的TOA數量（5-9個）和所使用的算法類型（4個2維非迭代算法，1個3維牛頓迭代算法）。系統(tǒng)將5個規(guī)則最終解算的定位結果進行對比，選取平均值作為輸出[3]。同時還需要在該區(qū)域內定義校準地面站，可設定一個或多個，根據優(yōu)先順序進行選擇。

4 結語

結合機場改擴建多點定位系統(tǒng)信號覆蓋范圍調整及外方技術支持有限的困境，通過對Thales多點定位系統(tǒng)信號處理過程中TOA信息的過濾篩選規(guī)則、定位處理流程以及信號輸出的詳細介紹，提出了具體的覆蓋范圍調整方法，解決了多點定位系統(tǒng)信號覆蓋范圍調整的難題，為其他地區(qū)同類型系統(tǒng)的維護提供經驗。

參考文獻

[1] 李莉，鄧平，劉林.Taylor級數展開法定位及其性能分析[J].西南交通大學學報，2002，37（6）：684-688.

[2] 李家蓬，韓明，苑克劍.多點定位系統(tǒng)的布站設計[J].電光與控制，2016，23（1）：71-74.

[3] 陳慶國.多點定位系統(tǒng)的定位算法比較研究[D].中國民用航空飛行學院，2012.