姜俊斐

摘 要

簡(jiǎn)述了組成MLAT系統(tǒng)的遠(yuǎn)端基站、校標(biāo)系統(tǒng)、地面中心站及飛行動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，對(duì)MLAT的關(guān)鍵技術(shù)TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）及MLAT系統(tǒng)的其他關(guān)鍵技術(shù)如到達(dá)信號(hào)邊沿檢測(cè)、時(shí)鐘同步、幾何精度因子（DOP）以及接收機(jī)布站優(yōu)化問題進(jìn)行了剖析，并對(duì)MLAT系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞

MLAT;組成;TDOA;應(yīng)用

中圖分類號(hào)： V355 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.065

Abstract

The Remote Base Station，calibration system，ground center station and flight dynamic display system，which make up the MLAT system，are briefly described， the key technologies of Mlat，TDOA（Time Difference of Arrival） and other key technologies of Mlat system，such as edge detection of Arrival signal，clock synchronization， geometric precision factor（DOP），as well as the optimization of receiver layout，are analyzed，and the application of the MLAT system is analyzed.

Key Words

Multilateration;Composition;Time difference of arrival;Applications

0 前言

中國(guó)民航已經(jīng)制定并正在實(shí)施民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，要求加快建設(shè)新一代空中交通管理系統(tǒng)，空管監(jiān)視系統(tǒng)為空中交通管理系統(tǒng)提供空中與地面航空器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，是進(jìn)行空中交通管理的基礎(chǔ)。目前，傳統(tǒng)監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施（雷達(dá)）已初具規(guī)模，新監(jiān)視技術(shù)（自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視、多點(diǎn)定位）應(yīng)用推進(jìn)迅速，為了滿足日益繁忙的大型樞紐機(jī)場(chǎng)旅客吞吐量的不斷增長(zhǎng)，加強(qiáng)對(duì)全國(guó)各航路（線）及終端監(jiān)視覆蓋，迫切需要多種監(jiān)視手段的聯(lián)合應(yīng)用，以增強(qiáng)空域的監(jiān)視能力，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)視運(yùn)行程序，提高運(yùn)行效率。

1 MLAT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

MLAT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）定位技術(shù)。目標(biāo)信號(hào)到兩個(gè)天線間的時(shí)間差形成一條能夠確定飛機(jī)位置的雙曲面（三維空間）。當(dāng)四個(gè)天線發(fā)現(xiàn)飛機(jī)信號(hào)后，可以通過計(jì)算雙曲面的交叉點(diǎn)得出飛機(jī)的三維位置。當(dāng)僅有三個(gè)天線可用時(shí)，不能直接判斷出三維位置，但如果可以通過其他信息獲知高度，也能夠計(jì)算出目標(biāo)位置，即變成了二維的問題。在使用大氣壓高度（模式C）時(shí)，由于氣壓高度在不同地理位置存在一定差別，不能精確估計(jì)出目標(biāo)的位置。當(dāng)多于4個(gè)天線時(shí)，多余信息既可用于校準(zhǔn)其他測(cè)量的正確性又可以從所有測(cè)量中計(jì)算出一個(gè)平均位置，這將可以全面減小誤差。

將接收機(jī)安裝在兩個(gè)不同的位置P1和P2，來自一個(gè)機(jī)載應(yīng)答機(jī)Q的信號(hào)被兩個(gè)接收機(jī)收到，并且這個(gè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)的時(shí)間差可以被測(cè)量出來，那些到兩個(gè)定點(diǎn)（接收機(jī)）有相同的距離差（d1-d2）的點(diǎn)形成一條雙曲線（二維空間），焦點(diǎn)就是P1、P2，如圖1所示。

如果增加一個(gè)接收機(jī)，目標(biāo)位置Q由兩個(gè)雙曲線在同一個(gè)水平面上的交點(diǎn)確定，如圖2所示。具體來說，實(shí)際上兩組接收站在空間上形成的是三維圖形（雙曲面）而不是雙曲線，待定位目標(biāo)必定在該雙曲面上。如果基站數(shù)目達(dá)到4個(gè)時(shí)，使得三對(duì)雙曲面相交，即可獲得待定位目標(biāo)的位置坐標(biāo)。基站數(shù)越多，則得出的精度越高。

MLAT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還有到達(dá)信號(hào)邊沿檢測(cè)（包括應(yīng)答信號(hào)檢測(cè)和自適應(yīng)脈沖沿檢測(cè)）、時(shí)鐘同步、幾何精度因子（DOP）以及接收機(jī)布站優(yōu)化問題。

時(shí)鐘同步技術(shù)中又包括基于參考應(yīng)答機(jī)的同步方式、基于GNSS的同步方式和基于原子時(shí)鐘的同步方式。

基于參考應(yīng)答機(jī)的同步方式如圖3所示，參考應(yīng)答機(jī)通過天線發(fā)送參考時(shí)鐘數(shù)據(jù)，下變頻器接通過天線收數(shù)據(jù)，在TOA估計(jì)單元比對(duì)本地時(shí)鐘，比對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果需要傳送到地面中心站進(jìn)行處理。地面中心站跟蹤時(shí)鐘誤差和飛機(jī)目標(biāo)，對(duì)相關(guān)TDOA估計(jì)進(jìn)行校正。

基于參考應(yīng)答機(jī)的同步方式的MLAT系統(tǒng)收到的參考應(yīng)答機(jī)信號(hào)可能因?yàn)槟承┰蚨a(chǎn)生衰減，其中包括多徑聯(lián)合、混跌、潛在的外部干擾。

多徑是接收機(jī)收到的由地面、水面、建筑或其他飛機(jī)等物體反射引起的同源重復(fù)信號(hào)。通過對(duì)天線的選擇能夠減少多徑影響。短徑會(huì)使不同時(shí)間到達(dá)的脈沖產(chǎn)生重疊，對(duì)重疊脈沖給出同樣的響應(yīng)。將直接路徑和最早到達(dá)的路徑和反射到達(dá)路徑進(jìn)行比對(duì)，前兩者具有更高的級(jí)別。這些重疊的脈沖能夠?qū)е轮睆浇邮招盘?hào)形變，這會(huì)對(duì)TDOA的精度產(chǎn)生影響。長(zhǎng)徑差導(dǎo)致同一了應(yīng)答被重復(fù)接收多次，雖然符合系統(tǒng)特性，但并不能長(zhǎng)期出現(xiàn)，如果沒被發(fā)現(xiàn)將會(huì)產(chǎn)生假目標(biāo)?；斓莾蓚€(gè)或多個(gè)不同信號(hào)被同時(shí)接收到，混跌的概率隨著二次雷達(dá)信號(hào)密度的增加而增加。多徑和混跌對(duì)多點(diǎn)相關(guān)系統(tǒng)的精度和探測(cè)概率有影響，很多時(shí)候，特別是多徑能夠通過識(shí)別而修復(fù)。信號(hào)的形變會(huì)對(duì)TDOA精度測(cè)量和相關(guān)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

基于GNSS的同步方式如圖4所示，GNSS接收機(jī)接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)作為本地時(shí)鐘，并下發(fā)到TOA估計(jì)單元中。TOA估計(jì)單元將接收數(shù)據(jù)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并結(jié)合下變頻器的數(shù)據(jù)，將綜合數(shù)據(jù)發(fā)送到地面中心站進(jìn)行處理。地面中心站進(jìn)行相關(guān)TOA估計(jì)和目標(biāo)跟蹤。

基于原子時(shí)鐘的同步方式中，各遠(yuǎn)端基站通過高精度原子鐘獲取高精度的本地時(shí)間，然后通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)同步時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

上述三種同步方式的時(shí)間同步精度均可達(dá)納秒級(jí)?；趨⒖紤?yīng)答機(jī)的同步方式和基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的同步方式需要在地面中心站計(jì)算和補(bǔ)償遠(yuǎn)端基站之間的時(shí)間差，而基于原子時(shí)鐘的同步方式多種外界因素都會(huì)對(duì)遠(yuǎn)端基站的本地頻率造成干擾，導(dǎo)致原子時(shí)鐘的抖動(dòng)，影響同步時(shí)間精度。

MLAT系統(tǒng)的幾何分布對(duì)系統(tǒng)的定位精度也有很大的影響，飛機(jī)在天線二維平面的覆蓋范圍內(nèi)，其位置信息的精度非常高，覆蓋范圍之外的數(shù)據(jù)精度會(huì)隨著離覆蓋范圍的距離增加逐漸下降。

MLAT系統(tǒng)的高精度需要多個(gè)地面遠(yuǎn)端基站以及多個(gè)遠(yuǎn)端基站之間布置的幾何形狀，MLAT系統(tǒng)精度一般需要小于0.1nm。MLAT系統(tǒng)的S模式中記載設(shè)備的更新周期為1s。MLAT系統(tǒng)的S模式信號(hào)除ADS-B系統(tǒng)S模式的信息外，還包括滾轉(zhuǎn)角、航跡角以及航跡角速度、地速、磁航向和指示空速等。

MLAT系統(tǒng)的定位精度（σ）一般由定位精度因子（GDOP）和信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量精度（σTDOA）決定。三者的關(guān)系為：

σ=σTDOA×GDOP

式中，σ為MLAT系統(tǒng)定位精度;σTDOA為TDOA信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量精度;GDOP為定位精度因子。

信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量誤差一般為固定值，是系統(tǒng)指標(biāo)之一。定位精度因子（GDOP）一般與MLAT系統(tǒng)的地面接收站的布局有關(guān)，用于評(píng)價(jià)地面接收站的幾何分布對(duì)測(cè)量精度的影響程度。

在到達(dá)時(shí)間差定位系統(tǒng)中，定位精度因子GDOP等于航空器位置的定位誤差與航空器到地面接收站距離測(cè)量誤差的比值，表征地面站幾何分布對(duì)定位精度的影響程度，而幾何精度因子GDOP可視為對(duì)系統(tǒng)測(cè)距誤差的放大值。航空器可視地面站接收站的分布越廣，GDOP值越小，定位精度越高。因此對(duì)于MLAT系統(tǒng)GDOP是個(gè)非常重要的概念，計(jì)算系統(tǒng)的GODP優(yōu)化地面站的布局不僅可以提高M(jìn)LAT系統(tǒng)的定位精度也可以減少不必要的地面接收站的建設(shè)。

3 MLAT系統(tǒng)應(yīng)用分析

MLAT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中包含飛機(jī)的編號(hào)等識(shí)別信息，定位數(shù)據(jù)精度高。MLAT系統(tǒng)兼容功能強(qiáng)大，可以兼容任何機(jī)載應(yīng)答機(jī)，與ADS-B系統(tǒng)兼容。MLAT系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，同一時(shí)間能夠監(jiān)視超過五百個(gè)跟蹤目標(biāo)。此外，MLAT系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的軟件能夠?qū)︼w機(jī)及場(chǎng)面車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，具有價(jià)格低、安裝方便等特點(diǎn)。

我國(guó)首套MLAT系統(tǒng)于2008年在首都機(jī)場(chǎng)投入使用，主要包括地面中心站和遠(yuǎn)端基站，遠(yuǎn)端基站包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和參考應(yīng)答機(jī)，定位精度不大于五米，主要對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的車輛和飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)飛機(jī)的進(jìn)近階段實(shí)行高精度監(jiān)控。

場(chǎng)面監(jiān)視中，環(huán)境受限或能見度低的情況下，管制員可以根據(jù)MLAT系統(tǒng)準(zhǔn)確地判斷出飛機(jī)和車輛的位置，并向管制員發(fā)出跑道上潛在危險(xiǎn)的信號(hào)。與傳統(tǒng)二次雷達(dá)系統(tǒng)相比，MLAT系統(tǒng)通常情況下可以花更少的投入而得到相同或更高水平的服務(wù)，為管制員提供無縫的界面和監(jiān)視數(shù)據(jù)，使得他們可以提高在低能見度下的操作，增加安全性，提高飛行容量限制。MLAT系統(tǒng)將飛機(jī)和車輛的連續(xù)識(shí)別信息提供給管制員?？煽康男畔?、完整的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)使得管制員可以更準(zhǔn)確地判斷飛機(jī)的情況，不僅提高了安全性也提高了效率，使得機(jī)場(chǎng)的吞吐量有所增加。同時(shí)，MLAT技術(shù)在廣域、進(jìn)近監(jiān)視、RVSM監(jiān)視中也有所研究應(yīng)用。

MLAT系統(tǒng)利用現(xiàn)有機(jī)載標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)，無須加裝其他機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備即完成定位監(jiān)視;高數(shù)據(jù)更新率（每秒1次，而二次雷達(dá)至少4秒1次），幾乎是二次雷達(dá)的5倍，如果需要的話這個(gè)速率還能增加;接收站點(diǎn)配置靈活，系統(tǒng)監(jiān)視覆蓋范圍適應(yīng)性強(qiáng)，MLAT系統(tǒng)能夠適用各種環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低海拔區(qū)域復(fù)雜環(huán)境的覆蓋;獨(dú)立測(cè)量飛機(jī)高度;系統(tǒng)成本低（與現(xiàn)有的SSR雷達(dá)系統(tǒng)相比較，其投資成本不到1/3），最小安裝需求;具有目標(biāo)標(biāo)識(shí)能力，采用無源接收定位方式，對(duì)其他系統(tǒng)干擾小。同時(shí)，MLAT系統(tǒng)能夠與使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和通信設(shè)備的各種系統(tǒng)連接，并能夠處理飛行計(jì)劃系統(tǒng)（FPS）數(shù)據(jù)，送至塔臺(tái)顯示、A-SMG CS、TIS-B服務(wù)器、交通管理單元、航線運(yùn)行、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)和送至用戶支持中心監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)的逐漸成熟，MLAT技術(shù)在廣域監(jiān)視、進(jìn)近和場(chǎng)面監(jiān)視中的應(yīng)用也會(huì)越來越多。