多點定位系統高精度TOA提取方法?

張濤，唐小明，張婕

（海軍航空工程學院信息融合研究所，山東煙臺264001）

多點定位系統高精度TOA提取方法?

張濤，唐小明，張婕

（海軍航空工程學院信息融合研究所，山東煙臺264001）

針對相關法檢測報頭時較低的采樣頻率對獲取信號到達時間精度的不利影響，提出一種基于改進相關法的局部高速采樣的高精度TOA提取方法。該方法根據曼切斯特編碼特性在報頭后第一個數據位時間內高頻采樣，使用兩級移位寄存器作異或處理檢測跳變沿提取到達時間信息，使測時精度達到了納秒級，在使用GPS秒脈沖對雙接收通道時間進行精確同步的基礎上，輸出提取的時間信息，對比測時的一致性。實驗結果表明在實際應用中，TOA測量精度達到了理論預期。

多點定位；二次雷達；S模式；TOA提取；局部高速采樣

1 引言

隨著航空器的大量快速增加，傳統的空中交通管制面臨嚴峻挑戰，世界各航空大國都在加緊進行新一代監視系統的研究。目前，多點定位系統（MLAT）和ADS-B系統是空中交通管制領域的兩大研究熱點。MLAT系統是由地面多個接收站接收同一目標的二次雷達（SSR）應答信號，根據各個接收站到達信號時間差來確定目標位置。MLAT定位精度高，目標容量更大，適應了空中交通流量高速增長的需要，是機場場面監視和飛機航路監視技術的重要發展方向［1，2］。在多點定位系統中，信號到達時間（TOA）的精度決定著能否利用TDOA進行定位以及定位的精度。如何獲取高精度的時間信息便成為了關注的焦點。

二次雷達的主要協議有A／C模式和S模式。S模式為長碼格式，攜帶輻射源的位置信息，這是A／C模式所不具有的。我們可以對同一架飛機發送某個空中位置點信息到達位于同一個地點的兩個接收天線時所提取的TOA進行對比，以檢驗測時方法所能達到的提取TOA的精度［3，4］。故本文以S模式為例，研究獲取高精度信號到達時間的方法，并用FPGA進行實現。在本地進行雙通道接收S模式信息的實驗，對實驗數據進行分析，得到實際應用中所能達到的時間精度。

2 高精度到達時間提取方法

測量信號到達時間的前提是有一個相同的時間基準，時間不同步所帶來的誤差是對測量結果影響最大的一個因素，所以要獲取高精度的時間信息首先要實現精確的時間同步。在時間同步的基礎上用一個高穩的時鐘進行計時，在信息到達時讀取計時器里的時間信息，以完成高精度時間的提取。理論上信號的到達時間為一條信息第一個脈沖的上升沿被檢測到的時間，但對有效S模式信號的確認是在完成對引導報頭的成功檢測之后。這就需要對脈沖前沿的到達時間做預先記錄，在完成有效報頭檢測時對記錄的時間作出篩選提取。其實，在多點定位系統中，我們最終用來對信號發射平臺定位的是多站接收同一信號的時間差，所以只需要所有的站點對到達信號打上的時間戳是信號的同一位置［5］。

2.1 多點定位系統中的時間同步問題

時間同步即是把分布在各站的時鐘同步起來，最直觀的方法就是搬鐘，可用一個標準鐘作為搬鐘，使各站的鐘均與標準鐘對準。時間同步的方法有無限電波授時、衛星授時和網絡授時。利用衛星授時是實現大范圍內時鐘精密同步的好方法，只有利用衛星，才可在全球范圍內用超短波傳播時號。用超短波傳播時號不僅傳遞精度高，而且可提高時鐘比對精度。美國投入巨資建立的全球定位系統（GPS），其信號已覆蓋全球，可采用GPS接收機接收衛星信號來實現時間同步。

在GPS同步信號精度驗證的實驗中，搜星8顆以上，上電預熱之后可輸出穩定的TTL負電平秒脈沖，寬度為1ms，誤差在20 ns以內。由于GPS秒脈沖的誤差在納秒級，對信號到達時間的測量影響較小，故本文研究在時間精確同步的基礎上所能達到的時間測量精度。本文采用一個GPS接收板卡輸出的秒脈沖提供給兩個通道作為時間同步的基準。在多點定位中，時間差都是在毫秒級以下，即只需要知道精確的小數秒即可用來多點定位，故采用GPS接收板卡的秒脈沖信號來對高精度計時器清零進行時間同步。

實現高精度計時必然需要一個高穩定的時鐘，本文采用銣原子鐘作為外部時鐘輸入，其每秒的誤差僅為10-11s（1／100 ns）。

2.2 提取信號到達時間

在文獻［6］中，報頭檢測是在微波前端采用脈沖相關，即匹配濾波的方式來實現，相關后的峰值點作為信號的TOA時間。由于相關峰值點受脈沖到達能量的影響很大，會引起峰值點的漂移，造成到達時間的不穩定性。將相關法檢測后移至視頻端，脈沖的能量大小不再影響相關后的值的大小，TOA的精度取決于對信號采樣頻率的高低。相關法判定報頭來獲取TOA的方法，會因為采樣頻率過高而影響硬件的實現難度，還使得噪聲干擾對報頭檢測的影響大大增加。所以相關法采樣的頻率一般在10 MHz左右，即引入的信號到達時間的誤差在100 ns。本文根據S模式編碼的特點，在局部提高采樣頻率，以獲得更高的時間精度。

S模式應答信號的格式如圖1所示［7，8］，前8.0μs為報頭，由位置固定的4個子脈沖組成，脈寬0.5μs，后56／112μs為脈位調制（PPM）的數據塊。數據塊為56 bit或112 bit，每個比特周期為1μs，包含兩個chip，采用曼切斯特調制，前一個chip為高電平后一個chip為低電平表示數據“1”，后一個chip為高電平前一個chip為低電平表示數據“0”［3］。即，S模式信號的每一個碼元寬度為0.5μs，頻率為2 MHz。

圖1中所示的數據塊表示的序列為0010…001。

在引導報頭之后，每一個數據位都是由兩個變化的chip組成，在這1μs的中間總會有一個沿存在。所以可以選擇某個數據位，用中間的變化沿作為提取高精度時間的點。本文選擇第一個數據位中間的變化沿作為信號的到達時間。

3 高精度時間提取的FPGA實現

FPGA在時序邏輯控制方面相對于其它類型的芯片具有優勢，同時在數據處理方面的能力越來越強大。現在，中端的FPGA單個芯片即可以滿足大多數工程對時序控制和數據處理兩方面的要求，使得系統更加簡潔和穩定。

本文搭建了一個原理系統來檢驗在受到多種因素影響的實際系統中所能獲取的時間的精度。報頭檢測、數據解碼以及提取高精度TOA都由FPGA開發板完成，數據的處理和分析交由上位機完成。S模式信號雙通道接收系統結構如圖2所示。

GPS天線接收衛星信號經GPS板卡處理后輸出同步秒脈沖到FPGA板進行時間同步；兩個接收天線接收民航飛機下行數據，經放大檢波等前端處理后，FPGA板在視頻端對信號進行采樣，在完成報頭判定后檢測第一個數據位的曼切斯特跳變沿以讀取計數器里的值；將時間信息和解碼信息通過串口發送給上位機解算并記錄。

高穩銣原子鐘輸入到FPGA內部經DCM時鐘管理器組合出100 MHz高速時鐘用于時間同步、計時以及讀取到達時間。在時間同步進程中，在100 MHz的頻率下對秒脈沖信號采樣，用兩級移位寄存器存儲當前和前一個采樣值，利用這兩個采樣值判斷秒脈沖的前沿（下降沿），以清零計數器，否則不停計數；在檢測進程中，一旦判定出S模式引導報頭立即進入曼切斯特變化沿提取程序，在1μs內同樣采用100 MHz時鐘對信號采樣，存入兩級移位寄存器作異或處理，若出現真值則讀取計數器里的數值；將時間信息和解碼信息加上信息分段標識后存入FIFO，用串口將其發送給上位機進行解算、記錄和分析。整個流程如圖3所示。

4 實驗結果分析

從兩個通道所共有的航班批號中選出Mode S號為424922的兩個通道數據進行分析。由于天線放置的地點、高度、方向、傳輸線長度和材質等因素的不同，兩個通道接收解碼的信息有一定差異：一是兩通道解碼的個數有多有少，二是兩通道解出的相同位置點偏少。在一段時間內，兩個通道解出的位置點的情況如表1所示。通道一正確解算出的位置數據點為374個，通道二正確解算出的位置數據點為520個，兩通道中包含相同位置數據點的個數為184個。

分別從兩個通道提取這184個相同位置點的時間信息進行分析。本文是用兩個接近的天線（10m以內）接收同一架民航客機下發的信息進行雙通道檢測，并獲取高精度時間信息。所以這兩個通道獲取的對同一條信息的時間應該相當接近。表2列出了兩個通道所共有的184個位置點的時間信息的統計情況。

從表2中可以看出，76.63%的相同位置點的時間差在50 ns以下，而98.90%的位置點的時間差在130 ns以內。從時間同步和提取的機制上，只要視頻端信號的變化沿足夠陡峭，那么理論上所有的點的時間差都應該在20 ns以內。時間的同步是判斷同一個秒脈沖的下降沿，而這個下降沿的判斷是在用100 MHz的時鐘進行采樣的基礎上作出的。即，在這可能引入10 ns的誤差。同樣，時間的提取也是通過100 MHz時鐘的采樣來判斷上升沿或下降沿來進行的，這里也會存在10 ns的誤差。故，在同一個地點，理論上的時間差應該在20 ns以內。而本文實驗的兩個天線相距將近10m，加上傳輸線長度不一樣將造成兩個通道的時延不一致，引入的時間差在30 ns。所以在不考慮時鐘（因為所采用的是高穩的原子鐘，穩定度在10-11）帶來的影響的情況下，50 ns以內的時間差是可以被理解的。按照ICAO規定，S模式前沿為50～100 ns，文獻［3］指出脈沖的下降沿甚至達到200 ns。也就是說，不理想的脈沖沿會帶來較大的時間誤差，時間差在200 ns內都屬于正常范圍。在表中有兩個點的時差大于200 ns，雖然比例不高，但確實存在。這兩個時間差分別是537 810 ns和656 500 ns。這樣大的時間差是如何來的呢，經過對原始數據的分析發現，這是由于受到空域中其它信號的干擾而導致在報頭檢測后的第一個跳變沿沒有被檢測到，以至于時間信息沒有得到更新而使用上一條報文的時間信息。一條報文的時間長度為120 000 ns，這兩個時間差都大于120 000 ns，進一步證明了前面分析的正確性。

實驗數據表明，接收解碼受到干擾而導致獲取錯誤的信號到達時間的概率在一個較小的百分比，除此之外都在一個正常的范圍之內，且較理想的情況（小于50 ns）占了較大比例。經上述分析可知，通過將兩個天線放置在同一位置，使用同樣的傳輸線可以使時間差小于20 ns的位置點的個數占到一個較大比例（70%），而因為受到干擾而產生的錯誤時間差可以通過處理軟件設置門限來加以剔除。

傳統空管二次雷達6種詢問模式的應答信號格式相同，由16個信息碼位組成，為首尾框架脈沖格式，不存在由固定報頭引導數據塊的情況。對其用相關檢測判定應答模式的時候，可用首尾兩個固定脈沖和無信號到達區的理論采樣值作為相關序列和信號的采樣序列相關，對用尾框架脈沖的下降沿作高速采樣獲取高精度TOA。對于在同一個硬件平臺上實現同時對S模式應答信號和A／C模式信號進行解碼尚未成功，下一步將考慮兩者的兼容性。

5 結論

多點定位系統（MLAT）是一種針對航路、終端區域、機場附近及場面的新型監視技術，可完全兼容

SSR雷達和ADS-B下行數據傳輸鏈路，可以接收和解碼飛機SSR代碼和S模式地址，具備目標識別能力和高精度定位能力。多點定位是基于到達時間差的定位方法，高精度的時間信息是能進行定位的基礎，這要求有精確的時間同步機制予以保證。本文利用GPS接收板卡輸出的秒脈沖信號進行時間同步，同時用高穩原子鐘作為外部時鐘輸入，保證計時的準確性，以飛機下行數據中的S模式信號為實驗對象，給每條報文加上到達時間信息，發送到上位機解算記錄。對實驗數據的統計分析結果表明，本文所采用的高精度時間獲取方法在實際應用中達到了理論上的效果，時間精度達到納秒級，可應用于實際多點定位系統中，提供精確的時間信息。定位信息可為ADS-B丟點作有效的補充，也可推廣到其它無位置信息的模式進行多點時差定位。

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BAIMin.Research on Design and Algorithm of Ground-Based Positioning System Based on TDOA［D］.Chongqing：Chongqing University，2010.（in Chinese）

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［7］Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation（Volume IV），Surveillance and Collision Avoidance Systems［S］.

［8］European Mode S station functional specification［S］.

ZHANG Tao was born in Pengxi，Sichuan Province，in 1986. He is now a graduate student.His research concerns signal detection，assessment and target identification.

Email：z554136435＠126.com

唐小明（1974—），男，浙江淳安人，博士，副教授，主要從事雷達系統、信息融合方面的研究；

TANG Xiao-ming was born in Chun′an，Zhejiang Province，in 1974.He is now an associate professorwith the Ph.D.degree.His research concerns radar system and information fusion.

張婕（1984—），女，山東煙臺人，助理工程師，主要研究方向為信息與通信工程。

ZHANG Jie was born in Yantai，Shandong Province，in 1984. She is now an assistant engineer.His research direction is information and communication engineering.

High-Accuracy TOA Extraction Method in Multilateration

ZHANG Tao，TANG Xiao-ming，ZHANG Jie
（Research Institute of Information Fusion，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China）

A method for extracting high-accuracy TOA（Time of Arrival）with local high-frequency sampling based on improved correlationmethod is proposed in this paper for the adverse effects on the accuracy of extracting TOA in correlation detection with low sampling frequency.High-frequency sampling is done in the time of one data bit after the preamble according to the feature of Manchester encoding.The samples are stored in two shift registers for XOR treatment to detect the edge of signal，which is the time to extract the TOA.The accuracy of TOA can reach nanosecond level on the basis of precise time synchronization.An experimentwith two receiving channels is performed to verify the accuracy class.The statistical results show that the TOA measured accuracy has achieved the theoretical prospect in the practical application.

multilateration；secondary surveillance radar；Mode S；TOA extraction；local high-frequency sampling

Tha National Natural Science Foundation of China（No.60972160）；New Century Supporting Program Foundation for the Talents by the Education Commission

TN95；V351.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.012

張濤（1986—），男，四川蓬溪人，碩士研究生，主要研究方向為信號檢測、評估與識別；

1001-893X（2011）11-0058-05

2011-07-11；

2011-08-26

國家自然科學基金資助項目（60972160）；教育部新世紀人才支持計劃