多點定位MLAT關鍵技術及應用分析

姜俊斐

摘 要

簡述了組成MLAT系統的遠端基站、校標系統、地面中心站及飛行動態顯示系統，對MLAT的關鍵技術TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）及MLAT系統的其他關鍵技術如到達信號邊沿檢測、時鐘同步、幾何精度因子（DOP）以及接收機布站優化問題進行了剖析，并對MLAT系統的應用進行了分析。

關鍵詞

MLAT;組成;TDOA;應用

中圖分類號： V355 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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

中國民航已經制定并正在實施民航強國戰略，要求加快建設新一代空中交通管理系統，空管監視系統為空中交通管理系統提供空中與地面航空器的實時動態信息，是進行空中交通管理的基礎。目前，傳統監視基礎設施（雷達）已初具規模，新監視技術（自動相關監視、多點定位）應用推進迅速，為了滿足日益繁忙的大型樞紐機場旅客吞吐量的不斷增長，加強對全國各航路（線）及終端監視覆蓋，迫切需要多種監視手段的聯合應用，以增強空域的監視能力，進一步優化監視運行程序，提高運行效率。

1 MLAT系統關鍵技術

MLAT系統的關鍵技術之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）定位技術。目標信號到兩個天線間的時間差形成一條能夠確定飛機位置的雙曲面（三維空間）。當四個天線發現飛機信號后，可以通過計算雙曲面的交叉點得出飛機的三維位置。當僅有三個天線可用時，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，也能夠計算出目標位置，即變成了二維的問題。在使用大氣壓高度（模式C）時，由于氣壓高度在不同地理位置存在一定差別，不能精確估計出目標的位置。當多于4個天線時，多余信息既可用于校準其他測量的正確性又可以從所有測量中計算出一個平均位置，這將可以全面減小誤差。

將接收機安裝在兩個不同的位置P1和P2，來自一個機載應答機Q的信號被兩個接收機收到，并且這個信號到達兩個接收機的時間差可以被測量出來，那些到兩個定點（接收機）有相同的距離差（d1-d2）的點形成一條雙曲線（二維空間），焦點就是P1、P2，如圖1所示。

如果增加一個接收機，目標位置Q由兩個雙曲線在同一個水平面上的交點確定，如圖2所示。具體來說，實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，待定位目標必定在該雙曲面上。如果基站數目達到4個時，使得三對雙曲面相交，即可獲得待定位目標的位置坐標。基站數越多，則得出的精度越高。

MLAT系統的關鍵技術還有到達信號邊沿檢測（包括應答信號檢測和自適應脈沖沿檢測）、時鐘同步、幾何精度因子（DOP）以及接收機布站優化問題。

時鐘同步技術中又包括基于參考應答機的同步方式、基于GNSS的同步方式和基于原子時鐘的同步方式。

基于參考應答機的同步方式如圖3所示，參考應答機通過天線發送參考時鐘數據，下變頻器接通過天線收數據，在TOA估計單元比對本地時鐘，比對數據結果需要傳送到地面中心站進行處理。地面中心站跟蹤時鐘誤差和飛機目標，對相關TDOA估計進行校正。

基于參考應答機的同步方式的MLAT系統收到的參考應答機信號可能因為某些原因而產生衰減，其中包括多徑聯合、混跌、潛在的外部干擾。

多徑是接收機收到的由地面、水面、建筑或其他飛機等物體反射引起的同源重復信號。通過對天線的選擇能夠減少多徑影響。短徑會使不同時間到達的脈沖產生重疊，對重疊脈沖給出同樣的響應。將直接路徑和最早到達的路徑和反射到達路徑進行比對，前兩者具有更高的級別。這些重疊的脈沖能夠導致直徑接收信號形變，這會對TDOA的精度產生影響。長徑差導致同一了應答被重復接收多次，雖然符合系統特性，但并不能長期出現，如果沒被發現將會產生假目標。混跌是兩個或多個不同信號被同時接收到，混跌的概率隨著二次雷達信號密度的增加而增加。多徑和混跌對多點相關系統的精度和探測概率有影響，很多時候，特別是多徑能夠通過識別而修復。信號的形變會對TDOA精度測量和相關質量產生影響。

基于GNSS的同步方式如圖4所示，GNSS接收機接收全球衛星導航數據，并將接收的數據作為本地時鐘，并下發到TOA估計單元中。TOA估計單元將接收數據經過ADC轉換為數字量并結合下變頻器的數據，將綜合數據發送到地面中心站進行處理。地面中心站進行相關TOA估計和目標跟蹤。

基于原子時鐘的同步方式中，各遠端基站通過高精度原子鐘獲取高精度的本地時間，然后通過網絡數據對同步時鐘進行動態校準。

上述三種同步方式的時間同步精度均可達納秒級。基于參考應答機的同步方式和基于衛星導航系統的同步方式需要在地面中心站計算和補償遠端基站之間的時間差，而基于原子時鐘的同步方式多種外界因素都會對遠端基站的本地頻率造成干擾，導致原子時鐘的抖動，影響同步時間精度。

MLAT系統的幾何分布對系統的定位精度也有很大的影響，飛機在天線二維平面的覆蓋范圍內，其位置信息的精度非常高，覆蓋范圍之外的數據精度會隨著離覆蓋范圍的距離增加逐漸下降。

MLAT系統的高精度需要多個地面遠端基站以及多個遠端基站之間布置的幾何形狀，MLAT系統精度一般需要小于0.1nm。MLAT系統的S模式中記載設備的更新周期為1s。MLAT系統的S模式信號除ADS-B系統S模式的信息外，還包括滾轉角、航跡角以及航跡角速度、地速、磁航向和指示空速等。

MLAT系統的定位精度（σ）一般由定位精度因子（GDOP）和信號到達時間差的測量精度（σTDOA）決定。三者的關系為：

σ=σTDOA×GDOP

式中，σ為MLAT系統定位精度;σTDOA為TDOA信號到達時間差的測量精度;GDOP為定位精度因子。

信號到達時間差的測量誤差一般為固定值，是系統指標之一。定位精度因子（GDOP）一般與MLAT系統的地面接收站的布局有關，用于評價地面接收站的幾何分布對測量精度的影響程度。

在到達時間差定位系統中，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量誤差的比值，表征地面站幾何分布對定位精度的影響程度，而幾何精度因子GDOP可視為對系統測距誤差的放大值。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。因此對于MLAT系統GDOP是個非常重要的概念，計算系統的GODP優化地面站的布局不僅可以提高MLAT系統的定位精度也可以減少不必要的地面接收站的建設。

3 MLAT系統應用分析

MLAT系統的數據中包含飛機的編號等識別信息，定位數據精度高。MLAT系統兼容功能強大，可以兼容任何機載應答機，與ADS-B系統兼容。MLAT系統抗干擾能力強，同一時間能夠監視超過五百個跟蹤目標。此外，MLAT系統對應的軟件能夠對飛機及場面車輛進行動態監測和控制，具有價格低、安裝方便等特點。

我國首套MLAT系統于2008年在首都機場投入使用，主要包括地面中心站和遠端基站，遠端基站包括接收機、發射機和參考應答機，定位精度不大于五米，主要對機場場面的車輛和飛機進行監控，并對飛機的進近階段實行高精度監控。

場面監視中，環境受限或能見度低的情況下，管制員可以根據MLAT系統準確地判斷出飛機和車輛的位置，并向管制員發出跑道上潛在危險的信號。與傳統二次雷達系統相比，MLAT系統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，為管制員提供無縫的界面和監視數據，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系統將飛機和車輛的連續識別信息提供給管制員。可靠的信息、完整的標識系統使得管制員可以更準確地判斷飛機的情況，不僅提高了安全性也提高了效率，使得機場的吞吐量有所增加。同時，MLAT技術在廣域、進近監視、RVSM監視中也有所研究應用。

MLAT系統利用現有機載標準應答機，無須加裝其他機載導航設備即完成定位監視;高數據更新率（每秒1次，而二次雷達至少4秒1次），幾乎是二次雷達的5倍，如果需要的話這個速率還能增加;接收站點配置靈活，系統監視覆蓋范圍適應性強，MLAT系統能夠適用各種環境，能夠實現對低海拔區域復雜環境的覆蓋;獨立測量飛機高度;系統成本低（與現有的SSR雷達系統相比較，其投資成本不到1/3），最小安裝需求;具有目標標識能力，采用無源接收定位方式，對其他系統干擾小。同時，MLAT系統能夠與使用標準協議和通信設備的各種系統連接，并能夠處理飛行計劃系統（FPS）數據，送至塔臺顯示、A-SMG CS、TIS-B服務器、交通管理單元、航線運行、機場運行的數據和送至用戶支持中心監視系統的數據。隨著技術的逐漸成熟，MLAT技術在廣域監視、進近和場面監視中的應用也會越來越多。