基于北斗的高精度MLAT系統設計

王小瓊

（1.安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥 230031；2.北斗衛星導航技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

0 引言

MLAT[1]（（muhilaterati，多點相關定位）作為一種成本低、容錯性好的技術手段，在機場監控中起到了重要的作用，在不需要添加額外機載設備的條件下，通過多個站點同時對飛機應答數據的綜合處理，即可計算出飛機的位置。同時，由于飛機應答數據中帶有飛機標志，解決了場面一次雷達固有的無法識別目標標志的問題。

1 MLAT定位原理

多點相關定位（MLAT）系統采用到達時間差位技術，即通過測試目標（飛機）發射信號到達多個基站的時間差參數來確定目標（飛機）三維位置與身份的一種獨立協同式監視技術。該技術通過在地面布置多個遠端接收站，采用多點接收方式，接收監視區域內的機載二次雷達應答信號，然后進行解碼發送至中心處理站，經過計算即可確定目標（飛機）的位置坐標。

MLAT定位是基于場面周邊的多個接收站，同時接收飛機發送的應答信號，由于各接收站的站點位置不同，在各點間產生了接收時間差。依據該原理，可以通過不在同一平面的4個站點確定一架飛機進行三維信息（x，y，z）：

式中，x為飛機的經度；y為飛機的緯度；z為飛機的高程；c為光速；tm為m站收到應答的時間；tn為n站收到應答的時間；xm為m站的經度；ym為m站緯度；zm為m站高程。

由上面方程可知，飛機三維數據的精度依賴于站點位置及時間精度。時間同步方式主要采用以下三種：

（1）基于參考應答機的時間同步。各站點接收來自參考站點廣播的參考信號，通過解算各站點接收到參考信號時刻的差異，實現各站點的時間同步。

（2）基于GNSS共視方式同步。各站點接收GNSS時間數據，各站測算出TOA數據并加上時間戳后發送到中心站，中心站綜合計算TDOA，從而實現各站之間的時間同步。

（3）基于原子鐘的同步方式。中心站點由高精度原子鐘獲得中心時間信號，并通過NTP協議發布時間服務，各站通過局域網獲取中心的時間信息從而實現系統時間同步。

以上幾種時間同步方式由于電纜時延、接收天線時延、電離層干擾、傳播路徑延遲、復雜電磁環境干擾、原子鐘抖動等因素，均存在較大的時間同步誤差。同時，在目前的MLAT系統中，站點的位置由建站時確定，作為固定值參與計算，而實際環境中，由于地質、飛行震動等條件的影響，站點的位置會存在小范圍動態改變，不考慮站點位置變化因素，也會為飛機最終定位結果帶來誤差。

北斗衛星定位導航系統是我國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，是全球四大衛星定位導航系統之一，可提供定位、授時、導航、通信服務。當前民航的時間基準基本上都依賴GPS，而GPS時間受制于政治因素，時間系統的安全性缺乏保障；另一方面，隨著我國北斗三號完成組網[2]，服務性能將會大幅提升，各項技術指標將大幅優于GPS。并且，當前MLAT系統很少考慮站點的位置精度，而北斗具備同時提供高精度定位[3]與授時服務[4]的能力。本文將提出一種基于北斗高精度定位與授時的MLAT系統方案。

2 系統設計

系統組成如圖1所示，在中心站部署北斗高精度授時終端，通過北斗衛星的授時信號獲取高精度的時間基準，并提供1PPS、NTP、串口等多種授時方式，實現各遠端站與中心站的高精度時間同步。各遠端站在接收飛機應答信號時，以高精度時間基準進行TOA數據解算同時將該數據發送至中心站。部署與中心站的高精度位置處理服務器通過接收個站點的衛星定位數據，可實時獲取各遠端站的高精度位置信息，TDOA處理服務器綜合各站點高精度位置及TOA數據來綜合計算TDOA，從而實現飛機的高精度定位功能。

圖1 系統組成

2.1 北斗高精度授時

在中心站部署北斗高精度授時終端，本終端可同時接收北斗和GPS衛星信號，實現北斗衛星和GPS雙系統冗余備份，提供長期時標信息，進行同步并對外授時；也可以使用外部輸入源（包括IRIG-B（DC）和網絡授時）為時間基準進行同步并對外授時。

（1）模塊化設計：北斗高精度授時終端采用靈活插卡式，插入北斗、GPS時鐘板，作為主時鐘系統應用；插入B碼輸入板或網絡板等可作為擴展時鐘應用。

（2）高精度守時：在衛星源和外部鐘源都不可用時，由系統授時模塊在一定時間段內穩定地提供高精度時間信息。

（3）輸入源冗余備份，無損切換：北斗和GPS衛星源之間或衛星源和外部輸入源之間可以自動切換；輸入兩路B碼時間信息實現雙系統冗余備份提供時標信息。兩路B碼時間信息可自動切換，并在切換時實現無損切換。

圖2為北斗高精度授時終端的模塊組成。圖中，北斗高精度授時終端可提供多種形式的高精度時間輸出方式，其中1PPS的授時精度為50 ns，NTP授時精度為10 ms，串口授時精度為1μs。可靈活地為各遠端站提供高精度時間基準數據。

圖2 北斗高精度授時終端模塊組成

2.2 北斗高精度定位

北斗高精度授時系統站點按照功能分為基準站和監測站兩種，基準站作為整個高精度定位系統的基準，配備高精度北斗接收機，監測站部署于各遠端站。中心站采集基準站和監測站定時發送的定位數據，采用雙差解算模式將原始觀測值（包括衛星號、載波相位、載波相位差、偽距、偽距標準差等）與北斗衛星星歷，獲取精確的監測點相對于基準點的形變量，從而可以實時獲取精確的遠端站的地理位置數據，位置的水平垂直精度均可達到毫米級。

3 結束語

MLAT作為一種重要場面監視技術，其定位的精確度對場面車輛和飛行區的管理和監測會產生重要影響。為了確保地面安全和維持飛行秩序，更高效、更精確的定位技術需要應用于MLAT系統中。并且，隨著北斗地基增強系統的不斷完善，基于北斗的MLAT高精度系統將實現在航路、終端區域的應用，可有效提升空中交通管理能力以及空中運輸服務能力。