多點定位系統(tǒng)時鐘同步機制的應用

王興林

（中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局云南分局，云南 昆明 650000）

隨著機場容量增加和民航安全性問題日益突出，傳統(tǒng)的場面和空中監(jiān)視技術(shù)如二次雷達、場面監(jiān)視雷達和一次雷達等技術(shù)已經(jīng)難以符合監(jiān)視的容量和精度要求。基于TDOA的雙曲線定位技術(shù)定位精度較高，因此大量應用于民用領域中，逐漸成為國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）推薦的監(jiān)視技術(shù)，并制定相應的技術(shù)標準。因為飛機與各地面多點接收站的距離不同，所以飛機發(fā)送的應答信號到達各地面接收站的時間（Time of Arrival，TOA）也不同，多點定位系統(tǒng)根據(jù)計算到達時間的差值（Time Difference of Arrival，TDOA），解算后可以確定飛機的位置。因此TDOA時間差是系統(tǒng)的關(guān)鍵指標，時鐘同步技術(shù)關(guān)系到多點定位系統(tǒng)的目標定位的精準度。多點定位系統(tǒng)通常采用分布式時鐘同步，每個遠端接收站都有自己的GPS時鐘，接收到飛機發(fā)出的信號后，為該信號打上時標，送到中心站處理，由中心站計算到達時間差后可以確定目標的位置[1-2]。昆明長水國際機場采用的多點定位系統(tǒng)是成都民航空管科技發(fā)展有限公司MPS-I型，基于TDOA技術(shù)，采用分布式GNSS共視同步技術(shù)的多點定位系統(tǒng)。

1 時鐘同步機制

多點定位系統(tǒng)的時鐘同步技術(shù)主要有3類，集中式時鐘系統(tǒng)、分布式時鐘系統(tǒng)和參考應答校正系統(tǒng)，分布式時鐘系統(tǒng)包括標準GNSS同步和GNSS共視同步[3-4]。

1.1 集中式時鐘同步技術(shù)

在中心站同一時鐘條件下提取站點TOA，無須考慮多個時鐘不同步問題。所有接收站點與中心站間要有專用的通信網(wǎng)絡且保證傳輸延時穩(wěn)定可靠，對鏈路要求較高，其同步精度易受傳輸延時波動影響。集中式時鐘同步的技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 集中式時鐘同步技術(shù)原理框圖

基于集中式時鐘同步技術(shù)的時鐘提取以及TDOA的計算如公式（1）所示。

式中：TDOAij為飛機應答信號至i、j號接收站的到達時間差；（τi-τj）為檢測處理延時差。

1.2 參考應答校正同步技術(shù)

須在精確位置向監(jiān)視區(qū)域發(fā)射信號，要求參考發(fā)射位置與各遠端接收站點間保持LOS（視距）條件。該同步技術(shù)是高精度場面多點定位系統(tǒng)的必備組成部分，可以校正各站點緩慢延時變化，但增加了系統(tǒng)復雜度。參考應答校正同步的技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 參考應答校正同步技術(shù)原理框圖

基于參考應答校正同步技術(shù)的時鐘提取以及TDOA的計算如公式（2）所示。

式中：（TDOAij）ref為參考發(fā)射機的信號至i、j號接收站的到達時間差；（τi-τj）為檢測處理延時差，如公式（3）所示。

1.3 分布式時鐘同步技術(shù)

在各接收站點附近提取各站點TOA，需要解決不同站點位置本地時鐘同步問題。各遠端接收站只須將提取的TOA信息完整傳輸至中心站，其對通信要求較低，TOA精度不會受通信條件影響。分布式時鐘同步的技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 分布式時鐘同步技術(shù)原理框圖

基于分布式時鐘同步技術(shù)的時鐘提取以及TDOA，計算如公式（4）所示。

式中：TDOAij為飛機應答信號至i、j號接收站的到達時間差；（δi-δj）為站點不同步時鐘差；（τi-τj）為信號檢測處理延時差。

根據(jù)多點定位系統(tǒng)遠端站的范圍以及使用的GNSS衛(wèi)星是否為同一星座，分布式時鐘同步技術(shù)可以分為標準GNSS同步技術(shù)和GNSS共視同步技術(shù)。標準GNSS同步技術(shù)默認不同的星座時鐘一致，系統(tǒng)時鐘同步精度較低。GNSS共視同步技術(shù)使用同一星座，雖然系統(tǒng)復雜度更高，但是可達到納秒級同步精度[5-6]。

2 多點時標信號的處理

MPS-I型多點定位系統(tǒng)采用分布式時鐘同步技術(shù)中的GNSS共視同步技術(shù)，多點時標信號的處理流程如圖4所示。該流程主要包括多點遠端接收站時標信號處理和中心站時標信號提取結(jié)算。

圖4 多點時標信號的處理流程

遠端接收機的主要模塊包括時鐘卡、RF信號接收機、信號處理卡、主控卡和監(jiān)控卡。時鐘卡上的高穩(wěn)晶體振蕩器提供10MHz的高穩(wěn)定度的基準頻率信號，使用運放改善晶振的驅(qū)動能力，根據(jù)整形和倍頻電路，最終得到一路10MHz正弦信號，三路20MHz方波信號。時間標注機制則分為大、小時標機制，其中秒以上大時標通過SP信號處理卡內(nèi)GPS模塊的FPGA（可編程邏輯器件）產(chǎn)生UTC（協(xié)調(diào)世界時）時間進行標注，納秒級精度小時標是通過GPS模塊接收到的PPS秒脈沖控制時鐘卡給SP信號處理卡的20MHz方波，通過計數(shù)進行標注。

中心處理站接收遠端接收站發(fā)送的報文，并對報文進行解碼，提取關(guān)鍵信息，將不同遠端站收到同一目標的相關(guān)信息組合，去除部分虛假目標，用所有得到的TDOA等信息定位和識別目標，判讀結(jié)算的目標信息是否滿足GDOP（幾何精度因子）設備的條件，決定是否輸出目標信息，以保證定位目標的準確性。

3 存在的問題及解決方案

3.1 存在的問題

地面站GPS鎖定后，多點定位系統(tǒng)采用分布式時鐘同步技術(shù)，能為接收信號打上納秒級的時標，后端根據(jù)多站高精度的時差對目標進行解算。一旦GPS干擾，地面站在鎖定模式不能工作，地面站的時間有偏差（時間無法達到固定的精度，即視為無效時標），后端不能通過時標進行定位解算，多點系統(tǒng)無信號輸出。因此，大面積GPS干擾會使該型系統(tǒng)的功能失效，出現(xiàn)掉目標甚至是無目標顯示的情況，只能等干擾結(jié)束系統(tǒng)自動恢復，給空中交通管制帶來很大的安全隱患。

3.2 解決方案

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，因其服務質(zhì)量高，所以已經(jīng)廣泛用于國內(nèi)各領域。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)能提供高精度和高可靠性的授時服務[7-8]。為解決MPS-I型多點定位系統(tǒng)在受到GPS大面積干擾時系統(tǒng)功能失效的難題，引入北斗授時，采用雙模授時（GPS+北斗）方式，當某種模式信號受到干擾時，授時模塊會自動切換，地面站始終保持高精度時鐘狀態(tài)工作，可以為收到的信息打上高精度時標，多點定位系統(tǒng)根據(jù)時標信息可計算目標位置。實現(xiàn)方式為升級多點定位系統(tǒng)遠端接收站SP信號處理卡內(nèi)的GPS模塊，將SP信號處理卡內(nèi)的GPS授時模塊整體置換為“北斗+GPS雙模”授時模塊。同時升級地面站RU軟件程序，在BD/GPS模塊升級的過程中考慮兼容現(xiàn)有GPS模塊TOD數(shù)據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)和長度，保證協(xié)議的兼容性。

4 結(jié)論與建議

該文深入分析多點定位系統(tǒng)不同的時鐘同步技術(shù)，并對比不同時鐘同步技術(shù)的實現(xiàn)方式和優(yōu)缺點，對單GPS授時工作模式下的多點定位系統(tǒng)在大面積GPS干擾時，容易出現(xiàn)系統(tǒng)失效的問題原因進行分析，并提出相應的解決方案。

建議如下：多點定位系統(tǒng)是高度依賴時鐘準確性的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)設計時需要考慮時鐘的冗余備份，合理地設計時鐘的同步機制和授時硬件模塊。對現(xiàn)在投入使用的系統(tǒng)，升級硬件并采用“北斗+GPS”的雙模授時方式解決問題[9]。另外，加強系統(tǒng)的監(jiān)控和抗干擾容錯能力，制定完善的應急預案，確保空中交通管制安全運行。