CN101706569A - 多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置，其中方法包括：采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据；根据所述建筑物的坐标数据获取有效评估区域；根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。装置包括采集模块、评估区域获取模块和评估计算模块。本发明实施例实现了在非视距严重的情况下对多点定位系统的覆盖精度的有效评估，使得用户可以获取到各个远端接收站的安置几何分布对多点定位系统的精度的影响，可以对多点定位系统的接收机几何布站进行指导。

Description

多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及航空监视技术领域，尤其涉及一种多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置。

背景技术

在大型枢纽机场中建设的场面监视雷达为一种一次雷达，其依靠对移动目标的雷达回波探测来计算目标的位置，其无法直接确定飞机代码。由于多径效应和地物反射产生的假目标较多，地形和障碍物的阻挡导致机场部分关键区域无法实现雷达覆盖；同时随着机场的扩建，出现大面积的雷达覆盖盲区；恶劣天气环境也会导致雷达信号的严重衰减，大大降低其可用性，而恶劣天气环境时最需要场面监视雷达来保障机场运行的安全。另外，在一些地形相对复杂的区域，雷达设备对场地、供电要求很高，因此投资规模巨大，而且这些区域的机场终端区中大部分区域不在雷达范围之内。因此，为了在节省投资的同时有效提高飞机在场面和终端区的安全性，多点定位技术作为一种新的监视手段应运而生。

目前，基于多点定位技术的机场场面雷达系统通常为时差定位体制下的分布式二次场监系统，通过系统自主发射或利用机场固有的二次雷达辐射询问信号，飞机的机载应答机在接收到询问信号后回复应答信号，应答信号被系统中空间分布的多接收站接收，处理中心通过比较应答信号到达各接收站的时间差来精确定位目标的位置。通过多站接收方式来确定飞机的位置的定位方法使得多点定位系统的精度受到各个远端接收站的安置几何分布的影响。而现有技术中的多点时差定位分析主要集中在4～5个接收站的布站分析，且这些分析均基于理论视距情况下进行，另外，由于机场场面多径效应和地物反射电磁波的现象严重，这种地形和障碍物的阻挡导致机场部分接收机无法接收信号。然而现有技术中尚不存在这种非视距严重情况下的多点定位系统的覆盖精度评估方法。

发明内容

本发明实施例提供一种多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置，实现在非视距严重的情况下对多点定位系统的覆盖精度的有效评估，可以对多点定位系统的接收机几何布站进行指导，可以有效提高多点定位系统对目标位置定位时的可靠性。

本发明实施例提供一种多点定位系统的覆盖精度评估方法，包括：

采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据；

根据所述建筑物的坐标数据获取有效评估区域；

根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

本发明实施例提供一种多点定位系统的覆盖精度评估装置，包括：

采集模块，用于采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据；

评估区域获取模块，用于根据所述建筑物的坐标数据获取有效评估区域；

评估计算模块，用于根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

本发明实施例的多点定位系统的覆盖精度评估方法和装置，通过采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据，根据建筑物的位置确定有效评估区域，并根据接收机的坐标数据和有效评估区域计算评估点的覆盖精度，本实施例实现了在非视距严重的情况下对多点定位系统的覆盖精度的有效评估，使得用户可以获取到各个远端接收站的安置几何分布对多点定位系统的精度的影响，可以对多点定位系统的接收机几何布站进行指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例的流程图；

图2为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中建筑物的闭合曲线一的示意图；

图3为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中建筑物的闭合曲线二的示意图；

图4为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系示意图；

图5为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系的软件实现的具体流程图；

图6为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系时判断交点个数的软件实现的具体流程图；

图7为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断接收机在视距范围内的软件实现的具体流程图；

图8为本发明多点定位系统的覆盖精度评估装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

多点定位系统技术为与传统一次场面监视雷达不同的一种重要手段，其最初是为军方设计的，以获得进入视线的友军目标的更多信息，并进行定位导航。自八十年代以来，该技术在世界航空业界受到广泛的关注，包括联邦航空局(Federal Aviation Administration；以下简称：FAA)和欧洲航行安全组织(European Organisation for the Safety of Air Navigation；以下简称：EUROCONTROL)均已经开始了相关的研究和部署。从1988年开始，美国FAA在其机场场面检测设备项目(Airport Surface Detection Equipment ModeX；以下简称：ASDE-X)中，开展了相关技术的工程性研究，欧洲也于2003年成立了专门的多点定位工作组(Multi-Lateration Task Force；以下简称：MLTF)，研究多点定位系统(Multilateration；以下简称：MLAT)监视技术的应用架构、监视标准、安全互用及有效性验证，并致力于标准化的研究。

通过多站接收方式来确定航空器或其他运动目标的位置的定位方法决定了多点定位系统的精度受到各个远端站安置几何分布的影响，这是分布式定位系统特有的现象，即几何精度稀释(Geometric Dilution of Precision；以下简称：GDOP)问题。GDOP分析早在上世纪六七十年代就已经应用于卫星定位系统的定位精度分析中，利用其分析结果可以辅助卫星星座进行布局优化布置。各个远端站几何分布方式对系统监视覆盖以及定位精度都有直接的影响。因此，结合地理信息系统(Geography Information System；以下简称：GIS)比较各种远端站几何布局方式，开展基于GDOP、视距(Line of Sight；以下简称：LOS)和机场GIS建模相结合的覆盖精度分析方法成为一种必然。本实施例即针对上述问题进行建模，提出一种有效的多点定位系统的覆盖精度评估方法。

图1为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例的流程图，如图1所示，本实施例提供了一种多点定位系统的覆盖精度评估方法，可以包括如下步骤：

步骤101，采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据。

在进行精度评估之前，先通过建模以获取机场地形数据和接收机坐标数据。本步骤通过采集获取机场地面的多个建筑物的坐标数据，并根据获取到的各个建筑物的坐标数据分别绘制不同建筑物的闭合曲线，本实施例中以建筑物顶面各边缘点坐标作为建筑物的坐标数据。图2和图3所示分别为本实施例中两种建筑物的闭合曲线的示意图，图2代表的建筑物顶面的投影为三角形，图3代表的建筑物顶面的投影为五边形，本实施例只是以图2和图3为例进行说明机场某个区域中建筑物的情况，当然还包括其他形状的建筑物顶面，如矩形、六边形等，其坐标数据的表示方法与三角形和五边形的类似，此处不再赘述。以矩阵X_obj ^k表示机场地面中第k个建筑物的边缘点的本地卡笛尔坐标集合，X_obj ^k(i)表示矩阵X_obj ^k中的第i行，即机场地面中第k个建筑物的第i个边缘点的本地卡笛尔坐标。如图2和图3所示，X_obj ^k和X_obj ^h分别表示第k个和第h个建筑物，X_obj ^k(i)，i＝1，2，3为第k个建筑物的本地卡笛尔坐标值所组成的行向量，X_obj ^h(j)，j＝1，2，3，4，5为第h个建筑物的本地卡笛尔坐标值所组成的行向量。本步骤还通过采集获取用户输入的本地接收机的坐标数据，以矩阵

来表示接收机的本地卡笛尔坐标集合，其中，列向量

(k)为第k个接收机的本地卡笛尔坐标。本实施例中为了更准确地获得覆盖精度的评估结果，最好设置四个以上的接收机，即接收机的数量M≥4。

步骤102，根据建筑物的坐标数据获取有效评估区域。

在获取到建筑物的坐标数据和预评估区域后，根据这些数据来获取有效评估区域。预评估区域可以为用户确定的区域，根据用户给定的评估范围(x′，y′)-(x″，y″)来确定预评估区域，即预评估区域为以坐标点(x′，y′)为左下角，以坐标点(x″，y″)为右上角的矩形区域。在采集到机场地面中建筑物的坐标数据后，在预评估区域中，大量的评估点位于建筑物覆盖的区域中，为无效评估点，无需进行评估，其中无效评估点位于建筑物覆盖的区域中。

具体地，本步骤102可以具体包括如下步骤：首先，判断评估区域中每个评估点是否位于建筑物覆盖的区域中，并获取有效评估点，其中有效评估点未位于建筑物覆盖的区域中.对从评估区域中选择的所有评估点分别进行判断，判断每个评估点是否位于机场地面中各个建筑物覆盖的区域，即针对每个评估点，依次判断该评估点是否位于各个建筑物覆盖的区域，并通过判断获取有效评估点，其中有效评估点为未位于建筑物覆盖的区域中的评估点.当评估点未位于所有建筑物覆盖的区域中时，才判断该评估点为有效评估点，则需要对该有效评估点的覆盖精度进行评估.其中，有效评估点组成的评估区域为有效评估区域.当评估点位于一个建筑物覆盖的区域中，则该评估点不是有效评估点，此时，表明该评估点不可能出现需要定位的目标，无需对该评估点进行覆盖精度评估，可以将位于建筑物覆盖区域中的评估点的覆盖精度，即GDOP值设为NaN.

具体地，上述判断评估区域中每个评估点是否位于建筑物覆盖的区域中的过程可以具体包括：根据从评估区域中每个评估点发出的射线与建筑物的坐标数据形成的闭合曲线的交点个数，判断评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中。具体参见图4，图4为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系示意图，图中的X_T、X_T′代表评估点所在位置，X_obj ^k代表第k个建筑物的边缘点点集构成的闭合曲线。当从评估点发出的射线与闭合曲线的交点个数为奇数时，判断评估点位于建筑物覆盖的区域中，图4中的评估点X_T′发出的射线与建筑物的闭合曲线的交点个数为1，则评估点X_T′位于建筑物覆盖的区域中。当从评估点发出的射线与闭合曲线的交点个数为偶数时，判断评估点未位于建筑物覆盖的区域中，图4中的评估点X_T发出的射线与建筑物的闭合曲线的交点个数为2，则评估点X_T未位于建筑物覆盖的区域中。

如图5所示为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系的软件实现的具体流程图，先获取评估区域(x′，y′)-(x″，y″)中的待评估点(x₀，y₀)，并绘制从该评估点(x₀，y₀)发出的射线y＝y₀(x＞x₀)；同时，根据采集到的用户输入的建筑物坐标X_obj，遍历X_obj中的每个建筑物X_obj ^k，即对每个建筑物X_obj ^k均进行后续的判断分析；根据该射线y＝y₀(x＞x₀)和建筑物的闭合曲线X_obj ^k，获取两者相交时交点的个数Num；当判断Num为奇数时，表明该评估点(x₀，y₀)在建筑物X_obj ^k内，否则继续对下一个建筑物进行判断，直到遍历完X_obj中的所有建筑物，如果(x₀，y₀)不在所有建筑物内，则表明该评估点(x₀，y₀)不在建筑物X_obj ^k内。

如图6所示为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断评估点与建筑物的位置关系时判断交点个数的软件实现的具体流程图，先采集建筑物的闭合曲线X_obj ^k以及该建筑物的顶点个数P，通过遍历该建筑物的顶点，以顺次获取到X_obj ^k(i)与X_obj ^k(i+1)所形成的线段方程D(i)，其中，i＝1，2...P；通过依次判断线段D(i)与射线y＝y₀(x＞x₀)相交情况，来统计交点个数，如果相交，则执行步骤Num++；在遍历完成该建筑物中所有顶点之后，判断Num是否为偶数，如果是，则评估点(x₀，y₀)在建筑物X_obj ^k外，否则该评估点(x₀，y₀)在建筑物X_obj ^k内。需要指出的是，这个步骤采用的二维建筑物坐标数据，即建筑物的垂直投影坐标。

步骤103，根据接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

在获取到有效评估区域后，针对有效评估区域内每个评估点，根据步骤101中获取的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据获取有效评估点的可视化接收机组合.即，可确定在评估点，机场地面放置的接收机是否位于视距范围内，其中，可视化接收机为有效接收机.具体的，本步骤103可以具体包括如下步骤：首先，判断接收机是否位于有效评估点的视距范围(LOS)内，并获取有效接收机，其中，有效接收机位于视距范围内.经过判断获取到有效评估点之后，该有效评估点不在建筑物内，则对该有效评估点的覆盖精度进行评估计算.具体地，先通过判断获取该有效评估点的视距范围内的有效接收机，当某个接收机位于该视距范围内时，表明该接收机未被障碍物等遮挡，可以接收到被监视目标从该有效评估点发送的信号，则该接收机为有效接收机，以矩阵X_ar来表示在视距范围内的接收机的本地卡笛尔坐标集合，其中，列向量X_ar(k)表示在视距范围内的第k个接收机的本地卡笛尔坐标。当某个接收机位于视距范围之外，即位于非视距范围(Non-Line of Sight；以下简称：NLOS)之内时，表明该接收机不能接收到被监视目标从该有效评估点发送的信号，则该接收机不是有效接收机，将其从X_ar中排除掉。具体地，通过判断连接有效评估点的位置与接收机的位置的线段与建筑物的闭合曲线是否有交点，如果该线段与建筑区的闭合曲线有交点，则表明该接收机在该有效评估点的视距范围之内，该接收机为有效接收机，否则该接收机在该有效评估点的非视距范围之内。具体参见图7，如图7所示为本发明多点定位系统的覆盖精度评估方法实施例中判断接收机在视距范围内的软件实现的具体流程图，通过图7所示的流程来确定某个接收机是否在视距范围内。流程具体为：先获取评估区域(x′，y′)-(x″，y″)中的待评估点X_T，同时采集接收机的位置数据X_r(j)，以获取到线段X_r(j)-X_T；采集用户输入的建筑物坐标X_obj以及建筑物的个数，采集每个建筑物的坐标X_obj ^k，以顺次获取到X_obj ^k(i)与X_obj ^k(i+1)所形成的线段方程D(i)；判断线段X_r(j)-X_T与D(i)是否相交，如果是，则接收机X_r(j)不在视距范围内。需要指出的是，此处所指的坐标数据为三维坐标数据。

其次，根据建筑物的坐标数据有效接收机的坐标数据计算有效评估点的覆盖精度。在获取到视距范围内的有效接收机之后，根据建筑物的坐标数据和有效接收机的坐标数据计算有效评估点的覆盖精度，具体可以采用如下公式(1)来计算评估点X_T的覆盖精度GDOP值：

$\mathrm{GDOP}\left(X_T\right)=\sqrt{\mathrm{trace}{\left(G^T\mathrm{\ΣG}\right)}^{-1}}---\left(1\right)$

其中，

为全1的列向量，d_i＝||X_T-X_ar(i)||，列向量X_T为评估点的本地二维笛卡尔坐标，N为有效接收机的数量，X_ar(i)为第i个有效接收机的二维笛卡尔坐标。在计算获得每个有效评估点的覆盖精度之后，可以根据计算结果绘制每个有效评估点的GDOP值的评估图。

本实施例提供了一种多点定位系统的覆盖精度评估方法，通过采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据，根据所述建筑物的坐标数据确定有效评估区域，并根据接收机的坐标数据和有效评估区域计算每个评估点的覆盖精度，本实施例实现了在非视距严重的情况下对多点定位系统的覆盖精度的有效评估，使得用户可以获取到各个远端接收站的安置几何分布对多点定位系统的精度的影响，可以对多点定位系统的接收机几何布站进行指导.

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

图8为本发明多点定位系统的覆盖精度评估装置实施例的结构示意图，如图8所示，本实施例提供了一种多点定位系统的覆盖精度评估装置，可以包括采集模块1、评估区域获取模块2和评估计算模块3。其中，采集模块1用于采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据。评估区域获取模块2用于根据采集模块获取到的建筑物的坐标数据确定有效评估区域。评估计算模块3用于根据采集模块1获取到的所述接收机的坐标数据和评估区域获取模块2获取到的有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

具体地，评估区域获取模块2包括第一判断单元21和评估区域获取单元22。其中，第一判断单元21用于判断评估区域中每个评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中，并获取有效评估点，所述有效评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中。评估区域获取单元22用于根据第一判断单元21的判断结果获取有效评估区域，所述有效评估区域为所述有效评估点组成的评估区域。

具体地，评估计算模块3可以包括第二判断单元31和评估单元32。其中，第二判断单元31用于判断所述接收机是否位于所述有效评估点的视距范围内，并获取有效接收机，所述有效接收机位于视距范围内。评估单元32用于根据采集模块1获取到的所述建筑物的坐标数据和第二判断单元31获取到的所述有效接收机的坐标数据计算第一判断单元21获取到的有效评估点的覆盖精度。

进一步地，第一判断单元21可以包括判断子单元211和判断结果获取子单元212。其中，判断子单元211用于根据从评估区域中每个评估点发出的射线与所述建筑物的坐标数据形成的闭合曲线的交点个数判断所述评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中。判断结果获取子单元212用于当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为奇数时，判断所述评估点位于所述建筑物覆盖的区域中；以及当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为偶数时，判断所述评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中。

本实施例提供了一种多点定位系统的覆盖精度评估装置，通过设置采集模块、评估区域获取模块和评估计算模块，通过采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据，并根据接收机的坐标数据和有效评估区域计算每个评估点的覆盖精度，本实施例实现了在非视距严重的情况下对多点定位系统的覆盖精度的有效评估，使得用户可以获取到各个远端接收站的安置几何分布对多点定位系统的精度的影响，可以对多点定位系统的接收机几何布站进行指导。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围.

Claims (8)

1.一种多点定位系统的覆盖精度评估方法，其特征在于，包括：

采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据；

根据所述建筑物的坐标数据确定有效评估区域；

根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述建筑物的坐标数据确定有效评估区域包括：

判断评估区域中每个评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中，获取有效评估点，所述有效评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中，所述有效评估点组成的评估区域为有效评估区域。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度包括：

判断所述接收机是否位于所述有效评估点的视距范围内，并获取有效接收机，所述有效接收机位于视距范围内；

根据所述建筑物的坐标数据和所述有效接收机的坐标数据计算所述有效评估点的覆盖精度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断评估区域中每个评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中包括：

根据从评估区域中每个评估点发出的射线与所述建筑物的坐标数据形成的闭合曲线的交点个数判断所述评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中；

当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为奇数时，判断所述评估点位于所述建筑物覆盖的区域中；

当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为偶数时，判断所述评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中。

5.一种多点定位系统的覆盖精度评估装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集机场地面的建筑物的坐标数据和接收机的坐标数据；

评估区域获取模块，用于根据所述建筑物的坐标数据确定有效评估区域；

评估计算模块，用于根据所述接收机的坐标数据和所述有效评估区域计算评估点的覆盖精度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述评估区域获取模块包括：

第一判断单元，用于判断评估区域中每个评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中，并获取有效评估点，所述有效评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中；

评估区域获取单元，用于根据所述第一判断单元的判断结果获取有效评估区域，所述有效评估区域为所述有效评估点组成的评估区域。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估计算模块包括：

第二判断单元，用于判断所述接收机是否位于所述有效评估点的视距范围内，并获取有效接收机，所述有效接收机位于视距范围内；

评估单元，用于根据所述采集模块获取到的所述建筑物的坐标数据和所述第二判断单元获取到的所述有效接收机的坐标数据计算所述第一判断单元获取到的所述有效评估点的覆盖精度。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一判断单元包括：

判断子单元，用于根据从评估区域中每个评估点发出的射线与所述建筑物的坐标数据形成的闭合曲线的交点个数判断所述评估点是否位于所述建筑物覆盖的区域中；

判断结果获取子单元，用于当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为奇数时，判断所述评估点位于所述建筑物覆盖的区域中；当从所述评估点发出的射线与所述闭合曲线的交点个数为偶数时，判断所述评估点未位于所述建筑物覆盖的区域中。

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