CN102023290A

CN102023290A - 高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统

Info

Publication number: CN102023290A
Application number: CN 201010531363
Authority: CN
Inventors: 刘昌忠; 黄忠涛; 徐自励; 何东林
Original assignee: Second Research Institute of CAAC
Current assignee: Second Research Institute of CAAC
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN102023290B

Abstract

本发明公开了一种高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，该系统由多点定位远端站中的TOA检测模块和多点定位中心处理站中的目标TOA计算模块构成；本系统采用GPS共视技术和参考应答机同步误差校正结合的方法，以对系统时间同步信号处理通道和目标信号处理通道时延误差同时进行校正，并使用了多种滤波及跟踪算法，对TOA测量误差和TDOA测量误差进行实时修正。弥补了单一方式的不足，实现了高精度的分布式脉冲信号到达时间差检测，从而降低目标定位误差，提高了多点定位系统的整体性能。

Description

高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统

技术领域

本发明涉及一种民用航空领域多点定位监视系统脉冲信号检测系统。

背景技术

民用航空交通运输过程中需对飞行器的位置进行实时监控，目前大量使用的监视设备为航管一二次雷达。传统雷达的监视精度可以满足空中飞行器监视精度的要求。而对于机场场面，航管雷达监视精度无法达到<7.5米的要求，因此需要使用新的监视设备。

民用航空多点定位监视系统属于基于时差定位的无源定位系统。该系统中有多个分布于不同地理位置的信号接收站。各接收站将测量机载航管二次雷达应答机发送的1090Mhz应答信号到达各站的时间（TOA）。之后，中心处理子系统将计算特定飞机的某次应答信号到达各接收站的时间差（TDOA）。最终，中心处理子系统将利用3个以上信号接收站间的TDOA，计算出飞行器的精确位置。

要使多点定位监视系统的定位精度达到<7.5米的精度，TDOA的检测需达到纳秒级的测量精度。各接收站点本地时钟频率的准确度及飘移特性存在差异，会对TDOA的检测精度造成较大影响，从而引入目标定位误差。

现有成熟技术中，可用于消减此种误差的方法有三种：

1) GPS授时钟

每个多点单位信号站均有一个GPS授时的时钟模块，用来提供单个接收站的时间频率基准。模块中的GPS授时子模块通过比对GPS时钟信号同本地时钟的频率差，通过压控等方式不断修正本地频率源的频率。最终，使各站的时钟信号均溯源到GPS时钟，从而达到消除时钟偏差的目的。

此类方法存在下列局限性：

GPS信号的传输会受到电离层和对流层干扰；信号接收站可跟踪到的GPS卫星在不断变化；接收站本地时钟的频率飘移非常缓慢。这些因素的存在要求GPS授时模块需通过大量数据积累才能对时钟的飘移特性进行准确估计。此外，对接收站本地时钟的压控调整是一个小步进的缓慢过程。因此GPS授时钟的时钟输出需要2小时左右的才能达到稳定。并且GPS授时钟一般成本较高。

2) 使用有线网络进行时间传递和比对

此类方法使用光纤在信号接收站及中心处理站之间建立有线连接，并进行站间时钟信号的比对和误差修正。

此类方法存在下列局限性：

在已投入使用的机场进行有线线缆的布设较为困难；

使用有线线缆进行时钟比对要求站间距离不能过大，对大范围空中目标的监视无法采用此种方法进行时钟同步。

3）集中式TOA检测

信号接收站仅进行信号接收，并将接收到的信号通过光纤直接转发到中心处理部分。中心处理部分使用单个频率基准作为时钟信号对多路信号进行检测和TOA标记。此方法中，各信号接收站只起到信号转发的作用，各站时钟之间无需同步。

此类方法存在下列局限性：

在已投入使用的机场进行有线线缆的布设较为困难；

发明内容

本专利中的高精度分布式脉冲信号时间到达差检测系统是民用航空多点定位监视系统的一个子系统。该系统由多点定位远端站中的TOA检测模块和多点定位中心处理站中的目标TOA计算模块构成，系统结构如图1所示。

系统中的TOA检测模块具有飞机应答信号TOA（信号到达远端站的时间）、参考应答机信号TOA检测、远端站频率基准偏差估计、信号TOA修正等功能。系统中的目标TDOA计算模块具有多站信号TOA配对、各远端站固定偏差估计、TDOA初值计算、TDOA修正等功能。多点定位系统中的每一个多点定位远端站都有一个TOA检测模块，目标TDOA计算模块包含在多点定位中心处理站中。

目标及参考应答TOA测量模块：

目标及参考应答TOA测量主要在多点定位远端站完成。主要功能是检测目标和参考应答脉冲信号，在成功检测到框架脉冲后，得到目标和参考应答信号的码元，并对脉冲信号进行TOA标记。利用各个远端站工作于GPS共视状态，修正各个远端站的时钟偏差。从而进行脉冲信号TOA修正。将目标和参考应答信号TOA和码元送至多点定位中央处理器作进一步处理。

参考应答机为放置于精确坐标固定位置的S模式信标机，定期发射1090MHZ MODE S信号，为系统中的一个特殊目标，也可以视其为另外一个共视时钟源。由于参考应答机的信号发射周期可以调节，因此可以利用其对每一秒钟内的本地时钟准确度进行校正。

多点定位远端站工作原理和功能详述如下：

1. GPS共视控制：

GPS共视是指参与共视的多点定位系统的各个远端站各设一台GPS时间接收机，并在同一时间观测同一颗卫星，实现各站之间的时间同步。

本系统采取GPS共视技术修正各个多点定位远端站时钟偏差。在实际系统工作中，通过差分定位等方式精确的测定各个远端站GPS接收机的三维位置，采用设计的控制算法，使各个远端站选取同一颗仰角大的共视卫星，使GPS接收机工作于位置保持状态，实现各站之间的时间同步。

2. GPS信号接收：

GPS接收机是进行GPS共视比对的主要设备。接收机天线接收卫星信号，OEM板对接收到的卫星信号进行解调、处理和测量，获取到星历、伪距观测值、原子钟参数等数据，输出代表卫星系统时间的秒脉冲信号，此信号与本地时钟的秒脉冲信号进行比对。

3.频率基准：

多点定位系统远端站的本地时钟为本系统的频率基准，一方面为目标及参考应答TOA测量提供高精度稳定的频率基准，另一方面作为时钟偏差估计的输入。

本地时钟为高稳双槽恒温晶体，它提供了10MHz的高稳定度的基准频率信号。晶体的稳定度受温度的影响较大，双槽恒温晶体将当前温度所对应的电压与其标称值通过热控放大器进行差动放大，之后驱动发热元件使槽内晶体温度总是保持在其高温拐点，从而消除了温度对晶体的干扰，保证了晶体的稳定度。本地时钟输出为10MHz的高稳定度方波。

4.时钟偏差估计：

卫星信号经过不同路径传输到不同站点的GPS接收机，GPS时钟信息是叠加了部分随机噪声的。因此采用滤波及跟踪算法估计时钟偏差。采用历史时刻的钟差估计值和当前时刻的钟差观测值，来估计当前时刻的GPS时钟与远端站时钟的钟差估计值。当前时刻以后的观测值不会对当前时刻的估计值产生任何影响，因而适合于实时的时钟偏差估计处理。本系统能够在各个远端站进入共视状态下，20秒内就能够达到稳定估计。

5.脉冲信号检测：

接收机首先对从天线接收到的1090Mhz高频信号进行限幅，以防止大输入信号对后续电路的损害。之后进行两极带通滤波和两极信号放大。经过一系列处理后，信号被送至混频器，进行下变频处理，信号频率降至中频（IF），再由中频放大器对中频信号举行放大和匹配滤波，以获得最大的输出信噪比。最后经过检波和视频放大，中频信号被解调为视频信号。视频脉冲信号将被提供给数字信号处理部分做后续处理。

6.脉冲信号TOA测量：

远端站先对模拟视频进行AD转换，然后对采集的数据进行缓存，并进行脉冲检测，再此基础上进行框架检测。

为了达到高精度的TOA测量，系统采用自适应匹配滤波获得脉冲延时，然后对保留中频载波的信号提取出中频脉冲，并采用DTFT的相位差分方法进行高精度的TOA测量。

7.脉冲信号TOA修正：

在时钟偏差估计和脉冲信号TOA测量值的基础上，实时对脉冲信号TOA进行修正。

目标TDOA计算模块：

目标TDOA计算模块主要在多点定位中央处理机完成。工作原理和功能详述如下：

目标TDOA计算模块通过接收各远端站的参考应答TOA和目标TOA，计算站点间TDOA并与理论TDOA比较后估计出同步误差，这里，解码系统产生的同步脉冲时延、目标信号接收处理时延以及参考应答机实际位置与设定位置的差异所产生的测试误差都统一为系统同步误差。利用参考应答机进行同步误差参考应答校正，可对此系统同步误差进行校正，提高目标的TDOA测量精度。

本系统优点：

本系统采用GPS共视技术和参考应答机同步误差校正结合的方法，以对系统时间同步信号处理通道和目标信号处理通道时延误差同时进行校正，并使用了多种滤波及跟踪算法，对TOA测量误差和TDOA测量误差进行实时修正。弥补了单一方式的不足。实现了高精度的分布式脉冲信号到达时间差检测，从而降低目标定位误差，提高了多点定位系统的整体性能。

1. 本系统和GPS同步方法比，GPS授时钟的时钟输出需要2小时左右的才能达到稳定。系统使用成本远低于原子钟的高稳双槽恒温晶体作为频率基准；各个远端站进入共视状态20秒后，时钟误差估计就能够达到稳定。

2. 本系统为分布式系统，远端站之间无需进行信号交互，中心站只接收远端站送出的TOA数据。且系统内的信号通信时延不会对TDOA精度造成影响。

3. 本系统采用GPS共视同步与参考应答机相结合的方法，对多点定位远端站系统的时钟的频率偏差和信号处理固定时延误差进行了有效的修正。TDOA测量精度可达到纳秒级别，为多点定位目标位置计算提供了精度保证。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是高精度分布式脉冲信号时间到达差检测系统结构示意图。

图2 TOA检测模块示意图；

图3是目标TDOA计算模块示意图。

图4是站间TDOA误差估计原理框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

参考应答配对和目标应答配对：

目标TDOA计算模块接收各个远端站传送来的数据，对这些数据进行预处理。提取出目标码元和TOA。对目标TDOA计算模块而言，参考应答只是个特殊的目标。其他处理流程和目标相同。

假设某一次目标到达两个远端接收机（1号和2号）的时间差TDOA为

，目标距两个远端接收机的距离分别为

和

，两个远端站之间的距离为

。该目标同一次信号到达各远端站的最大的时间差为

，两两远端站之间的最大距离为

。

根据三角形两边之差小于第三边，可得：

，由于信号的传播速度

相同，可知目标到达两站的时间差

。同理可得

。

中央处理机已知各个远端站的准备位置信息，可以计算出所有远端接收机中两两之间的距离，从中选出

，从而可以求得

的上限。根据脉冲信号的码元识别出同一个目标，对同一个目标而言，目标的TDOA值不可能超过的上限。这样就简单的完成了脉冲信号TOA配对的问题。

站间TDOA误差估计：

如图4所示。其中参考应答机的几何位置已知并固定，参考应答信号传送至各站点的理论时间差可计算出来，再根据实际测量到的参考应答信号到达各站间的TDOA即可得出站点间的时间偏移，该时间偏移即为不同系统延迟产生的同步误差。

参考应答机和接收站的位置已定，则参考应答信号到任两站点

与的理论时间差为

其中，为信号传播速度，

为参考应答机到站点

的距离。实际测量到参考应答信号到任两站点

与

的时间差为

于是利用理论TDOA值和实测TDOA值可估计出站点间的同步误差

。

目标TDOA修正：

对完成TDOA配对后的目标信号，在站点TDOA误差估计的基础上，进行目标TDOA修正。

对接收到的目标信号而言有

其中，

为目标信号到站点间时间差的理论值。实测的

值包含有站点同步误差，

由参考应答TDOA误差估计得到。从实测的

值中消除同步误差，得到校正后的目标TDOA为

从而实现对站点间同步误差的校正。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，其特征在于该系统包括多点定位远端站中的TOA检测模块和多点定位中心处理站中的目标TOA计算模块；所述TOA检测模块具有飞机应答信号TOA即信号到达远端站的时间、参考应答机信号TOA检测、远端站频率基准偏差估计、信号TOA修正功能；所述目标TDOA计算模块具有多站信号TOA配对、各远端站固定偏差估计、TDOA初值计算、TDOA修正功能。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，所述TOA检测模块、所述目标TOA计算模块中的目标及参考应答TOA测量主要在前述多点定位远端站完成，其特征在于步骤如下：

1）用于检测目标和参考应答脉冲信号，在成功检测到框架脉冲后，得到目标和参考应答信号的码元，并对脉冲信号进行TOA标记；

2）利用各个远端站工作于GPS共视状态，修正各个远端站的时钟偏差，从而进行脉冲信号TOA修正；

3）将目标和参考应答信号TOA和码元送至多点定位中央处理器作进一步处理。

3.根据权利要求1所述的高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，该系统还包括参考应答机，其特征在于：该参考应答机为放置于精确坐标固定位置的S模式信标机，定期发射1090MHZ MODE S信号，为系统中的一个特殊目标或者另外一个共视时钟源；由于参考应答机的信号发射周期可调节，因此可以利用其对每一秒钟内的本地时钟准确度进行校正。

4.根据权利要求1所述的高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，其特征在于：所述目标TDOA计算模块主要在多点定位中央处理机完成；该目标TDOA计算模块工作过程如下：

1）目标TDOA计算模块通过接收各远端站的参考应答TOA和目标TOA，计算站点间TDOA并与理论TDOA比较后估计出同步误差，这里，解码系统产生的同步脉冲时延、目标信号接收处理时延以及参考应答机实际位置与设定位置的差异所产生的测试误差都统一为系统同步误差；

2）利用参考应答机进行同步误差参考应答校正，可对此系统同步误差进行校正，提高目标的TDOA测量精度。

5.根据权利要求1所述的高精度分布式脉冲信号到达时间差检测系统，其特征在于所述多点定位远端站工作原理和步骤如下：

1）GPS共视控制：GPS共视是指参与共视的多点定位系统的各个远端站各设一台GPS时间接收机，并在同一时间观测同一颗卫星，实现各站之间的时间同步；本系统采取GPS共视技术修正各个多点定位远端站时钟偏差；在工作中，通过差分定位等方式精确的测定各个远端站GPS接收机的三维位置，采用设计的控制算法，使各个远端站选取同一颗仰角大的共视卫星，使GPS接收机工作于位置保持状态，实现各站之间的时间同步；

2）GPS信号接收：GPS接收机是进行GPS共视比对的主要设备；接收机天线接收卫星信号，OEM板对接收到的卫星信号进行解调、处理和测量，获取到星历、伪距观测值、原子钟参数等数据，输出代表卫星系统时间的秒脉冲信号，此信号与本地时钟的秒脉冲信号进行比对；

3）频率基准设置：多点定位系统远端站的本地时钟为本系统的频率基准，一方面为目标及参考应答TOA测量提供高精度稳定的频率基准，另一方面作为时钟偏差估计的输入；本地时钟为高稳双槽恒温晶体，它提供了10MHz的高稳定度的基准频率信号；晶体的稳定度受温度的影响较大，双槽恒温晶体将当前温度所对应的电压与其标称值通过热控放大器进行差动放大，之后驱动发热元件使槽内晶体温度总是保持在其高温拐点，从而消除了温度对晶体的干扰，保证了晶体的稳定度，本地时钟输出为10MHz的高稳定度方波；

4）时钟偏差估计：卫星信号经过不同路径传输到不同站点的GPS接收机，GPS时钟信息是叠加了部分随机噪声的；因此采用滤波及跟踪算法估计时钟偏差；采用历史时刻的钟差估计值和当前时刻的钟差观测值，来估计当前时刻的GPS时钟与远端站时钟的钟差估计值；当前时刻以后的观测值不会对当前时刻的估计值产生任何影响，因而适合于实时的时钟偏差估计处理；本系统能够在各个远端站进入共视状态下，20秒内就能够达到稳定估计；

5）脉冲信号检测：接收机首先对从天线接收到的1090Mhz高频信号进行限幅，以防止大输入信号对后续电路的损害；之后进行两极带通滤波和两极信号放大；经过一系列处理后，信号被送至混频器，进行下变频处理，信号频率降至中频IF，再由中频放大器对中频信号举行放大和匹配滤波，以获得最大的输出信噪比；最后经过检波和视频放大，中频信号被解调为视频信号；视频脉冲信号将被提供给数字信号处理部分做后续处理；

6）脉冲信号TOA测量：远端站先对模拟视频进行AD转换，然后对采集的数据进行缓存，并进行脉冲检测，再此基础上进行框架检测；

为了达到高精度的TOA测量，系统采用自适应匹配滤波获得脉冲延时，然后对保留中频载波的信号提取出中频脉冲，并采用DTFT的相位差分方法进行高精度的TOA测量；

7）脉冲信号TOA修正：在时钟偏差估计和脉冲信号TOA测量值的基础上，实时对脉冲信号TOA进行修正。