CN104181549A - 一种基于1090es数据链地面站的航空器定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，包含以下步骤：步骤一、选择四个1090ES数据链地面站分别接收由航空器发出的空中位置信息，加入时间戳传输到监视终端；步骤二、监视终端接收四个地面站传输的包含时间戳的空中位置信息，选择某一1090ES数据链地面站作为中心站，其他三个1090ES数据链地面站作为外围站，监视终端将对同一个航空器的在同一秒的相同的空中位置信息进行时差处理，通过三个时差方程计算三个单边双曲面产生的交点，以确定目标位置。本发明不依赖于S模式间歇广播位置信息，可作为位置信息准确性校验的方法，也可作为备用监视手段。

Description

一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别涉及一种保障飞机飞行安全的空管监视技术。

背景技术

1090ES数据链系统通过S模式间歇广播航空器识别码、位置、高度、速度、方向和爬升率等信息，地面站接收这些信息并显示在伪雷达显示屏上。1090ES数据链地面站对航空器的监视管理依赖于机载S模式应答机的间歇广播，如果S模式应答机位置信息源出现无效或错误状态，1090ES数据链地面站将接收并传输无效和错误的航空器位置信息，严重影响管制效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，利用四个1090ES数据链地面站接收并处理航空器S模式间歇广播，1090ES数据链地面站将含有时间的信息传输到监视终端，由监视终端根据信号的时差完成对航空器的定位，同时这种监视方法不依赖于S模式间歇广播位置信息，可作为位置信息准确性校验的方法，也可作为备用监视手段。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，包含以下步骤：

步骤一、选择四个1090ES数据链地面站分别接收由航空器发出的空中位置信息，加入时间戳传输到监视终端；

步骤二、监视终端接收四个地面站传输的包含时间戳的空中位置信息，选择某一1090ES数据链地面站作为中心站，其他三个1090ES数据链地面站作为外围站，监视终端将对同一个航空器的在同一秒的相同的空中位置信息进行时差处理，通过三个时差方程计算三个单边双曲面产生的交点，以确定目标位置。

依据上述特征，所述时间戳信息由1090ES数据链地面站的本地时钟提供，地面站的时钟每秒与UTC时钟同步。

依据上述特征，步骤二中相同的空中位置信息的判断采用特征值的方法，特征值为信号的前导码脉冲，即选用获取S模式间歇广播的空中位置信息的达到时间，达到时间也即前导码脉冲的上升沿时间。

依据上述特征，所述目标位置通过以下方法求得：

设(x,y,z)是目标S在以中心站为坐标原点的局部坐标系中的位置，S₀(x₀,y₀,z₀)、S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)分别为四个1090ES数据链地面站在地心坐标系中坐标，其中S₀(x₀,y₀,z₀)是中心站，S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)是三个外围站，R₀、R₁、R₂、R₃分别为目标到4个站的距离，距离差为ΔR_i,i＝1,2,3，则定位方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_0=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{\left({z-z}_0\right)}^2}\\ R_i=\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{\left({y-y}_i\right)}^2+{\left({z-z}_i\right)}^2}\\ \mathrm{\Δ}{R}_i=R_0-R_i=c\×(t_0-t_i)\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，c＝3×10⁸m/s，R_i为目标信号到达第i个地面站的时间测量值；

通过Chan算法解算获得(x,y,z)是目标在局部坐标系的坐标，将该坐标进行平移变换为空间直角坐标系的坐标(X,Y,Z)。

再将计算得到的空间直角坐标系(X,Y,Z)如下通过公式转变为大地坐标系坐标：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{lat}=\arctan \frac{Z}{\sqrt{(X^2+Y^2)}}\\ \mathrm{lon}=\arctan \frac{Y}{X}\\ h=\sqrt{X^2+Y^2+\frac{Z^2}{{\left({1-e}^2\right)}^2}-a}\end{array}\right.---\left(2\right),$

(lat,lon)即是目标在大地坐标系中的经纬度，h是目标的高度，其中a是地球参考椭球长半径，e是地球第一偏心率，一般取e＝0.0818191908426214957。

本发明在不增加硬件成本的条件下有效完成了不依赖于机载S模式广播传输的位置信息完成航空器定位，减少了航空器错误位置信息，提高航空器监视信息的可靠性，具有极高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本专利的工作原理图；

图2为多站定位示意图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明通过对现有1090ES数据链地面站和其监视终端的改进，能够实现不依赖于S模式间歇广播位置信息实现航空器定位，可作为位置信息准确性校验的方法，也可作为备用监视手段，增强监视定位的准确度和可靠性。

在常规情况下，1090ES数据链地面站分别解析由航空器发出的空中位置信息、空中速度信息、飞行标识信息，解析其中的位置、高度、速度等数据元素，形成监控数据报文传输至监视终端。此时航空器传输的位置信息依赖于机载GPS定位信息，在GPS失效或者采用虚假的信息源时1090ES数据链地面站接收的数据是无效或者错误的。

如图1所示，本发明由四个1090ES数据链地面站和一个监视终端共同完成。经过合理选址配置的四个1090ES数据链地面站在接受到的航空器发出空中位置信息中加入时间戳传输到监视终端，目的在于对同一个航空器的在同一秒的相同的空中位置信息进行时差处理。

监视终端接收到四个地面站传输的空中位置信息，选择某一1090ES数据链地面站作为中心站，其他三个1090ES数据链地面站作为外围站，监视终端将对相同空中位置消息的时间戳做时差处理，通过三个时差方程计算三个单边双曲面产生的交点，以确定目标位置。

时钟同步：对于1090ES数据链地面站多站定位系统，由于各站间距离远，只有各站在同一时间基准下才能实现时间差的测量，由于1090ES数据链地面站设备组成包含有GPS/北斗模块，各1090ES数据链地面站都可以与UTC进行时钟同步，因此时间戳信息由1090ES数据链地面站的本地时钟提供，地面站的时钟每秒与UTC时钟同步，在这种方式下无需增加硬件成本，仅更改相应代码即可完成时钟同步。

时间测量：在多站定位方法中，四个1090ES数据链地面站需测量信号具有特征点的时间，然后直接将不同地面站得到的具有相同特征点的到达时间相减得到时差，考虑信号更新率快慢和特征值特点，本方法选用S模式间歇广播的空中位置信息来计算信号特征值，到达时间选择信号的前导码脉冲上升沿出现的时间。

四个1090ES数据链地面站通过时钟同步和时间测量传输航空器空中位置信息的到达时间至监视终端，监视终端将分类筛选相同空中位置信息，通过对同一空中位置信息的时间进行差值计算即可获得同一信号到达不同1090ES数据链地面站的时差。

如图2所示为空间三维四站时差定位原理示意图，S₀是目标，它发出的广播信息被四个1090ES数据链地面站接收，并可获得3个独立的脉冲到达时间差，每个时间差可以确定一个单页双曲面所包含的位置点集。

设(x,y,z)是目标S在以中心站为坐标原点的局部坐标系中的位置，S₀(x₀,y₀,z₀)、S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)分别为四个1090ES数据链地面站在地心坐标系中坐标，其中S₀(x₀,y₀,z₀)是中心站，S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)是三个外围站，R₀、R₁、R₂、R₃分别为目标到4个站的距离，距离差为ΔR_i,i＝1,2,3，则定位方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_0=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{\left({z-z}_0\right)}^2}\\ R_i=\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{\left({y-y}_i\right)}^2+{\left({z-z}_i\right)}^2}\\ \mathrm{\Δ}{R}_i=R_0-R_i=c\×(t_0-t_i)\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，c＝3×10⁸m/s，R_i为目标信号到达第i个地面站的时间测量值；

通过Chan算法解算获得(x,y,z)是目标在局部坐标系的坐标，将该坐标进行平移变换为空间直角坐标系的坐标(X,Y,Z)。

再将计算得到的空间直角坐标系(X,Y,Z)如下通过公式转变为大地坐标系坐标：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{lat}=\arctan \frac{Z}{\sqrt{(X^2+Y^2)}}\\ \mathrm{lon}=\arctan \frac{Y}{X}\\ h=\sqrt{X^2+Y^2+\frac{Z^2}{{\left({1-e}^2\right)}^2}-a}\end{array}\right.---\left(2\right),$

(lat,lon)即是目标在大地坐标系中的经纬度，h是目标的高度，其中a是地球参考椭球长半径，e是地球第一偏心率，一般取e＝0.0818191908426214957。

Claims (4)

1.一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，包含以下步骤：

步骤一、选择四个1090ES数据链地面站分别接受由航空器发出的空中位置信息，加入时间戳传输到监视终端；

步骤二、监视终端接收四个地面站传输的包含时间戳的空中位置信息，选择某一1090ES数据链地面站作为中心站，其他三个1090ES数据链地面站作为外围站，监视终端将对同一个航空器的在同一秒的相同的空中位置信息进行时差处理，通过三个时差方程计算三个单边双曲面产生的交点，以确定目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，其特征在于所述时间戳信息由1090ES数据链地面站的本地时钟提供，地面站的时钟每秒与UTC时钟同步。

3.根据权利要求1所述的一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，其特征在于步骤二中相同的空中位置信息的判断采用特征值的方法，特征值为信号的前导码脉冲上升沿，即选用获取S模式间歇广播的空中位置信息的到达时间，达到时间也即前导码脉冲上升沿出现的时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于1090ES数据链地面站的航空器定位方法，其特征在于所述目标位置通过以下方法求得：

设(x,y,z)是目标S在以中心站为坐标原点的局部坐标系中的位置，S₀(x₀,y₀,z₀)、S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)分别为四个1090ES数据链地面站在地心坐标系中坐标，其中S₀(x₀,y₀,z₀)是中心站，S₁(x₁,y₁,z₁)、S₂(x₂,y₂,z₂)、S₃(x₃,y₃,z₃)是三个外围站，R₀、R₁、R₂、R₃分别为目标到4个站的距离，距离差为ΔR_i,i＝1,2,3，则定位方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_0=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{\left({z-z}_0\right)}^2}\\ R_i=\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{\left({y-y}_i\right)}^2+{\left({z-z}_i\right)}^2}\\ \mathrm{\Δ}{R}_i=R_0-R_i=c\×(t_0-t_i)\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，c＝3×10⁸m/s，R_i为目标信号到达第i个地面站的时间测量值；

通过Chan算法解算获得(x,y,z)是目标在局部坐标系的坐标，将该坐标进行平移变换为空间直角坐标系的坐标(X,Y,Z)。

再将计算得到的空间直角坐标系(X,Y,Z)如下通过公式转变为大地坐标系坐标：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{lat}=\arctan \frac{Z}{\sqrt{(X^2+Y^2)}}\\ \mathrm{lon}=\arctan \frac{Y}{X}\\ h=\sqrt{X^2+Y^2+\frac{Z^2}{{\left({1-e}^2\right)}^2}-a}\end{array}\right.---\left(2\right),$

(lat,lon)即是目标在大地坐标系中的经纬度，h是目标的高度，其中a是地球参考椭球长半径，e是地球第一偏心率，一般取e＝0.0818191908426214957。