CN104833953A - 一种机场非视距信道环境下的多点定位监视系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于TDOA和航迹双跟踪模块系统架构的机场非视距(NLOS)信道环境下的多点定位监视系统和方法。所述非视距信道环境下的多点定位监视系统包括以下分开组装与配置的单元：TOA采集单元、TDOA处理单元、中心处理单元和显控单元。所述非视距信道环境下的多点定位监视方法通过TDOA跟踪处理生成校正后的TDOA信息，通过航迹跟踪处理生成校正后的位置信息。该系统和方法对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，可有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度。

Description

一种机场非视距信道环境下的多点定位监视系统和方法

技术领域

本发明涉及机场监控领域，尤指一种机场非视距信道环境下的多点定位监视系统和方法。

背景技术

随着航空流量的迅猛发展，如何对复杂机场环境下的飞机、车辆等越来越密集的活动目标进行有效的实时监视和识别是提高场面运行效率和安全调度的主要难题。相比传统场面监视雷达，机场多点定位系统由于具有定位精度高、识别性能好、检测虚警率低和全天候值守等优点，已经成为各大型繁忙机场场面密集活动目标实时监视与识别的重要解决方案。

由于机场多点定位系统是依靠目标发射信号到达不同地面接收站时间差(Time Difference of arrival，TDOA)和各站点已知位置来进行定位的，此原理要求目标和各接收站点位置之间要保持视距(Line of Sight，LOS)信道环境。然而实际机场环境下包含候机楼、廊桥、导航台站等固定障碍建筑，以及在场面上来回移动穿梭的车辆、飞机等活动目标，以上要素导致了机场场面存在复杂且实时变化的非视距(Non-Line of Sight，NLOS)信道传播环境，而由此带来严重的信号多径和TDOA检测干扰，最终会大幅降低多点定位系统的输出定位精度，导致其很难达到国际民航规范的应用要求。

针对机场NLOS信道环境，目前的多点定位系统主要有两种架构方式，一是完全依赖于系统后端航迹跟踪处理子系统进行滤波平滑和位置校正，这种事后处理方式对误差检测灵敏度低，且输出结果容易发散。二是通过预先统计机场场面稳定的NLOS信道模型参数，以此为基础设计出一种自适应的定位解算方法来消除NLOS对多点定位系统精度的影响。但实际机场环境下NLOS信道模型是随着活动目标运动和周边交通势态环境在实时变化的，所以这种系统架构主要还停留在理论研究阶段，不适合多点定位这种实时处理要求比较高的应用系统。

中国专利文献CN102088769A于2011年6月8日公开了一种直接估计并消除非视距(NLOS)误差影响的无线定位方法。该方法首先建立无线定位的运动方程和观测方程，然后利用扩展卡尔曼滤波(EKF)的新息平方和去识别当前测量值是视距(LOS)情形还是非视距情形下的结果，对于视距情形则直接利用EKF进行位置解算和运动状态估计，对于非视距情形则先使用基于几何关系限制条件的非线性优化方法去直接估计NLOS误差，然后应用修正的EKF滤波消除NLOS误差，并进行高精度的定位，通过循环迭代实现对移动台的在线跟踪。

中国专利文献CN103686995A于2014年3月26日公开了一种非视距环境定位方法及装置，能够减少非视距误差，从而提高定位精度。所述方法包括：非视距环境定位装置将收到的X路TDOA(到达时间差)信号与预存的特征信号进行匹配，得到TDOA最相似的目标特征点，X为大于或等于2的整数；非视距环境定位装置获取与该目标特征点同一类的M个特征点，其中M为大于或等于2的整数；非视距环境定位装置应用该M个特征点的坐标进行定位。该技术方案实施例通过对特征点进行分类并去除孤立点减少非视距误差，应用于目标特征同类的特征点进行定位，能够提高定位精度。

中国专利文献CN102997911A于2013年3月27日公开了一种被动传感器组网探测多目标方法。被动传感器组网系统根据传感器提供的角度信息，采用测向交叉方法进行交叉定位，先利用多平台间的信息冗余静态去除“鬼点”，再采用虚拟航迹跟踪技术动态去除“鬼点”，实现对多目标的准确定位与跟踪。动态去“鬼点”的方法是计算各航迹跟踪门，将交叉定位得到的点目标按照航迹等级从高到低顺序，依次与各个等级航迹文件进行关联处理，根据关联情形进行航迹起始、合并、剪枝、分枝、删除。

中国专利文献CN201937767U于2011年8月17日公开了一种航空航迹数码监测装置，包括有摄像机、显示器，其设计要点是在摄像机与显示器之间连接有中央处理器，该中央处理器上设有数据交换接口、A/D转换接口、数字叠加接口以及硬盘存储器。本实用新型其摄像机拍摄的实时视频图像能够与其他外部设备(如GPS定位系统、航空监测设备、雷达高度测量计、气压高度计等)所采集的实时探物或地理坐标等数据叠加在实时画面上，并能够实时显示在屏幕中、记录在硬盘上。

发明内容

本发明提供一种提高定位和识别准确性的机场非视距信道环境下的多点定位监视系统和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，包括，

TOA采集单元：采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

TDOA处理单元：根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

中心处理单元：读取TOA采集单元的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显控单元：显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

进一步的，所述中心处理单元包括生成所述定位位置信息的定位位置解算模块，以及跟定位位置解算模块双向通信的、用于校正目标定位位置并记录目标身份识别信息和高程信息的航迹跟踪模块。

进一步的，所述定位位置解算模块包括封闭式的chan氏定位计算子模块：获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解；

所述航迹跟踪模块包括基于目标运动模型的卡尔曼滤波计算子模块：在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，生成校正后的目标定位位置；然后将包括活动目标校正后的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。

进一步的，所述TDOA处理单元还包括，

TOA配对模块：利用TOA采集模块传送过来的自定义目标报文信息从缓存器存储的TOA信息中将来自同一次发射的TOA信息挑选出来形成一条TOA配对信息组；

TDOA跟踪模块：读取TOA配对信息组完成两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理。

进一步的，所述TDOA跟踪模块还包括局部线性拟合跟踪子模块：当连续采集TDOA样本个数小于预设值时(例如6)，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$\begin{array}{ccc}G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-5)& 1\\ ...& ..\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]& k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]& H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-5)\\ ......\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-1)\end{array}\right]\end{array}$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块输出的估计值。

进一步的，所述TOA采集单元还包括，

射频接收模块：接收活动目标的射频信号；

视频信号处理模块：对模拟视频信号进行处理；

时钟同步模块：为视频信号处理模块提供同步时钟。

所述射频接收模块包括超外差式接收机，分别跟超外差式接收机耦合的1090MHz窄带接收天馈线和10MHz稳定晶体时钟卡；所述视频信号处理模块包括将一路射频接收模块的输出信号变成两路差分信号的单端转差分子模块，将模拟视频信号进行高阶量化采样的A/D转换子模块，对A/D转换子模块信号的输出信号进行处理的FPGA信号处理子模块；所述时钟同步模块为纳秒级，包含专用有源GPS授时子模块，与专用有源GPS授时子模块耦合的20MHz稳定晶体时钟卡。

一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，包括步骤：

采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

读取TOA采集单的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

进一步的，所述校正后的TDOA信息生成方法包括：

读取连续采集TDOA样本个数；

当连续采集TDOA样本个数小于预设值时(例如6)，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$\begin{array}{ccc}G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-5)& 1\\ ...& ..\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]& k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]& H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-5)\\ ......\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-1)\end{array}\right]\end{array}$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块输出的估计值。

进一步的，所述定位位置信息生成方法包括：

获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；

根据Chan算法，采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解。

进一步的，所述活动目标的校正后的目标定位位置生成方法包括：采用基于目标运动模型的卡尔曼滤波(KF)方法，在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度；然后将包括活动目标的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。

本发明采用了TDOA和航迹双跟踪模块系统架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，从而有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度。系统架构可根据实际应用、维护需求，对各个单元模块分开组装与配置，保证了系统各个模块功能的独立性与可维护性。

附图说明

图1是本发明实施例一的非视距信道环境下的多点定位监视系统示意图；

图2是本发明实施例三的非视距信道环境下的多点定位监视系统示意图；

图3是本发明实施例四的非视距信道环境下的多点定位监视方法示意图。

其中：10、TOA采集单元；11、射频接收模块；12、纳秒级时钟同步模块；13、视频信号处理模块；20、TDOA处理单元；21、TOA配对模块；22、TDOA跟踪模块；30、中心处理单元；31、定位位置解算模块；32、航迹跟踪模块；40、显控单元；41、终端显示控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1所示，本实施方式公开一种非视距信道环境下的多点定位监视系统包括，

TOA采集单元10：采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

TDOA处理单元20：根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

中心处理单元30：读取TOA采集单元的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显控单元40：显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

本发明采用了TDOA和航迹双跟踪模块系统架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，从而有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度。系统架构可根据实际应用、维护需求，对各个单元模块分开组装与配置，保证了系统各个模块功能的独立性与可维护性。

实施例二，本实施方式对非视距信道环境下的多点定位监视系统四个功能单元进行进一步的详述。

TOA采集单元主要负责飞机、车辆等活动目标发射的1090MHz无线射频信号到达各个地面接收站时戳(TOA)和目标身份识别信息的采集，包括射频接收模块、纳秒级时钟同步模块和视频信号处理模块。射频接收模块主要由1090MHz窄带接收天馈线、超外差式接收机和10MHz稳定晶体时钟卡组成，负责1090MHz信号的解调处理；纳秒级时钟同步模块主要包含专用有源GPS授时子模块、20MHz稳定晶体时钟卡，负责为视频信号处理模块提供纳秒级同步时钟；视频信号处理模块包含单端转差分子模块、A/D转换子模块、FPGA信号处理子模块。单端转差分子模块负责将一路输入信号变成两路差分信号；A/D转换子模块采样频率为100MHz，宽度14位，负责将模拟视频信号进行高阶量化采样；FPGA信号处理子模块块负责对信号进行一系列的处理，例如：滤波、归一化、脉冲检测、识别信息解码、TOA提取等。

由于不同地面接收站会接受不同目标不同时刻发射的射频信号，假设第k个接收站接收第i个目标在第j时刻发射的信号，测量得到的TOA为toa(i,j,k),则计算两站间的TDOA时必须保证i和j相同的情况下才有意义，例如toa(43,57,1)、toa(43,57,2)、toa(43,57,3)和toa(43,57,4)是一个TOA配对信息组，可以相互之间进行TDOA的计算，而toa(43,57,1)toa(44,57,2)、toa(43,56,3)toa(45,58,4)就不是一个TOA配对信息组，不能相互之间进行TDOA的计算，因此TOA采集完毕后还需要经过配对处理。

本实施方式的TDOA处理单元以高性能预处理服务器为载体，主要包括TOA配对模块和TDOA跟踪模块。TOA配对模块主要利用TOA采集模块传送过来的自定义目标报文信息从缓存器存储的大量TOA信息中将来自同一次发射的TOA信息挑选出来形成一条TOA配对信息组供后端TDOA处理调用；

而TDOA跟踪模块通过读取TOA配对信息组完成两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，从而在定位解算前端对由于NLOS信道传播导致的TDOA测量误差进行检测和校正，由于这种系统架构直接对多路原始TDOA采集数据分别进行检测和校正，然后将各路误差校正后的TDOA用于定位解算，相比原始TDOA不做任何处理完全依赖于定位解算后端单路航迹跟踪对位置校正的传统处理架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，从而有效提高多点定位系统在NLOS信道环境下的输出定位精度。

由于民航机场多点定位系统输出目标点迹更新率较高(大于1次/秒)，TDOA测量样本值较为密集，所以该单元中的TDOA跟踪模块采取局部线性拟合跟踪，该方法适合更新率较高的局部样本数据处理，且计算效率高，主要算法过程如下

假设多点定位系统第j和第k两站TDOA连续采集时刻和样本值分别为t_j,k(i)和tdoa_j,k(i)，TDOA跟踪输出估计值为其中i＝1,2...n，n代表连续采集TDOA样本个数，采集时刻满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)的递增序列关系。实时处理过程如下

当i＜6时，TDOA跟踪器处于起始信息积累阶段，跟踪器对TDOA测量值不作任何处理，即 $\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}\left(i\right)=\mathrm{tdo}{a}_{j,k}\left(i\right),i=\mathrm{1,2}...5$

当i≥6时，TDOA跟踪器开始对测量TDOA样本进行跟踪处理，过程如下

假定局部TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H，式中

$\begin{array}{ccc}G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-5)& 1\\ ...& ..\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]& k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]& H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-5)\\ ......\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-1)\end{array}\right]\end{array}$

首先利用最小二乘法(LS)求出系数

k＝(G^TG)^-1G^TH

然后求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值

最后判断(dtdoa_th为TDOA野值判断门限，一般情况取dtdoa_th＝10σ，σ为TDOA在LOS信道下的正常测量标准差)。若成立，认为当次测量值tdoa_j,k(i)为野值，TDOA跟踪器输出估计值用预测值代替，即若不成立，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

中心处理单元以高性能核心处理服务器为载体，主要包括定位位置解算模块和航迹跟踪模块。定位位置解算模块通过读取前面TDOA跟踪模块误差校正过后的TDOA信息以及后面航迹跟踪模块记录的目标先验高程信息完成目标由TDOA信息到二维水平位置的定位解算处理，解算方法采取了封闭式的chan氏定位法，该方法主要利用各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA以及目标的先验高度，进而采取两步近似最大似然估计(ML)可得到目标最优位置解，整个过程中无需目标先验水平位置信息，计算速度快，可满足多点定位系统在机场工程实施的需要；航迹跟踪模块通过读取视频处理模块的解码信息完成飞机、车辆等活动目标的身份识别并记录其高程信息。通过读取目标的水平位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，跟踪滤波采取基于目标运动模型的卡尔曼滤波(KF)方法，在测量噪声方差已知的情况下利用目标的动态信息设法去掉测量噪声的影响，对目标位置、速度等状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度。由于该方法能够对现场采集的目标位置等数据进行实时的更新和处理，且便于计算机编程实现,可较好满足多点定位系统应用工程实时处理的需要。最后中心处理单元将得到的校正后的目标定位位置、身份识别信息、目标高程等信息打包成标准cat10格式报文数据发送给用户终端使用。

显控单元主要完成对中心处理单元发送过来的cat10报文内容进行解析并在屏幕终端对解析的目标位置信息、身份识别等信息进行二维实时显示，另外还可以根据用户不同实际需求对显示内容、界面风格进行控制调整。

实施例三

参考图2，本实施方式公开一种非视距信道环境下的多点定位监视系统包括，

TOA采集单元10：采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

TDOA处理单元20：根据TOA采集单元10的TOA信息完成TOA配对21、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理22，生成校正后的TDOA信息；

中心处理单元30：读取TOA采集单10的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显控单元40：显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。其包括与中心处理单元30耦合的终端显示控制模块41，用于控制终端的显示屏、指示灯等器件。

其中：

中心处理单元30包括生成所述定位位置信息的定位位置解算模块31，以及跟定位位置解算模块31双向通信的、用于校正目标定位位置并记录目标身份识别信息和高程信息的航迹跟踪模块32。定位位置解算模块31通过读取航迹跟踪模块32提供的先验高程信息以及TDOA跟踪模块22提供的校正后的TDOA信息进行解算得到目标的定位位置信息，然后再把得到的定位位置信息传送到航迹跟踪模块32进行位置滤波与跟踪，从而得到校正后的位置信息，最后将校正后的位置信息送给显示终端。

具体来说，定位位置解算模块31包括封闭式的chan氏定位计算子模块，该子模块可以获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解。航迹跟踪模块32包括基于目标运动模型的卡尔曼滤波计算子模块，该子模块在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度；然后将包括活动目标校正后的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。

TDOA处理单元20还包括TOA配对模块21和TDOA跟踪模块22：TOA配对模块21利用TOA采集模块传送过来的自定义目标报文信息从缓存器存储的TOA信息中将来自同一次发射的TOA信息挑选出来形成一条TOA配对信息组。TDOA跟踪模块22读取TOA配对信息组完成两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理。

TDOA跟踪模块22还包括局部线性拟合跟踪子模块，其实现以下功能：当连续采集TDOA样本个数小于预设值时(如实施例2中选择预设值为6)，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块22输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$\begin{array}{ccc}G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-5)& 1\\ ...& ..\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]& k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]& H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-5)\\ ......\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-1)\end{array}\right]\end{array}$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块22输出的估计值。

所述TOA采集单元10还包括射频接收模块11、视频信号处理模块13和时钟同步模块，其中时钟同步模块优选纳秒级时钟同步模块12。射频接收模块11接收活动目标的射频信号；视频信号处理模块13对模拟视频信号进行处理；时钟同步模块为视频信号处理模块13提供同步时钟。

所述射频接收模块11包括超外差式接收机，分别跟超外差式接收机耦合的1090MHz窄带接收天馈线和10MHz稳定晶体时钟卡；所述视频信号处理模块13包括将一路射频接收模块11的输出信号变成两路差分信号的单端转差分子模块，将模拟视频信号进行高阶量化采样的A/D转换子模块，对A/D转换子模块信号的输出信号进行处理的FPGA信号处理子模块；所述时钟同步模块为纳秒级，包含专用有源GPS授时子模块，与专用有源GPS授时子模块耦合的20MHz稳定晶体时钟卡。

本发明采用了TDOA和航迹双跟踪模块系统架构的机场非视距(NLOS)信道环境下的多点定位监视系统，即同时包含TDOA跟踪模块22和航迹跟踪模块32的系统架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度，从而为实际机场复杂NLOS信道环境下密集活动目标的准确定位和识别提供可靠的设备保障。

TDOA跟踪模块22采取局部线性拟合跟踪方法，该方法适合更新率较高的局部样本数据处理，计算效率高，不需要预先统计机场场面稳定的NLOS信道模型参数，可适应实际机场场面实时变化的信道环境，因此可较好满足应用工程实时处理的需要。本发明可以根据实际应用、维护需求，对各个单元模块分开组装与配置，保证了系统各个模块功能的独立性与可维护性。

实施例四

如图3所示，本实施方式公开一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，包括步骤：

S1、采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

S2、根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

S3、读取TOA采集单的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

S4、显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

本发明采用了TDOA和航迹双跟踪模块系统架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，从而有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度。系统架构可根据实际应用、维护需求，对各个单元模块分开组装与配置，保证了系统各个模块功能的独立性与可维护性。

实施例五

本实施方式公开一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，包括步骤：

采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

读取TOA采集单的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

其中，

校正后的TDOA信息生成方法包括：

读取连续采集TDOA样本个数；

当连续采集TDOA样本个数小于预设值时(例如6)，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$\begin{array}{ccc}G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-5)& 1\\ ...& ..\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]& k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]& H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-5)\\ ......\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-1)\end{array}\right]\end{array}$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块输出的估计值。

所述定位位置信息生成方法包括：

获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；根据Chan算法采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解。

所述活动目标的校正后的定位位置生成方法包括：采用基于目标运动模型的卡尔曼滤波(KF)方法，在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度；然后将包括活动目标校正后的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。

本发明采用了TDOA和航迹双跟踪模块的系统架构，其对机场NLOS信道导致的定位误差检测灵敏度更高、校正更及时合理，同时这种系统架构还可以降低TDOA测量噪声，从而有效提高多点定位系统在机场场面复杂NLOS信道环境下的输出定位精度，为实际机场复杂NLOS信道环境下密集活动目标的准确定位和识别提供了可靠的技术途径。

TDOA跟踪模块采取局部线性拟合跟踪方法，该方法适合更新率较高的局部样本数据处理，计算效率高，不需要预先统计机场场面稳定的NLOS信道模型参数，可适应实际机场场面实时变化的信道环境，因此可较好满足应用工程实时处理的需要。本发明可以根据实际应用、维护需求，对各个单元模块分开组装与配置，保证了系统各个模块功能的独立性与可维护性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，包括，

TOA采集单元：采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

TDOA处理单元：根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

中心处理单元：读取TOA采集单的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显控单元：显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

2.如权利要求1所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，所述中心处理单元包括生成所述定位位置信息的定位位置解算模块，以及跟定位位置解算模块双向通信的、用于校正目标定位位置并记录目标身份识别信息和高程信息的航迹跟踪模块。

3.如权利要求2所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，所述定位位置解算模块包括封闭式的chan氏定位计算子模块：获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解；

所述航迹跟踪模块包括基于目标运动模型的卡尔曼滤波计算子模块：在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度；然后将包括活动目标校正后的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。

4.如权利要求1所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，所述TDOA处理单元还包括，

TOA配对模块：利用TOA采集模块传送过来的自定义目标报文信息从缓存器存储的TOA信息中将来自同一次发射的TOA信息挑选出来形成一条TOA配对信息组；

TDOA跟踪模块：读取TOA配对信息组完成两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理。

5.如权利要求4所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，所述TDOA跟踪模块还包括局部线性拟合跟踪子模块：

当连续采集TDOA样本个数小于预设值n时，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-n+1)& 1\\ \·\·\·& \·\·\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]$ $k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]$ $H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-n+1)\\ \·\·\·\·\·\·\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}\left(\text{i-1}\right)\end{array}\right]$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块输出的估计值。

6.如权利要求1所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视系统，其特征在于，所述TOA采集单元还包括，

射频接收模块：接收活动目标的射频信号；

视频信号处理模块：对模拟视频信号进行处理；

时钟同步模块：为视频信号处理模块提供同步时钟。

所述射频接收模块包括超外差式接收机，分别跟超外差式接收机耦合的1090MHz窄带接收天馈线和10MHz稳定晶体时钟卡；所述视频信号处理模块包括将一路射频接收模块的输出信号变成两路差分信号的单端转差分子模块，将模拟视频信号进行高阶量化采样的A/D转换子模块，对A/D转换子模块信号的输出信号进行处理的FPGA信号处理子模块；所述时钟同步模块为纳秒级，包含专用有源GPS授时子模块，与专用有源GPS授时子模块耦合的20MHz稳定晶体时钟卡。

7.一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，其特征在于，包括步骤：

采集信号到达各个地面接收站时戳及活动目标状态信息，生成TOA信息和目标识别、高程信息；

根据TOA采集单元的TOA信息完成TOA配对、两站之间原始TDOA的计算以及TDOA的滤波跟踪处理，生成校正后的TDOA信息；

读取TOA采集单的解码信息完成活动目标的身份识别并记录其高程信息，并根据校正后的TDOA信息和高程信息生成定位位置信息，进而读取目标的定位位置完成目标航迹的跟踪滤波处理，生成校正后的目标定位位置；

显示活动目标的定位位置信息和身份识别信息。

8.如权利要求7所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，其特征在于，所述校正TDOA信息生成方法包括：

读取连续采集TDOA样本个数；

当连续采集TDOA样本个数小于预设值n时，TDOA跟踪器输出估计值等于输入测量值tdoa_j,k(i)，否者，假定局部历史TDOA估计值和时刻满足线性方程Gk＝H；求出TDOA在t_j,k(i)时刻的预测值如果预测值和测量值tdoa_j,k(i)的差值的绝对值大于预设的野值判断阈值dtdoa_th，TDOA跟踪模块输出估计值等于预测值否则，通过对测量值和预测值分别加权处理得到TDOA跟踪器输出估计值，即

$G=\left[\begin{array}{cc}{t}_{j,k}(i-n+1)& 1\\ \·\·\·& \·\·\\ t_{j,k}(i-1)& 1\end{array}\right]$ $k=\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right]$ $H=\left[\begin{array}{c}\mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}(i-n+1)\\ \·\·\·\·\·\·\\ \mathrm{tdo}{\hat{a}}_{j,k}\left(\text{i-1}\right)\end{array}\right]$

k＝(G^TG)^-1G^TH

其中

t_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集时刻，并满足t_j,k(i-1)＜t_j,k(i)；

tdoa_j,k(i)为第j和第k两站TDOA连续采集的测量值。

为第j和第k两站TDOA预测值。

为TDOA跟踪模块输出的估计值。

9.如权利要求7所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，其特征在于，所述定位位置信息生成方法包括：

获取各个接收站点的三维位置坐标、校正过后的TDOA信息以及目标的先验高度；

根据Chan算法，采取两步近似最大似然估计(ML)得到目标最优位置解。

10.如权利要求7所述的一种非视距信道环境下的多点定位监视方法，其特征在于，所述活动目标的校正后的定位位置生成方法包括：采用基于目标运动模型的卡尔曼滤波(KF)方法，在测量噪声方差已知的情况下利用活动目标的动态信息去掉测量噪声，对包括目标位置、速度在内的状态进行最优估计，从而对解算出的目标位置进行校正，提高多点定位系统输出定位精度；然后将包括活动目标校正后的定位位置、身份识别信息、高程信息在内的信息打包成标准cat10格式报文。