CN104965401A - 一种多点定位相关监视系统的到达时间测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多点定位相关监视系统的到达时间测量方法及系统。在多点定位相关监视系统提供的系统基准时钟下，对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。在有效提高多点定位相关监视系统的定位精度及降低硬件成本要求的前提下，达到提高到达时间的估精度、减少系统测量时间误差的目的。

Description

一种多点定位相关监视系统的到达时间测量方法及系统

技术领域

本发明涉及航空管制监视系统领域，特别是涉及一种适用于多点定位相关监视系统的到达时间测量方法及系统。

背景技术

多点定位相关监视系统是继广播式自动相关监视(Automatic DependentSurveillance Broadcast，ADS-B)系统之后，国际民航组织大力推广的新型航管监视技术之一。多点定位相关监视系统不仅兼容了ADS-B的全部功能，而且还能够对仅装备普通A/C/S模式应答机的飞机进行实时精确定位，其基本原理是通过采用多个接收单元接收目标的应答信号并测量出同一目标应答的到达时间，从而求出多个接收单元之间的到达时间差(Time Difference Of Arrival,TDOA)，并通过相关的数学运算确定目标位置的一种无源定位系统。由于多点定位相关监视系统可以充分利用现有的机载标准应答机，而无需加载其他机载导航设备，因而其硬件成本较低，能满足多点定位系统较二次雷达“物美价廉”的特性要求，从而被广泛应用于机场场面、航路及进近区域、高度监视(Height Monitoring Unit，HMU)、平行跑道监视(Parallel RunwayMonitoring，PRM)、ADS-B性能验证等领域。

多点定位相关监视系统的各个传感器在统一的时间基准下，接收目标应答信号后测量出到达时间，再将到达时间传送到系统的中心处理单元，经过相关处理算出目标的位置。因此到达时间的测量精度是决定多点定位相关监视系统定位精度的关键技术之一。传统的多点定位相关监视系统到达时间测量方法为脉冲上升沿检测方法，该方法是根据简单的几何关系推导的，并非最优估计方法，因而在对目标应答信号的到达时间进行测量时会带来一定的时间误差。此外由于噪声、串扰、反射等原因会引起脉冲上升沿抖动，到达时间的测量也会带来相应的时间误差。到达时间测量的是多点定位相关监视系统进行精确定位的前提，数个纳秒的测量误差会随着系统逐级运行而逐步放大，由此带来的整个系统的时间误差对系统的定位精度带来极大的影响。若想提高到达时间的测量精度，必须给系统提供高稳定的同步时钟，并减少由于系统逐级放大所带来的时间误差，此时虽然可以满足到达时间测量的时间精度要求，但却依然存在着设备成本增加、时间的测量误差大、定位精度不高等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种时间误差更低，同步时钟更稳定，到达时间测量精度更高的多点定位相关监视系统的到达时间测量方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：一种多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，具体方法为：

步骤一、在多点定位相关监视系统提供的系统基准时钟下，对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；

步骤二、对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；

步骤三、对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。

进一步的，所述步骤二和步骤三的具体方法为：通过差分匹配滤波器后得到判断值0dB，然后根据过零点检测门限，判断出目标应答脉冲信号上升沿和下降沿，在系统基准时间内应答脉冲信号上升沿的位置即为应答信号的到达时间。

进一步的，所述过零点检测门限为(-6dB，6dB)。

进一步的，所述步骤还包括：步骤四、将测定的达到时间与目标身份识别信息打包，并输出到多点定位相关监视系统的中心服务器进行后续的定位处理。

进一步的，所述步骤一中，所述系统基准时钟为恒温晶振所提供的基准时钟。

一种多点定位相关监视系统的到达时间测量系统，其特征在于：包括依次相连的A/D采样量化模块、差分匹配滤波模块和零点检测模块；所述A/D采样量化模块对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；所述差分匹配滤波模块对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；所述零点检测模块对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。

进一步的，还包括信息打包模块和中心服务器；所述信息打包模块将测定的达到时间与目标身份识别信息打包；所述中心服务器接收所述打包信息并进行后续的定位处理。

进一步的，还包括基准时钟模块，为恒温晶振。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：时间误差更低，同步时钟更稳定，到达时间测量精度更高。

附图说明

图1为本发明其中一具体实施例应答信号高速A/D采样量化后的结果。

图2为图1所示实施例中的差分匹配滤波器。

图3为图1所示实施例中的差分匹配滤波器匹配滤波后的波形图。

图4为图1所示实施例的TOA估计均方根误差随信噪比变化曲线图。

图5为现有技术中上升沿检测法的TOA估计均方根误差随信噪比变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者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。

一种多点定位相关监视系统的到达时间测量系统及方法，包括依次相连的A/D采样量化模块、差分匹配滤波模块和零点检测模块；具体测量方法为：

步骤一、在多点定位相关监视系统提供的系统基准时钟下，对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；

步骤二、对A/D采样量化的数字信号进行差分匹配滤波；

步骤三、对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。

在有效提高多点定位相关监视系统的定位精度及降低硬件成本要求的前提下，达到提高到达时间的估精度、减少测量时间误差的目的。

在本具体实施例中，应答信号脉冲宽度为0.5us，采样频率为100MHz，量化位数为16位。当应答信号到达多点定位相关监视系统的每一个接收单元时，先利用高速A/D采样电路进行数据采样并量化处理，其中采样的目的是将模拟信号转换成数字信号，采样量化后的结果如图1所示。在本具体实施例中，采用恒温晶振驯服技术来提供系统的基准时钟。

所述步骤二中，根据A/D采样的频率设计差分匹配滤波器。如图2所示，根据100MHz A/D采样频率设计数字差分匹配滤波器，对采样后的应答脉冲信号进行差分匹配滤波处理。在本具体实施例中，差分匹配滤波器正负脉冲持续时间均为0.18us，且正负脉宽之间的时间间距为0.18us，幅值有1，0，-1三种取值。通过差分匹配滤波器后得到判断值0dB。

如图3所示，所述步骤三中，根据过零点检测门限，信号幅度的一半，判断出目标的上升沿或者下降沿，从而得到信号的上升沿，也就是到达时间。

在本具体实施例中，所述过零点检测门限为(-6dB，6dB)。

所述步骤还包括：步骤四、信息打包模块将测定的达到时间与目标身份识别信息打包，并输出到多点定位相关监视系统的中心服务器进行后续的定位处理。实现了多点定位相关监视系统传感器应答信号到达时间测量并上报至解算服务器。

假设应答信号为g(t)，目标T₀时刻信号相对于噪声的归一化幅度为A，那么t时刻的信噪比为

$R\left(t\right)=\frac{1}{2}{A}^2{g}^2(t-T_0)---\left(1\right)$

则第i个采样样本的信噪比表示为

$R_i=\frac{1}{2}{A}^2{g}^2(T_i-T_0)---\left(2\right)$

由于信号的采样样本服从独立分布，则T₀时刻，幅度A的以v为变量的联合概率密度函数表示为

$L\left(\underset{\‾}{v}\right|T_0,A)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Π}}{f}_{v_i}\left(v_i\right|T_0,A)---\left(3\right)$

其中为来斯函数

$f_{v_i}=\left(v\right|A,T_0)=v\exp \{-\frac{v^2+A^2{g}_i^2}{2}\}{I}_0\left({\mathrm{Avg}}_i\right)$

式中g_i＝g(T_i-T₀)，I₀(Avg_i)为修正零阶贝塞尔函数。

令g_i′＝d[g(T_i-T₀)]/dT₀，λ＝log(L)，则脉冲信号的极大似然估计为

$\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂T_0}=-A^2\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{g}_i{g_i}^{\′}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{v}_i{g_i}^{\′}A\frac{I_0\left({\mathrm{Av}}_i{g}_i\right)}{I_0\left({\mathrm{Av}}_i{g}_i\right)}=0---\left(4\right)$

由于g_i为奇函数，信号的信噪比是一个能够估计的量，信号幅度为一个常量，则公式(4)近似表示为

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{v}_i{g_i}^{\′}(T_i-T_0)=0$

从上式可以看出脉冲信号的最大似然估计时刻是T₀时刻，等效于目标信噪比最大时刻即为T₀时刻。则能够根据差分匹配滤波求出T₀时刻，在检测门限内根据T₀时刻的值即能够计算出目标应答信号的到达时间。该方法在有效提高多点定位相关监视系统的定位精度及降低硬件成本要求的前提下，达到提高到达时间的估精度、减少测量时间误差的目的。

如图5所示，为采用背景技术上升沿检测法所估计的目标应答信号的到达时间的均方根误差随信噪比变化曲线图；图中所示的在信噪比15dB时，TOA估计的最大均方根误差约为14.5ns。

本发明实施方式及背景技术在相同的条件下，进行对比仿真运行，所得目标应答信号的到达时间估计的均方根误差随信噪比变化曲线图如图4所示，在信噪比15dB时，TOA估计的最大均方根误差约为0.97ns。

从图4与图5的对比可以看出：采用本实施方式所得到的目标应答信号的TOA估计的均方根误差远远小于采用背景技术的上升沿检测法TOA估计的均方根误差，这就为高精度TOA估计下的多点定位相关监视系统的后续处理提供了保障。

因而从仿真运行结果可以看出：本发明方法通过在利用恒温晶振的高精度的稳定时钟信息下，依次对目标应答信号的高速AD采样量化、差分匹配滤波、过零点检测技术处理，为多点定位相关监视系统接收单元提供了稳定精确的到达时间信息，极大减少目标应答信号TOA估计所带来的时间误差，从而也减少了由于系统逐级放大所带来的多点定位相关监视系统的时间误差，为后续的高精度的目标的定位提供了保障。

Claims (8)

1.一种多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，具体方法为：

步骤一、在多点定位相关监视系统提供的系统基准时钟下，对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；

步骤二、对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；

步骤三、对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。

2.根据权利要求1所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，所述步骤二和步骤三的具体方法为：通过差分匹配滤波器后得到判断值0 dB，然后根据过零点检测门限，判断出目标应答脉冲信号上升沿和下降沿，在系统基准时间内应答脉冲信号上升沿的位置即为应答信号的到达时间。

3.根据权利要求2所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，所述过零点检测门限为（-6dB，6dB）。

4.根据权利要求1到3之一所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，所述步骤还包括：步骤四、将测定的达到时间与目标身份识别信息打包，并输出到多点定位相关监视系统的中心服务器进行后续的定位处理。

5.根据权利要求1所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量方法，所述步骤一中，所述系统基准时钟为恒温晶振所提供的基准时钟。

6.一种多点定位相关监视系统的到达时间测量系统，其特征在于：包括依次相连的A/D采样量化模块、差分匹配滤波模块和零点检测模块；所述A/D采样量化模块对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；所述差分匹配滤波模块对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；所述零点检测模块对差分匹配滤波后的信号进过零点检测，在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。

7.根据权利要求6所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量系统，其特征在于：还包括信息打包模块和中心服务器；所述信息打包模块将测定的达到时间与目标身份识别信息打包；所述中心服务器接收所述打包信息并进行后续的定位处理。

8.根据权利要求6或7所述的多点定位相关监视系统的到达时间测量系统，其特征在于：还包括基准时钟模块，为恒温晶振。