CN107064869A - 一种民航s码信号到达时间的精确测量方法和装置 - Google Patents

一种民航s码信号到达时间的精确测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种民航S码信号到达时间的精确测量方法和装置，以满足多点定位技术对目标发射（应答）信号到达多基站的时间差参数的精确测量要求。本发明的主要特征为：其1、基于前导脉冲到达时间的测量；其2、基于前导脉冲全部的四个脉冲的测量；其3、相对于脉冲的前沿测量或后沿测量，采用双积分法测量脉冲中心位置不受前端滤波带宽变化影响，测量结果稳定精度高；其4、把一个时钟细分为前半周期后半周期，通过积分值的比较进一步获得0.5个时钟周期的信号到达时间测量精度，降低了时间量化误差。

Description

一种民航S码信号到达时间的精确测量方法和装置
技术领域
本发明属于信号到达时间的测量技术，特别是一种基于双积分法的民航S码前导脉冲的到达时间的精确测量方法和装置。
背景技术
多点定位技术(Multilateration，MLAT)从验证到使用已经有多年的历史，采用到达时间差定位技术，通过测量目标发射(应答)信号到达多的基站的时间差参数来确定目标三维位置与身份。其最早被用作军事用途来精确定位航空器位置，在空管监视领域最初主要用在机场场面监视，作为场面监视雷达的一种补充手段。近年来，多点定位技术被用作大空域诸如区域或进近的监视手段，在世界多个地区空管实际工作中得到一些示范性应用。我国在2013年制定了多点定位系统通用技术要求，对广域多点定位的技术指标、实验方法、检验规则等方面进行了规范,同时也给出了广域多点定位系统的定义，即将多点定位技术应用于较大的区域，如航路或者区域环境等对目标进行定位时，则被称为广域多点定位系统(WAM)。很显然，信号到达时间差参数的精确测量是多点定位技术的基础，信号到达时间测量误差的降低可以进一步提高目标空间位置的定位精度。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于包含A/C应答码以及ADS-B广播码的民航S码的信号到达时间的测量方法和装置，以满足多点定位技术对目标发射(应答)信号到达多基站的时间差参数的精确测量要求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，所述S码的前导脉冲包括四个脉冲，所述方法包括如下步骤：
(1)将幅度检波后提取脉冲包络信号通过三路延迟使前导脉冲内的前三个脉冲通过各自不同时间延迟，在时间位置上与直通信号的第四个脉冲对齐；
(2)将三路延迟信号与直通信号共四路信号相加；
(3)将相加后的信号进行第一分级延迟，并将第一分级延迟后的信号进行第二分级延迟；所述第一分级延迟和第二分级延迟的时间均为D，0.5T<D<T，T为脉冲宽度；
(4)将第一分级延迟内的各分级并行输出相加获得前向积分数值，将第二分级延迟内的各分级并行输出相加获得后向积分数值；
(5)依据当前时钟位置的前向积分和后向积分以及前一时钟位置的前向积分和后向积分的数值大小变化关系，确定脉冲中心过后的首个时钟位置，并确定在该时钟的前半周期还是后半周期，进而结合延迟时间确定脉冲中心的到达时间。
作为优选，所述步骤(5)中脉冲中心过后的首个时钟位置的确定方法为：若同时满足A前一时钟＜B前一时钟和A当前时钟≥B当前时钟，则当前位置就是脉冲中心过后的首个时钟位置，其中A为前向积分、B为后向积分。
作为优选，所述步骤(5)中确定在时钟的前半周期还是后半周期的方法为：若满足A前一时钟＞B当前时钟，则脉冲中心处于当前时钟前半周期，否则为后半周期。
作为优选，所述步骤(5)中若脉冲中心处于时钟的前半周期时则脉冲中心的到达时间t＝当前时间+步骤(1)中的三路延迟的最大延迟时间+步骤(3)中的总延迟时间+其它延迟补偿；若脉冲中心处于时钟的后半周期时则脉冲中心的到达时间t＝当前时间+步骤(1)中的三路延迟的最大延迟时间+步骤(3)中的总延迟时间+其它延迟补偿+半个时钟周期。
一种民航S码信号到达时间的精确测量装置，包括：
信号幅度检波模块，用于对调制信号进行幅度检波，输出脉冲包络信号；
第一时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第三个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
第二时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第二个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
第三时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第一个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
求和模块，用于将三路延迟模块输出的信号与直通信号进行幅度累加求和，输出四路合成信号；
第一分级延迟模块，用于将合成信号进行分级延迟，各分级并行输出；
第二分级延迟模块，用于将第一分级延迟模块输出的信号再进行分级延迟，各分级并行输出；
前向积分模块，用于完成第一分级延迟模块各分级并行输出信号的相加求和，获得前向积分数值；
后向积分模块，用于完成第二分级延迟内模块各分级并行输出信号的相加求和，获得后向积分数值；
两路积分锁存模块，用于存储当前时钟位置及前一时钟位置的前向积分值和后向积分值；
脉冲中心位置判断模块，用于依据当前时钟位置的前向积分和后向积分以及前一时钟位置的前向积分和后向积分的数值大小变化关系，确定脉冲中心过后的首个时钟位置，并确定在该时钟的前半周期还是后半周期；
以及，信号到达时间计算模块，用于根据脉冲中心位置判断结果结合总的延迟时间确定脉冲中心的到达时间。
作为优选，所述第一时间延迟模块、第二时间延迟模块和第三时间延迟模块分别采用多级数字移位寄存器方式，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比，移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。
作为优选，所述第一分级延迟模块和第二分级延迟模块分别采用具有并行输出的多级移位寄存器组成，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比，移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。
有益效果：与现有技术相比，本发明的主要特征为：其1、基于前导脉冲到达时间的测量。其2、基于前导脉冲全部的四个脉冲合成后的测量。其3、基于积分法测量。相对于脉冲的前沿测量或后沿测量，采用双积分法测量脉冲中心位置不受前端滤波带宽变化影响，测量结果稳定精度高。其4、基于半个时钟周期的测量。把一个时钟细分为前半周期后半周期，通过积分值的进一步比较获得0.5个时钟周期的信号到达时间测量精度，降低了时间量化误差。民航S码包含了很多种类编码，都具有相同的前导脉冲。因此，本发明不仅适用于A/C应答码、ADS-B广播码，也适用于其它各类民航S码类型的信号到达时间的精确测量。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图。
图2是民航S码前导脉冲的组成图。
图3是分别处于脉冲中心之前、之中和之后三种位置时的前向积分与后向积分数值大小变化示意图。其中，左边暗色为前向积分面积，右边浅色为后向积分面积；(a)脉冲中心之前，浅色面积大，即后向积分大；(b)脉冲中心位置，两边面积相等,前后向积分相等；(c)脉冲中心之后，暗色区域面积大，即前向积分大。
图4是处于脉冲中心之前的前一个时钟(前一时钟)、脉冲中心之后第一个时钟(当前时钟)位置的前向积分与后向积分数值大小示意图。其中，左边暗色为前向积分面积，右边浅色为后向积分面积；(a)前一时钟在脉冲中心之前浅色面积大，即后向积分大；(b)当前时钟在脉冲中心之后暗色区域面积大，即前向积分大。
图5是脉冲中心分别处于当前时钟的前半周期、正中心、后半周期三种情况下的前一时钟前向积分与当前时钟后向积分的数值大小示意图。其中，左边暗色为前向积分面积，右边浅色为后向积分面积；(a)脉冲中心位于时钟后半周期，前一时钟位置左边暗色区域小于后一时钟位置右边浅色区域面积；(b)脉冲中心位于时钟中心，前一时钟位置左边暗色区域等于当前时钟位置右边浅色区域面积(c)脉冲中心位于时钟前半周期，前一时钟位置左边暗色区域大于当前时钟位置右边浅色区域面积。
具体实现方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。图1为本发明实施例公开的一种民航S码信号到达时间的精确测量方法的主要流程图，方法所基于的A/C应答码以及ADS-B广播码等民航S码的前导脉冲包含宽度为0.5us的4个脉冲，时间顺序为0us、1us、3.5us和4.5us，如图2所示。
本发明实施例公开的一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，主要包括如下步骤：
(1)将幅度检波后提取脉冲包络信号通过三路延迟使前导脉冲内的前三个脉冲通过各自不同时间延迟，在时间位置上与直通信号的第四个脉冲对齐；具体为：一路1us延迟使第三个脉冲与第四个对齐，一路经过3.5us延迟使第二个脉冲与与第四个脉冲对齐，一路延迟4.5us使得第一个脉冲与第四个脉冲对齐。
(2)将三路延迟信号与直通信号共四路信号相加求和，在第四个脉冲位置实现前导脉冲内的四个脉冲相加；
(3)将相加后的信号进行第一分级延迟0.4us，并将第一分级延迟0.4us后的信号进行第二分级延迟0.4us；
(4)将第一分级延迟0.4us内的各分级并行输出相加获得前向积分数值，将第二分级延迟0.4us内的各分级并行输出相加获得后向积分数值；
(5)依据当前时钟位置的前向积分和后向积分，以及保存的前一时钟位置的前向积分值和后向积分值，依照它们的数值大小变化关系，求出脉冲中心过后的首个时钟位置。再依据前一时钟的前向积分值以及当前时钟位置的后向积分值，依照二者数值大小的关系，得出脉冲中心是否当前时钟的前半周期。若脉冲中心不处于当前时钟的前半周期，则信号到达时间需额外加上0.5时钟周期。最后结合总延迟时间确定脉冲中心的到达时间。
信号的详细处理过程为：先对信号的进行幅度包络检波，获得脉冲包络。其中包含前导脉冲以及随后的系列脉冲编码。分别经过三路不同的时间延迟，将前导脉冲中前3个脉冲统一到第四个脉冲(4.5us处)时间位置上。具体为：一路1us延迟使第三个脉冲与第四个对齐，一路经过3.5us延迟使第二个脉冲与第四个脉冲对齐，一路延迟4.5us使得第一个脉冲与第四个脉冲对齐。然后，将该四路信号累加求和，在第四个脉冲位置上实现了前导脉冲内的四脉冲重叠相加。随后，将重叠相加后的信号先分级延迟0.4us，再分级延迟0.4us。以延迟0.4us处作为参考点，往前将0.4us内信号积分，具体用第一个0.4us延迟内的信号进行脉冲前半部分积分，称之为前向积分。从参考点往后将0.4us内信号积分，具体用第二个0.4us延迟内的信号进行脉冲后半部分积分，称之为后向积分。由于脉冲宽度为0.5us，理论上前部积分、后部积分时间宽度应不小于0.25us；出于抗干扰以及提高信噪比的原因，前置接收机带宽受到限制，从而引起脉冲宽度增大。因此，向前和向后的积分时间分别设计为0.4us，以对应展宽后的脉冲宽度。在脉冲中心位置之前，前向积分小于后向积分；在脉冲中心位置之后，前向积分大于后向积分；在脉冲中心位置，前向积分等于后向积分。前向积分和后向积分的当前时钟位置的值和前一时钟位置上的值分别为：前向积分的当前值、前向积分的前一时钟值、后向积分的当前值、后向积分的前一时钟值。在脉冲中心之前的那个时钟位置(前一时钟)，前向积分小于后向积分；在脉冲中心之后的那个时钟位置(当前时钟)，前向积分大于后向积分。通过比较两个相邻时钟位置上的前向积分与后向积分大小变化关系，可判断出脉冲中心的位置。具体为：第一步，先求得脉冲中心之后的第一个时钟位置；第二步，在此基础上进一步判断脉冲中心处于该时钟的前半周期或后半周期，从而获得2倍于时钟周期的时间量化精度，其依据的核心特征在于：情况1、脉冲中心处在时钟中间位置时，在脉冲中心的前面一个时钟处的前向积分等于在脉冲中心的后面一个时钟处的后向积分；情况2、脉冲中心处在时钟前半周期时，在脉冲中心的前面一个时钟处的前向积分大于在脉冲中心的后面一个时钟处的后向积分；情况3、脉冲中心处在时钟后半周期时，在脉冲中心的前面一个时钟处的前向积分小于在脉冲中心的后面一个时钟处的后向积分。若脉冲中心位于时钟后半周期内，信号到达时间额外加上0.5个时钟周期。这样一来，脉冲中心位置到达时间的测量就具备了两倍于时钟频率的时间量化精度。这具有很好实用价值，因为时钟降低一倍意味着在数字电路中器件资源、器件速度等级以及功耗等都将大幅降低。
本实施例公开的一种民航S码信号到达时间的精确测量装置，主要包括信号幅度检波模块，第一时间延迟模块，第二时间延迟模块，第三时间延迟模块，求和模块，第一分级延迟模块，第二分级延迟模块，前向积分模块，后向积分模块，两路积分锁存模块，脉冲中心位置判断模块，以及信号到达时间计算模块。为简化说明，下面以时钟等于20MHz为例论述具体实现过程的参数选取。
民航S码各脉冲被1090MHz频率调制，首先通过信号幅度检波模块进行幅度提取获得脉冲包络信号。
脉冲信号经过包含4.5us延迟的第一时间延迟模块、3.5us延迟的第二时间延迟模块、1us延迟的第三时间延迟模块的三个延迟路径和0延迟的直通路径共各个路径。其中延迟采用多级数字移位寄存器方式，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比。移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。在时钟等于20MHz时，时钟周期等于0.05us，1us延迟采用20级移位寄存器，3.5us延迟采用70级移位寄存器，4.5us延迟采用90级移位寄存器。
前导脉冲中四脉冲累加求和模块将直通的信号以及分别经过1us延迟、3.5us延迟和4.5us延迟的信号共四路信号幅度相加求和，得出四路相加后的合成结果输出。
第一分级延迟模块(0.4us延迟)采用具有并行输出的多级移位寄存器组成，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比。移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。在时钟等于20MHz时，时钟周期等于0.05us，0.4us延迟共采用8级移位寄存器。
第二分级延迟模块(0.4us延迟)与第一分级延迟模块相同。
前向积分模块完成第一分级延迟模块的所有各级并行输出的信号积分，具体方法是将第一分级延迟模块内的各级移位寄存器的输出相加。在20MHz时钟的情况，将其8级移位寄存器的每一级输出值相加求和。
后向积分模块完成第二分级延迟模块的所有各级并行输出的信号积分，具体方法是将第二分级延迟模块内的各级移位寄存器的输出相加。在20MHz时钟的情况，将其8级移位寄存器的每一级输出值相加求和。
两路积分锁存模块分别存储当前时钟位置及前一时钟位置的前向积分值和后向积分值。
脉冲中心位置判断模块，包含脉冲中心后面的首个时钟位置以及脉冲中心处于该时钟的前半周期还是后半周期两部分判断内容。脉冲中心过后的首个时钟位置判断具体特征为：条件1、在脉冲中心的前一个时钟位置，前向积分的数值小于后向积分的数值，若设前向积分为A、后向积分为B，则A前一时钟＜B前一时钟；条件2、在脉冲中心后的当前时钟位置，前向积分的数值大于等于后向积分的数值，即A当前时钟≥B当前时钟。同时满足条件1和条件2，则当前位置就是脉冲中心过后的首个时钟位置，如图4所示。在脉冲中心过后的首个时钟位置确定以后，接着判断脉冲中心在该时钟的前半周期还是后半周期。依据的主要特征分为三种情况：其1、若脉冲中心处于时钟后半周期，则前一时钟位置的前向积分小于当前时钟的后向积分，即A前一时钟<B当前时钟，如图5a所示；其2、若脉冲中心处于当前时钟的正中间位置，则前一时钟位置的前向积分等于当前时钟位置的后向积分A前一时钟＝B当前时钟，如图5b所示；其3、若脉冲中心处于当前时钟的前半周期，则前一时钟位置的前向积分大于当前时钟位置的后向积分A前一时钟>B当前时钟，如图5c所示。因此，前一时钟位置的前向积分大于当前时钟位置的后向积分A前一时钟＞B当前时钟，则脉冲中心处于该时钟前半周期，否则为后半周期。
信号到达时间计算模块，用于根据脉冲中心位置判断结果结合总的延迟时间确定脉冲中心的到达时间，在脉冲中心处于时钟的前半周期时则脉冲中心的到达时间：
t＝当前时间+4.5us+0.8us+其它延迟补偿；
在脉冲中心处于在时钟的后半周期时则脉冲中心的到达时间：
t＝当前时间+4.5us+0.8us+其它延迟补偿+0.5时钟周期；
其中4.5us是补偿在脉冲信号时间延迟中的将前导脉冲中前三个脉冲与第四个脉冲对齐造成的延迟，0.8us是补偿第一个0.4us延迟以及第二个0.4us延迟造成的延迟，其它延迟补偿项是补偿本发明以外的前置接收等部分造成时间延迟，为与系统相关的固定常量。多点定位系统利用信号到达时间差参数，不是信号到达时间来确定目标空间位置。因此，信号到达时间上的共性误差不影响目标的多点定位精度。

Claims (7)

1.一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，所述S码的前导脉冲包括四个脉冲，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将幅度检波后提取脉冲包络信号通过三路延迟使前导脉冲内的前三个脉冲通过各自不同时间延迟，在时间位置上与直通信号的第四个脉冲对齐；
(2)将三路延迟信号与直通信号共四路信号相加；
(3)将相加后的信号进行第一分级延迟，并将第一分级延迟后的信号进行第二分级延迟；所述第一分级延迟和第二分级延迟的时间均为D，0.5T<D<T，T为脉冲宽度；
(4)将第一分级延迟内的各分级并行输出相加获得前向积分数值，将第二分级延迟内的各分级并行输出相加获得后向积分数值；
(5)依据当前时钟位置的前向积分和后向积分以及前一时钟位置的前向积分和后向积分的数值大小变化关系，确定脉冲中心过后的首个时钟位置，并确定在该时钟的前半周期还是后半周期，进而结合延迟时间确定脉冲中心的到达时间。
2.根据权利要求1所述的一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中脉冲中心过后的首个时钟位置的确定方法为：若同时满足A前一时钟＜B前一时钟和A当前时钟≥B当前时钟，则当前位置就是脉冲中心过后的首个时钟位置，其中A为前向积分、B为后向积分。
3.根据权利要求2所述的一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中确定在时钟的前半周期还是后半周期的方法为：若满足A前一时钟＞B当前时钟，则脉冲中心处于当前时钟前半周期，否则为后半周期。
4.根据权利要求1所述的一种民航S码信号到达时间的精确测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中若脉冲中心处于时钟的前半周期时则脉冲中心的到达时间t＝当前时间+步骤(1)中的三路延迟的最大延迟时间+步骤(3)中的总延迟时间+其它延迟补偿；若脉冲中心处于时钟的后半周期时则脉冲中心的到达时间t＝当前时间+步骤(1)中的三路延迟的最大延迟时间+步骤(3)中的总延迟时间+其它延迟补偿+半个时钟周期。
5.实现根据权利要求1-4任一项所述精确测量方法的一种民航S码信号到达时间的精确测量装置，其特征在于，包括：
信号幅度检波模块，用于对调制信号进行幅度检波，输出脉冲包络信号；
第一时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第三个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
第二时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第二个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
第三时间延迟模块，用于将前导脉冲内的第一个脉冲与直通信号的第四个脉冲对齐；
求和模块，用于将三路延迟模块输出的信号与直通信号进行幅度累加求和，输出四路合成信号；
第一分级延迟模块，用于将合成信号进行分级延迟，各分级并行输出；
第二分级延迟模块，用于将第一分级延迟模块输出的信号再进行分级延迟，各分级并行输出；
前向积分模块，用于完成第一分级延迟模块各分级并行输出信号的相加求和，获得前向积分数值；
后向积分模块，用于完成第二分级延迟内模块各分级并行输出信号的相加求和，获得后向积分数值；
两路积分锁存模块，用于存储当前时钟位置及前一时钟位置的前向积分值和后向积分值；
脉冲中心位置判断模块，用于依据当前时钟位置的前向积分和后向积分以及前一时钟位置的前向积分和后向积分的数值大小变化关系，确定脉冲中心过后的首个时钟位置，并确定在该时钟的前半周期还是后半周期；
以及，信号到达时间计算模块，用于根据脉冲中心位置判断结果结合总的延迟时间确定脉冲中心的到达时间。
6.根据权利要求5所述的一种民航S码信号到达时间的精确测量装置，其特征在于，所述第一时间延迟模块、第二时间延迟模块和第三时间延迟模块分别采用多级数字移位寄存器方式，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比，移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。
7.根据权利要求5所述的一种民航S码信号到达时间的精确测量装置，其特征在于，所述第一分级延迟模块和第二分级延迟模块分别采用具有并行输出的多级移位寄存器组成，每级延迟一个时钟周期，移位寄存器级数与时钟周期大小成反比，移位寄存器的位数与信号幅度的位数相符。
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