CN109597026B - 一种多点定位综合仿真评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多点定位综合仿真评估方法和系统，包括场景规划、信号部署、信号仿真、信号侦收、多点定位以及指标评估等多个步骤。本发明考虑了信号TOA误差、站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差以及步站阵型等影响因素，对多点定位关键技术进行验证，最后对比真实数据与测量数据的误差，实现对多点定位系统的性能指标的评估。本发明从场景仿真和软件综合验证的角度分析影响多点定位精度的因素，评估关键技术的性能和多点定位系统的指标，从而为确定最佳的多点定位系统的解决方案提供技术支持。

Description

一种多点定位综合仿真评估方法和系统

技术领域

本发明涉及航空监视技术领域，尤其涉及一种基于模拟场景下的多点定位综合仿真评估方法和系统。

背景技术

近年来随着航空业持续发展，航空监视技术不断创新和发展，传统的航空监视手段由于自身的局限性，已经无法满足现代日益复杂航空运输和空中管制的需求。因此，新的监视技术如多点定位技术(MLAT)得以快速发展，并逐步应用在民航领域。

多点定位技术属于独立协同式监视技术，其利用现有的电子设备辐射的信号进行无源接收定位。信号不仅包括ADS-B信号，还可以是模式AC、S模式询问应答信号、DME询问应答信号等，如此可以很好地兼用其他监视系统。此外，这种技术的定位范围相对于仅装应答机、ADS-B设备来说更加广泛，对其它系统干扰小，并具备高精度、防信息欺骗等的优点。而且，无需加装其它机载导航设备，建设、运行维护的成本低。因此，该技术目前已经成为航空监视领域的研究热点。

随着多点定位技术的不断发展，其应用越来越多样化。目前多点定位不仅用于民用飞机目标定位，而且还逐步应用于地面目标、海面目标、局部的军事目标定位。多点定位的步站结构和规模逐渐复杂化。因此，多点定位站点不仅有场面固定站点，而且还有空中、海面快速移动站点，并且根据目标位置的变化，定位站点可以根据精度要求从多个站点中自由选择和优化匹配，定位出更加精确的位置。

然而，现有的多点定位技术单纯地依靠局部仿真很难验证多点定位系统整体的性能，亟需一种全面的技术手段来反映和预测系统的整体效能。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种对多点定位功能的性能指标进行仿真评估的综合验证系统，能够对实施环境进行模拟以及对关键技术进行验证。

根据本发明的实施例，包括以下步骤：

场景规划步骤：根据应用场景对多点定位系统中的目标和平台的个数和运动轨迹进行设置；

信号部署步骤：对目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号进行设置，并记录在没有衰减和干扰的理想情况下平台接收目标发射信号的理想的接收时间戳；

信号仿真步骤：按照信号设置生成仿真的目标发射信号，并模拟目标发射信号在空间衰减和信道环境的影响下从目标到平台的传播过程；

信号侦收步骤：测量在模拟场景下(在空间衰减和信道环境的影响下)平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳，并分析平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差；

多点定位步骤：基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳，利用多点定位算法对目标进行定位，并分析目标定位位置与目标真实位置之间的误差；

指标评估步骤：基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差以及目标定位位置与目标真实位置之间的误差，对多点定位系统的性能指标进行分析。

根据本发明的实施例，所述场景规划步骤中，还包括对影响多点定位精度的定位影响参数进行设置，其中，所述定位影响参数至少包括站间同步误差、时钟漂移误差和步站误差中的一种。

根据本发明的实施例，所述场景规划步骤中，通过线性插值的方法对多点定位系统中的目标和平台的运动轨迹进行设置。

根据本发明的实施例，所述信号部署步骤中，对目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号的类型、功率和顺序进行设置。

根据本发明的实施例，所述信号部署步骤中，目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号的类型相同或者按照周期顺序变化。

根据本发明的实施例，所述信号仿真步骤中，生成仿真的目标发射信号包括对信号进行中频调制、上变频、射频发射的过程。

根据本发明的实施例，所述指标评估步骤中，对多点定位系统的性能指标进行分析包括计算系统的TOA误差、定位平均精度、定位成功率、圆概率误差、球概率误差。

根据本发明的实施例，若平台阵型为动态阵型，则所述指标评估步骤中，还包括对多个平台阵型进行评估，选择最优阵型，以实现对目标的最优定位。

根据本发明的实施例，提供一种多点定位综合仿真评估系统，包括计算机可读存储介质，其中存储有程序，所述程序在被处理器执行时实现上述多点定位综合仿真评估方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点或有益效果：

1)模拟应用场景：本发明能够模拟海陆空多种应用场景，可以设置包括空中飞行目标、地面车载目标、海面舰载目标等多种目标类型，可以模拟发射多种信号类型，包括例如模式AC、S模式询问应答信号、ADS-B信号、DME询问应答信号等，能够覆盖多个频段；本发明能够按照场景仿真需要对多点定位侦收目标和平台的阵型和运动轨迹进行部署，可同时设置数量较多的信号侦收平台和目标，用于复杂应用环境下的综合系统仿真；

2)验证关键算法：本发明将多点定位技术中的核心算法嵌入到仿真系统中，通过调整、更换仿真系统中的算法模块，就可以对具体的算法进行可行性评估；

3)分析影响因素：本发明能够根据设备实际地理环境和应用情况进行灵活配置，以评估对整个系统性能的影响；

4)评估系统性能，本发明综合考虑到多种因素影响，通过场景仿真，对比测量数据与真实数据的误差，得出例如五个定位综合指标来评述多点定位系统的整体性能。

本发明采用软件综合仿真的方式，通过直接分析测量数据与真实数据的误差、提高多点定位系统设计的可靠性和预测性，实现了多点定位指标的综合仿真评估，节约了技术的研制成本，降低项目调试难度和实施过程中的风险。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明公开的范围。其中所包括的附图是：

图1示出了本发明实施例的基于模拟场景下的多点定位综合仿真评估方法的步骤流程图；

图2示出了图1所示步骤流程的详解图；

图3示出了本发明实施例的一种场景规划的示意图；

图4示出了本发明实施例的信号发射顺序的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方案，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

下面结合具体实施例对本发明的方法进行详细介绍。如图1和图2所示，该方法具体包含以下步骤：

步骤一：场景规划步骤，根据应用场景对多点定位系统中的目标和平台的个数和运动轨迹进行设置。

典型的应用场景包括民航机场、海军编队、空中编队等。在具体实施时，可以根据验证需要选择其中的一种场景，在该场景下对多点定位系统中的目标和平台的个数和运动轨迹进行设置。

目标和平台均包括地面、海面、空中三种类型。在具体实施时，本发明的仿真系统可以设置多达64个目标以及多达32个平台。目标和平台的运动轨迹可以在WGS-84坐标系下通过经纬高三个维度的参数进行描述。在图3所示的实施例中，应用场景为海军编队监视空中编队场景，目标和平台为动态航迹，数量均为5个。

优选地，可以通过线性插值的方法对多点定位系统中的目标和平台的运动轨迹进行设置。首先通过应用程序完成目标和定位平台中间点的设置，设置的参数包括中间点的个数、中间点的经纬高以及点的连接方式。点的连接方式包括直线和曲线两种。对于直线航迹，直接线性插值函数生成航迹点，完成航迹规划；对于曲线轨迹，则需要将线性插值进行非线性转换。当然，也可以设置多个中间点的位置为同一经纬高，这样的轨迹就为固定位置。

在目标设置中，如果将目标设置为距离平台的一个特定位置，那么可以根据不同距离对目标进行性能指标测试，例如TOA测量精度测试；如果将目标设置为一个动态位置，那么可以进行不同方位的误差分析。

在平台设置中，如果将平台设置为一个特定位置，可以对特定阵型进行定位精度评估；如果将多个平台设置为一个动态位置，仿真系统会从多个平台中选择最优阵型，实现对目标的最优定位，从而可以评估动态平台阵型的性能优势。在本实施例中，为了验证平台阵型对多点定位结果的影响，可以将平台设置为固定阵型固定站点。

此外，本发明还提出，结合设备实际应用情况，通过外部参数接口，对例如站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差等影响多点定位精度的定位影响参数进行设置，以便能够更加客观地描述多点定位系统设计的可靠性和预测性。

步骤二：信号部署步骤，对目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号进行设置，并且记录在没有衰减和干扰的理想情况下平台接收目标发射信号的理想的接收时间戳，其中，设置内容可以包括目标发射信号的类型、功率和顺序。

信号的类型可以包括模式AC、S模式询问应答信号、ADS-B信号或DME询问应答信号等。

信号的功率可以按照设备功率等级分为200W、250W、500W、1000W，也可以设置为用户自定义的功率等级，这有利于分析设备的威力范围。

信号的发射顺序与该目标发射的信号类型的个数有关。有的目标只安装一种信号类型设备，则该目标只发射一种信号，无需考虑放射顺序；有的目标安装多种信号类型设备，则该目需标发射多种信号，信号信号的类型按照周期顺序变化。仿真时，目标按照预设航迹进行航迹的推进，每当一个目标推进到一个航迹点，会于该航迹点处发射一种类型信号，信号类型可以相同或者周期顺序变化。在如图4所示的实施例中，圆点表示飞机运动轨迹，圆点的灰度表示发射信号的类型，由图4可知，3架飞机分别周期性地发送1种、2种、3种类型信号。

步骤三：信号仿真步骤，按照上述信号设置生成仿真的目标发射信号，并模拟目标发射信号在空间衰减和信道环境的影响下从目标到平台的传播过程。

在本实施例中，生成仿真的目标发射信号可以包括对信号进行中频调制、上变频、射频发射等完整的处理过程。同时，还模拟在空间衰减与信道环境的影响下，目标将信号传递给平台的过程，用于体现信道环境对于TOA(Time of Arrival)测量的影响，以使模拟场景更能贴近真实环境。同时，将信号类型和理想的接收时间戳通过缓存保存下来，用于误差的统计。

在此，信道环境尤指地理环境，包括山区、平原、海面等，环境不同对应的信道衰减速率、信道衰减深度等均不同。

步骤四：信号侦收步骤，测量在模拟场景下(在空间衰减和信道环境的影响下)平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳，并分析平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差。

在该步骤中，主要测量在上述模拟场景下平台接收目标发生的空间信号的时间戳(即实际的接收时间戳)，并记录侦收的信号类型和实际的接收时间戳。测量结果一方面与步骤三的信号类型和理想的TOA进行对比，输出TOA性能指标，另一方面输出到多点定位模块，进行TOA误差对定位的影响分析。

步骤五：多点定位步骤，基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间，利用多点定位算法对目标进行定位，并分析目标定位位置与目标真实位置之间的误差。

前面提及，本发明还考虑了定位影响因素对于多点定位精度的影响。在此，定位影响因素尤其指站间同步误差、时钟漂移误差、TOA误差、步站误差以及步站阵型。其中，由于站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差以及步站阵型会直接影响TOA测量精度，进而影响目标定位位置的计算结果，因此，优选地，本发明还在场景规划步骤中，结合设备实际应用情况，通过外部参数接口，对站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差等影响多点定位精度的定位影响参数进行设置。例如，根据多点定位系统的误差分布单独设置站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差。步站阵型则通过平台场景设置而确定。TOA测量精度则通过平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差来体现。其中：

站间同步误差是由于各个站间时间不同步导致，单位为ns，仿真的范围为0～50ns；

时钟漂移误差是由AD采样精度决定，单位为ns，仿真的范围为0～15ns；

TOA测量误差取决于信号的大小和信号侦收算法的优越性，单位为ns，仿真范围为0～30ns；

步站误差则主要与多点定位侦收平台位置精度相关，对于固定站点可以通过一定方法进行修正，对于移动站点则与导航精度相关，其单位为m，仿真范围为0～500m；

步站阵型可以选择为星型、T型等阵型。

当确定上述定位影响因素后，也就确定了目标定位结果的精度。

步骤六：指标评估步骤，基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差以及目标定位位置与目标真实位置之间的误差，对多点定位系统的性能指标进行分析。

在该步骤中，对比真实数据与测量数据，对整个多点定位系统的性能指标进行评估。真实数据包括目标航迹的经纬高以及由步骤二记录的理想的接收时间戳，，本发明将理想的接收时间戳记为TOA_org；测量数据包括目标定位的经纬高以及步骤四测量的实际的接收时间戳，本发明将实际的接收时间戳记为TOA_i。

对多点定位系统的性能指标进行评估包括计算系统的TOA误差、定位平均精度、定位成功率、圆概率误差和/或球概率误差。

指标一：TOA误差评估

TOA误差反应的是多点定位设备TOA的测量精度，通过以下TOA均方根误差评估计算式确定：

其中，TOA_i为信号第i次测量的实际的接收时间戳，N为最大发射次数，TOA_org为信号理想的接收时间戳，TOA_i-TOA_org为第i次TOA的测量误差。

指标二：定位平均精度

定位平均精度反应的是多点定位系统定位精度，其中，第i个定位位置的相对误差为：

σ_i＝(目标定位位置-目标真实位置)/(侦收平台主站中心位置-目标真实位置)×100％；

整个系统的定位平均精度为：

指标三：定位成功率

定位成功率反应的是多点定位系统定位能力，定位成功率的计算式为：

λ_i＝定位出的航迹点数/总共航迹点数×100％

指标四：圆概率误差(CEP)

圆概率误差(CEP)是以二维目标真实位置(经纬度，假设定位高度无误差)为圆心，统计二维定位位置离散分布度量小于固定误差的百分比α：

α＝二维定位小于固定误差的航迹点数/定位出的航迹点数×100％

指标五：球概率误差(SEP)

β＝三维定位小于固定误差的航迹点数/定位出的航迹点数×100％

球概率误差(SEP)是以三维目标真实位置(经纬高)为圆心，统计三维定位位置离散分布度量小于固定误差的百分比β。

在此，固定误差可以根据系统指标进行设定，其中：对于固定站点，国际民航组织ICAO规定了局域多点定位的定位精度不低于7.5m；对于快速移动多点定位站点，由于阵型快速变化，定位误差较大且跟距离相关，一般距离越远，定位精度也越差,目前比较认可的误差评价标准是目标定位距离误差与目标到中心站距离的百分比，即σ_i，如果目标与中心站距离100Km，σ_i取值1％，则定位误差不能超过1Km。

通过上述系统指标，可以有效验证多点定位系统设计的可靠性，从而可以给出最佳的多点定位系统的解决方案。

相应地，本发明还提出了一种基于模拟场景下的多点定位综合仿真评估系统，其采用模块化设计，可以将系统关键技术中的多点核心定位算法嵌入到仿真系统中进行的验证，并提供了外部参数接口，根据设备实际应用情况，对例如TOA误差、站间同步误差、时钟漂移误差、步站误差以及步站阵型等多种定位影响参数进行灵活配置，从而能够有效验证多点定位系统设计的可靠性和预测性，实现了多点定位指标的综合仿真评估，为降低项目实施的风险提供技术支持，减少技术的研制成本。

本发明列举的实施例仅仅是为了说明本发明的工作流程和原理所做的举例，并非是对本发明实施方式的限定，亦非对本发明请求保护范围进行的限定。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明设计精神的前提下，可以在此基础上做出不同形式的改动，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

场景规划步骤：根据应用场景对多点定位系统中的目标和平台的个数和运动轨迹进行设置；

信号部署步骤：对目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号进行设置，并记录在没有衰减和干扰的理想情况下平台接收目标发射信号的理想的接收时间戳；

信号仿真步骤：按照信号设置生成仿真的目标发射信号，并模拟目标发射信号在空间衰减和信道环境的影响下从目标到平台的传播过程；

信号侦收步骤：测量在模拟场景下平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳，并分析平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差；

多点定位步骤：基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳，利用多点定位算法对目标进行定位，并分析目标定位位置与目标真实位置之间的误差；

指标评估步骤：基于平台接收目标发射信号的实际的接收时间戳与理想的接收时间戳之间的误差以及目标定位位置与目标真实位置之间的误差，对多点定位系统的性能指标进行分析；

其中，所述指标评估步骤中，对多点定位系统的性能指标进行分析包括计算系统的TOA误差、定位平均精度、定位成功率、圆概率误差和球概率误差中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，所述场景规划步骤中，还包括对影响多点定位精度的定位影响参数进行设置，其中，所述定位影响参数至少包括站间同步误差、时钟漂移误差和步站误差中的一种。

3.根据权利要求1所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，所述场景规划步骤中，通过线性插值的方法对多点定位系统中的目标和平台的运动轨迹进行设置。

4.根据权利要求1所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，所述信号部署步骤中，对目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号的类型、功率和顺序进行设置。

5.根据权利要求4所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，所述信号部署步骤中，目标在按照预设的运动轨迹推进的过程中所要发射的信号的类型相同或者按照周期顺序变化。

6.根据权利要求1所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，所述信号仿真步骤中，按照信号设置，通过对信号进行中频调制、上变频、射频发射生成仿真的目标发射信号。

7.根据权利要求1所述的多点定位综合仿真评估方法，其特征在于，若平台阵型为动态阵型，则所述指标评估步骤中，还包括对多个平台阵型进行评估，选择最优阵型，以实现对目标的最优定位。

8.一种多点定位综合仿真评估系统，包括计算机可读存储介质，其中存储有程序，所述程序在被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的多点定位综合仿真评估方法。

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