CN110940972A - 多前导脉冲联合滤波检测的s模式信号到达时间提取方法 - Google Patents

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Abstract

一种多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法。其包括确认前导脉冲中单、双和四脉冲时序结构关系；构建多脉冲差分匹配滤波模型；获得具有多个过零点的输出信号；对输出信号进行采样；确认S模式前导脉冲中A脉冲的上升沿或下降沿到达位置；确定基站S模式脉冲信号的到达时间的数值；得到多个辅站与主站间的到达时间差或者到达时间和；获得目标位置坐标的连续数据，最后将这些连续数据进行处理而形成目标航迹等步骤。仿真与实测数据分析表明，本发明方法能够提高到达时间估计的精确度，从而提升多点定位系统的米级定位精确度和一致性等性能指标。

Description

多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法
技术领域
本发明属于民用航空技术领域，特别是涉及一种多个前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法。
背景技术
面向机场场面监视应用的多点定位系统(MLAT)相比传统的空管一、二次监视雷达以及ADS-B(广播式自动相关监视)系统等具有定位精确度高、安装调试方便、覆盖连续性好、具有抗欺骗性及成本低廉的优势，因此越来越多的国内外机场都已装备或者准备装备多点定位系统，以便实现场面监视的连续覆盖及高效的场面运行指挥与状态监控等。另一方面，目前还有多种因素限制了机场场面运动目标的定位精确度等性能提升，并始终制约着枢纽、繁忙机场场面的高效运行。多点定位系统通常由多个基站组成，基站捕捉S模式信号、估算该信号到达基站的时间(即到达时间，简称为TOA)，主站汇总、建立基于到达时间的定位方程组，从而完成目标位置的连续估计。可见TOA精确度提升是定位性能的核心技术。
目前，国内外研究者多以跟踪、测量S模式信号前导脉冲中第一个脉冲的到达时间作为多点定位系统中基站收到该信号的到达时间，在主站汇算该时间实现目标定位。研究者从不同角度研究精确估计前导脉冲中第一个脉冲的到达时间提取算法模型与提取技术，期望提高TOA估计的精确度，以便使TOA估算误差达到小于10ns水平，也即定位精确度达到小于3米，从而满足场面目标精确定位的要求。受外部干扰、TOA估计算法本身估计误差以及传输误差等因素的影响，各基站针对前导脉冲中第一个脉冲的TOA高精确度估计难度大、误差较大、成本高，导致场面多点定位系统的实际定位精确度劣于国际民航组织要求的场面定位性能，即目标定位误差较大，航迹估计精确度不足，导致塔台空管自动化系统的冲突告警率较高，结果影响管制员使用。针对前导脉冲中第一个脉冲的TOA难以精确估计的技术难点，采用高精确度时钟基准源标定TOA的方法被提出，该方法确实可有效提高定位精确度，但是高精确度时钟基准源又显著提高了多点定位系统的成本。
一般认为只要获得前导脉冲中第一个脉冲的到达时间就可以实施目标位置估计。传统前导脉冲到达时间提取算法与技术的分析表明：多数到达时间提取算法模型确实专注于前导脉冲中第一个脉冲到达时间的检测与提取处理，而忽略S模式前导脉冲中其它三个脉冲在到达时间提取方面的作用，即忽视前导脉冲信号组成结构与时序结构对到达时间高精确度提取的作用。如何充分利用S模式信号前导脉冲中四个脉冲具备的时序特征参数，精确估计S模式脉冲信号的到达时间(TOA)，实现场面目标的精确定位，降低空管自动化系统冲突告警的虚警概率，提高机场场面多点定位系统的运行效率，而场面多点定位系统的制造与升级改造成本又不会显著增加，是场面多点定位系统(MLAT)应用面临的重要问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多个前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法。
为了达到上述目的，本发明提供的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法包括按顺序进行的下列步骤：
第一步：对多点定位系统中基站接收的S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系、状态参数进行分析，确认前导脉冲中单脉冲、双脉冲和四脉冲的时序结构关系；
第二步：根据S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系构建单脉冲、双脉冲和四脉冲在内的多脉冲差分匹配滤波模型；
第三步：基站接收调制到1090MHz载波上的S模式信号，再经过下变频处理得到S模式信号，将该S模式信号与上述多脉冲差分匹配滤波模型进行卷积运算，获得具有多个过零点的输出信号；
第四步：选择高采样频率对上述具有多个过零点的输出信号进行采样；
第五步：逐点搜索满足四脉冲的时序关系时的一对绝对值最大点，且其之间仅存在一个过零点，确认该过零点即为S模式前导脉冲中A脉冲的上升沿或下降沿到达位置；
第六步：利用高精确度时钟源标定上述第五步确定的过零点的时间戳，确定该时间戳即为该基站S模式脉冲信号的到达时间的数值；
第七步：将所有基站的到达时间数值汇集到主站，然后将任一辅站与主站的到达时间数值彼此两两相减，得到多个辅站与主站间的到达时间差或者到达时间和；
第八步：将到达时间差或者到达时间和代入Taylor定位算法模型中解算出目标位置坐标；重复第三步～第七步，获得目标位置坐标的连续数据，最后将这些连续数据进行处理而形成目标航迹。
在第一步中，所述的S模式信号前导脉冲之间的时序结构是共有四个前导脉冲A、B、C、D，总时长5微秒，A脉冲与B脉冲为一对、C脉冲与D脉冲为另一对，两对脉冲间隔2微秒；基站需完整接收该四个脉冲信号才能正确识别S模式信号；用于定位时仅需估算A脉冲的位置，用高精确度时钟源标记时间戳，该时间戳记为S模式信号到达基站的时刻，即到达时间。
在第二步中，考虑上升、下降沿参数在内的前导脉冲状态参数时，多脉冲差分匹配滤波模型的输出表示为so(n)＝s(n)*hd(n)；其中s(n)为第n时刻的S模式信号；
设信号长度为N，第m时刻的信号幅值为am，冲激响应序列为δ(n)，传输函数为h(n)，第m时刻的输出幅度为cm＝am-1-am,2≤m≤N+1，
那么，第n时刻对应的差分匹配滤波器的传输函数hd(n)为：
Figure BDA0002308182310000041
根据S模式信号前导脉冲中四个前导脉冲的时序关系，改变传输函数hd(n)的脉冲结构，能够分别构建出单脉冲、双脉冲和四脉冲差分匹配滤波模型。
在第四步中，所述的采样频率大于80MHz。
在第六步中，所述的时钟源采用ns级时钟源。
仿真与实测数据分析表明，本发明方法能够提高到达时间估计的精确度，从而提升多点定位系统的米级定位精确度和一致性等性能指标。
附图说明
图1为基站需接收的S模式脉冲信号时序结构。
图2为接收到低信噪比S模式脉冲信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合多点定位系统实施过程，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为说明方便、简洁起见，本发明说明以多点定位系统中五个基站(包括4个辅站和1个主站)的S模式信号处理与A脉冲到达时间的标记过程为例，其它数量基站的S模式信号处理与到达时间标记处理方法可简单推得。采用其他频率的、具有前导脉冲的信号处理与到达时间的标记过程同样可简单推得。
本发明提供的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法包括按顺序进行的下列步骤：
第一步：对多点定位系统中基站接收的S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系、状态参数进行分析，确认前导脉冲中单脉冲、双脉冲和四脉冲的时序结构关系；
图1所示为基站需接收的S模式脉冲信号时序结构(不含噪声的理想信号)，其中A、B、C、D为该信号的四个前导脉冲，总时长5微秒，A脉冲与B脉冲为一对、C脉冲与D脉冲为另一对，两对脉冲间隔2微秒，且围绕O点为轴形成对称状态。基站需完整接收该四个脉冲信号才能正确识别S模式信号。用于定位时仅需估算A脉冲的位置，用高精确度时钟源标记时间戳，该时间戳记为S模式信号到达基站的时刻，即到达时间(TOA)。
第二步：根据S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系构建单脉冲、双脉冲和四脉冲在内的多脉冲差分匹配滤波模型；
考虑上升、下降沿参数在内的前导脉冲状态参数时，多脉冲差分匹配滤波模型的输出表示为so(n)＝s(n)*hd(n)；其中s(n)为第n时刻的S模式信号；
设信号长度为N，第m时刻的信号幅值为am，冲激响应序列为δ(n)，传输函数为h(n)，第m时刻的输出幅度为cm＝am-1-am,2≤m≤N+1，
那么，第n时刻对应的差分匹配滤波器的传输函数hd(n)为：
Figure BDA0002308182310000061
根据S模式信号前导脉冲中四个前导脉冲的时序关系，改变传输函数hd(n)的脉冲结构，能够分别构建出单脉冲、双脉冲和四脉冲差分匹配滤波模型。
第三步：基站接收调制到1090MHz载波上的S模式信号，再经过下变频处理得到S模式信号，将该S模式信号与上述多脉冲差分匹配滤波模型进行卷积运算，获得具有多个过零点的输出信号；
第四步：选择高采样频率(如80MHz等)对上述具有多个过零点的输出信号进行采样；
第五步：逐点搜索满足四脉冲的时序关系时的一对绝对值最大点，且其之间仅存在一个过零点，确认该过零点即为S模式前导脉冲中A脉冲的上升沿或下降沿到达位置；
第六步：利用高精确度时钟源(ns级)标定上述第五步确定的过零点的时间戳，确定该时间戳即为该基站S模式脉冲信号的到达时间(TOA)的数值；
第七步：将所有基站的到达时间数值汇集到主站，然后将任一辅站与主站的到达时间(TOA)数值彼此两两相减，得到四个辅站与主站间的到达时间差(TDOA)或者到达时间和(TSOA)；
第八步：将到达时间差(TDOA)或者到达时间和(TSOA)代入Taylor定位算法模型中解算出目标位置坐标；重复第三步～第七步，可获得目标位置坐标的连续数据，最后将这些连续数据进行处理而形成目标航迹。
应用实例结果测试。在某机场终端区设置一个基站，实时接收S模式脉冲信号数据。该S模式脉冲信号的信噪比约为15.12dB、采样频率80MHz。为对比分析方便，设仿真信号的信噪比为15.12dB、采样频率同为80MHz；其单脉冲、双脉冲、四脉冲信号经差分匹配滤波模型及过零点标定后获得到达时间的估算精确度及提升性能如表1所示。
表1仿真数据与实测数据估计到达时间的均方根误差对比
Figure BDA0002308182310000071
表1所示数据表明，利用S模式脉冲信号前导脉冲中的多个脉冲差分匹配滤波估计到达时间的精确度随着前导脉冲数量增加而显著提升，采用本发明方法的多点定位系统的米级定位性能因此将显著提高。
在信噪比参数较高情况下，S模式脉冲信号的前导脉冲很容易被识别检出，A脉冲对应的时间戳标记精确度容易达到小于10ns水平，同时考虑时钟信号传输误差叠加等因素，汇集到主站的各基站时间戳精确度可小于20ns，因此多点定位系统的定位精确度可以被控制在6米范围内。在实际运行环境下，S模式信号的信噪比参数较低的现象较多，图2所示为接收到低信噪比S模式脉冲信号。此时采用仅解算A脉冲而获得到达时间的误差较大，导致多点定位系统的定位精确度下降严重，目标跟踪时虚警概率较高，从而严重影响管制效率。
最后应说明的是：以上实施例仅以S模式信号前导脉冲的实施过程情形说明本发明的技术方案，而非对基站接收信号的类型、前导脉冲形式与数量、时序关系等的限制；尽管参照前述实施例对本发明进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：
第一步：对多点定位系统中基站接收的S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系、状态参数进行分析，确认前导脉冲中单脉冲、双脉冲和四脉冲的时序结构关系；
第二步：根据S模式信号前导脉冲之间的时序结构关系构建单脉冲、双脉冲和四脉冲在内的多脉冲差分匹配滤波模型；
第三步：基站接收调制到1090MHz载波上的S模式信号，再经过下变频处理得到S模式信号，将该S模式信号与上述多脉冲差分匹配滤波模型进行卷积运算，获得具有多个过零点的输出信号；
第四步：选择高采样频率对上述具有多个过零点的输出信号进行采样；
第五步：逐点搜索满足四脉冲的时序关系时的一对绝对值最大点，且其之间仅存在一个过零点，确认该过零点即为S模式前导脉冲中A脉冲的上升沿或下降沿到达位置；
第六步：利用高精确度时钟源标定上述第五步确定的过零点的时间戳，确定该时间戳即为该基站S模式脉冲信号的到达时间的数值；
第七步：将所有基站的到达时间数值汇集到主站，然后将任一辅站与主站的到达时间数值彼此两两相减，得到多个辅站与主站间的到达时间差或者到达时间和；
第八步：将到达时间差或者到达时间和代入Taylor定位算法模型中解算出目标位置坐标；重复第三步～第七步，获得目标位置坐标的连续数据，最后将这些连续数据进行处理而形成目标航迹。
2.根据权利要求1所述的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法，其特征在于：在第一步中，所述的S模式信号前导脉冲之间的时序结构是共有四个前导脉冲A、B、C、D，总时长5微秒，A脉冲与B脉冲为一对、C脉冲与D脉冲为另一对，两对脉冲间隔2微秒；基站需完整接收该四个脉冲信号才能正确识别S模式信号；用于定位时仅需估算A脉冲的位置，用高精确度时钟源标记时间戳，该时间戳记为S模式信号到达基站的时刻，即到达时间。
3.根据权利要求1所述的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法，其特征在于：在第二步中，考虑上升、下降沿参数在内的前导脉冲状态参数时，多脉冲差分匹配滤波模型的输出表示为so(n)＝s(n)*hd(n)；其中s(n)为第n时刻的S模式信号；
设信号长度为N，第m时刻的信号幅值为am，冲激响应序列为δ(n)，传输函数为h(n)，第m时刻的输出幅度为cm＝am-1-am,2≤m≤N+1，
那么，第n时刻对应的差分匹配滤波器的传输函数hd(n)为：
Figure FDA0002308182300000021
根据S模式信号前导脉冲中四个前导脉冲的时序关系，改变传输函数hd(n)的脉冲结构，能够分别构建出单脉冲、双脉冲和四脉冲差分匹配滤波模型。
4.根据权利要求1所述的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法，其特征在于：在第四步中，所述的采样频率大于80MHz。
5.根据权利要求1所述的多前导脉冲联合滤波检测的S模式信号到达时间提取方法，其特征在于：在第六步中，所述的时钟源采用ns级时钟源。
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