CN111381225A - 一种基于vdb系统的民航进场着陆高精度测距系统及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统及测距方法，该方法首先建立民航进场着陆时的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式；误差分析及抑制模块，对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；扩频调制模块，利用伪码的良好自相关性对VDB信号进行扩频调制，精确地检测到信号上升沿，提高测距精度。本发明为采用以GNSS为主用导航源、陆基导航设施为备份导航源的导航方案提供了技术依据。

Description

一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统及测距 方法

技术领域

本发明涉及GBAS导航技术，特别是涉及一种基于VDB(甚高频广播)系统的民航进场着陆高精度测距系统及测距方法。

背景技术

我国民用航空在主要航路、终端以及进近仍以陆基导航设施为主用导航源，主要依托仪表着陆系统(Instrument Landing System，ILS)引导飞机完成最后的精密进近。但是随着我国经济的迅速发展，航班量猛增，ILS系统的弊端开始显现并限制航班量的增长。ILS系统频道数少，对场地要求很严格，只提供单一的下滑道，难以实现大容量的航空港进场着陆。我国民用航空局逐步过渡到以GNSS为主用导航源、陆基导航设施为备份导航源的导航系统架构，GBAS地面子系统主要由地面基准站、数据处理设备以及VDB(甚高频广播)发射终端组成。GBAS数据处理设备通过处理地面基准站数据计算卫星差分和完好性数据，并经VDB发射终端送至机载接收机，给出精确可靠的飞机定位结果，供飞机进近和着陆参考使用。

民航飞机在进场着陆时，飞机与地面台的距离信息非常重要。在民航飞机导航系统中测距的方式有很多，现有的有测距仪(DME)，采用询问-应答的方式，通过测量询问脉冲与应答脉冲的时间间隔可以计算出飞机与地面台之间的斜距。机场伪卫星向民航飞机发射与卫星信号格式相同的测距导航信号，使机载接收机能够根据伪码相位的偏移计算出飞机与伪卫星发射台的距离。但是现有的地空测距手段出现故障时导致整个民航导航系统完全失效。在这种情况下，对实现基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法进行研究具有重要意义和应用价值。

发明内容

发明目的：针对现有的地空测距手段出现故障时导致整个民航导航系统完全失效无法满足民航飞机在进场着陆时对高精度测距的需求。本发明设计了一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统及测距方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，包括：

固定时隙间隔的测距模块，用于完成VDB信号的信号结构分析，建立民航飞机在进场着陆时的VDB测距模型；

误差分析及抑制模块，用于完成测距系统中系统误差和随机误差的分析以及误差抑制；

扩频调制模块，利用伪随机码良好的自相关特性对VDB信号进行扩频调制，完成VDB信号接收时刻的精确确定。

其中，在固定时隙间隔的测距模块对基于TDMA时序结构的VDB信号进行分析，VDB信号按照UTC时刻，每0.5个UTC秒发送一帧数据，每帧数据分为8个时隙，突发信号就分配在各个时隙当中；若不考虑信号起始端与时隙起始端之间的时间容差，则每段突发信号之间的发送间隔Δt是固定的62.5ms；基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆时的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式。

其中，在误差分析及抑制模块对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；对于发射机误差，通过多相采样、延时线法提高时间分辨率，消除时间容差带来的测距误差；对于接收机误差，接收机检测到VDB信号的时刻是信号到达接收机天线时刻与系统处理延时的叠加，因此在计算信号实际接收时刻的时候，用检测到信号的本地时刻减去系统处理延时；对于对流层延时，通过差分进行抑制，对于接收机噪声以及多径效应引起的误差在飞机与VDB发射机之间的距离较远时，θ值较小时对测距有很大的误差影响，需调整测距方案进行抑制。

其中，在扩频调制模块利用伪随机码良好的自相关特性，在固定时隙间隔的测距模块后连接扩频和解扩模块，精确地检测到信号上升沿，提高测距精度。

本发明还提供了一种基于上述基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统的测距方法，包括以下步骤：

(1)基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆时的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式；

(2)对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；

(3)利用伪随机码良好的自相关特性，采用差分技术对测距误差进一步抑制或消除，同时对VDB信号进行扩频调制，精确地检测到信号上升沿，提高测距精度。

进一步的，步骤(1)具体为：

VDB信号是基于TDMA时序结构的信号，假设信号起始端与时隙起始端之间不存在时间容差，每段突发信号之间的发送间隔Δt为固定值；假定接收机接收到某段信号并将其发射时刻定为T₀，接收到的第m段信号的发射时刻为

接收到信号的时刻从本地时钟获取，将第m段信号的接收时刻设为

电磁波的传播速度设为c，此时测得飞机与VDB地面发射机之间的距离为ρ_m，表达式为：

时刻飞机与地面间的真实距离定义为ρ′_m，由于

未知，所以不可能直接得到ρ′_m；不考虑误差，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m应该与真实距离之差Δρ′_m是相等的；对两次相邻测距结果做差得到：

其中，

为第m+1段信号的接收时刻；

时刻测距时飞机与VDB发射机的连线与飞机运动状态的夹角为θ，则通过ΔOP_mP_m+1和ΔOP_mP_m+2，其中，O为VDB发射机所在的位置，P_m、P_m+1和P_m+2分别为飞机在

和

三个时刻进行测距时的位置；根据余弦定律构建方程：

其中，L_m为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离，L_m+1为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离；

令ρ′_m+1＝ρ′_m-Δρ′_m，ρ′_m+2＝ρ′_m-Δρ′_m-Δρ′_m+1代入式(3)中，同时根据式(2)得到关于ρ′_m的表达式如下：

则根据式(4)通过两个测距差和两段时间间隔内飞机的运动距离计算出该时段内第一次测距时刻的真实距离ρ′_m，进而计算出ρ′_m+1和ρ′_m+2，ρ′_m+2即为当前测距时刻的真实距离。

进一步的，步骤(2)中由于测距系统中存在误差，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m与真实距离之差Δρ′_m并不相等，即

并不成立，

为第m段信号的接收时刻，

为第m+1段信号的接收时刻，ρ_m为

时刻飞机与VDB地面发射机之间的距离，ρ_m+1为

时刻飞机与VDB地面发射机之间的距离，c为电磁波的传播速度，Δt为每段突发信号之间的发送间隔，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m与真实距离之差Δρ′_m间的偏差会给最终计算出的距离值带来巨大的误差；各误差的抑制方法为：

对于发射机误差：

若考虑时间容差，VDB信号的实际发射时刻

的表达式为：

式(5)中，

表示这段报文所在时隙的起始端的UTC时刻，

为该段信号的起始端与时隙起始端时刻之间的时间容差，

的范围在0～190.4μs之间，由于时间容差造成的测距误差可达上万米；将相邻两段信号的发射时刻进行差分：

式(6)中ΔT_slot为固定的时隙间隔62.5ms；为了降低时间容差的抖动，提高时间的精度，通过多相采样、延时线法提高时间分辨率，消除时间容差带来的测距误差；

对于接收机误差：

接收机检测到VDB信号的时刻是信号到达接收机天线时刻与系统处理延时的叠加，因此在计算信号实际接收时刻的时候，应当用检测到信号的本地时刻减去系统处理延时；则VDB信号的实际接收时刻表示为：

式(7)中，

为VDB信号实际到达接收机天线的时刻，

为接收机检测到VDB信号的本地时刻，

为接收机处理延时，

为本地时间与UTC时间的误差；

的测量用零距离标定来实现，事先将VDB发射机与机载接收机的天线对接，测量此时的固定时延，仔细标定之后误差控制在1～2ns之内；经过GPS授时之后，

的均方差为20ns左右；将VDB信号接收时刻进行差分，得到：

经过差分以后，

的误差来主要源于信号上升沿检测时的判决误差，即

的误差，VDB信号不像脉冲信号具有精确的上升沿，所以信号上升沿的判定时刻抖动较大，远大于

和

的差分误差。

进一步的，步骤(3)中针对信号上升沿的判定时刻抖动较大，利用伪随机码良好的自相关特性，在固定时隙间隔的测距模块后连接扩频和解扩模块，加入伪随机码对VDB信号进行扩频，精确地检测到信号上升沿；该系统中采用的伪随机码为周期为255个码片的m码，一个符号调制一个伪码周期，由于VDB的符号速率为10.5ksps，则伪码速率为2.6775×10⁶码片/秒，由于消除了时间容差，所以报文的起始时刻与时隙起始时刻严格同步；当接收机检测到接收报文中同步比特结束时的位置，即判定完成帧同步时的位置时，记录此时的本地时刻作为

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统。主要包括固定时隙间隔的测距模块，误差分析及抑制模块和扩频调制模块三个部分。固定时隙间隔的测距模块，主要完成VDB信号的信号结构分析，建立民航飞机在进场着陆时的测距模型。误差分析及抑制模块，主要用于完成测距系统中系统误差和随机误差的分析以及相对应的抑制方法的分析。扩频调制模块，主要是对VDB信号进行扩频调制，实现辛哈接收时刻的精确判决，从而减小误差造成民航飞机在进场着陆时测距精度的下降。

(2)基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法，实现难度低，能够为民航飞机提供备用信息源，在其他测距系统失效时提供冗余信息，可有效提高民航进场着陆时测距精度。本发明的基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法结合了VDB信号高传输速率的优点和VDB报文中包含时间信息的优点。本发明建立扩频调制模块，提高了现有民航进场着陆高精度测距精度瓶颈的问题。

(3)本发明主要针对VDB信号的体制，提出了基于固定时隙间隔的测距方案，对测距方案中存在的各类误差给出了相应的抑制方法。然后对VDB信号进行扩频调制，加入扩频模块来提高测量精度。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明的测距模型示意图；

图3是加入扩频和解扩模块的VDB测距系统框图；

图4是测距时间间隔为10s、20s和30s时最后进近航段整体的测距误差以及航段最后20s的测距误差；(a)和(b)是测距间隔为10s时的误差，(c)和(d)是测距间隔为20s时的误差，(e)和(f)是测距间隔为20s时的误差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，主要包括固定时隙间隔的测距模块，误差分析及抑制模块和扩频调制模块三个部分。固定时隙间隔的测距模块，主要完成VDB信号的信号结构分析，建立民航飞机在进场着陆时的测距模型。误差分析及抑制模块，主要用于完成测距系统中系统误差和随机误差的分析以及相对应的抑制方法的分析。扩频调制模块，主要是在上述误差抑制方法后，进一步对VDB信号进行扩频调制，从而减小误差造成民航飞机在进场着陆时测距精度的下降。

本发明首先建立民航进场着陆的测距模型，利用VDB信号的体制，提出了基于固定突发间隔的测距方案，并针对测距方案中存在的误差给出了相应的抑制方法。然后对VDB信号进行扩频调制，在VDB系统中加入扩频模块来提高测量精度。如图1所示，具体步骤如下：

1、基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式。

VDB信号的固定时隙间隔的信号格式使得利用VDB信号测距成为可能。VDB信号是基于TDMA时序结构的信号，按照UTC时刻，每0.5个UTC秒发送一帧数据，每帧数据分为8个时隙，突发信号就分配在各个时隙当中。若不考虑信号起始端与时隙起始端之间的时间容差，则每段突发信号之间的发送间隔Δt是固定的62.5ms。基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆是的测距模型并且利用三角关系推导出测距公式，具体如下：

假定接收机接收到某段信号并将其发射时刻定为T₀，那么接下来接收到的第m段信号的发射时刻为T_t ^m＝T₀+mΔt。接收到信号的时刻可以从本地时钟获取，将第m段信号的接收时刻设为T_r ^m，电磁波的传播速度设为c，此时测得飞机与VDB地面发射机之间的距离为ρ_m，表达式为：

时刻飞机与地面间的真实距离定义为ρ′_m，由于

未知，所以不可能直接得到ρ′_m。但是如果先不考虑误差，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m应该与真实距离之差Δρ′_m是相等的。对两次相邻测距结果做差可以得到：

其中，

为第m+1段信号的接收时刻；

由于

和

都可以从本地时钟获取，而Δt是固定常量，因此可以得到相邻两次测距之差Δρ_m的具体值，可以通过图2所示建立的几何模型回推出ρ′_m。P_m、P_m+1和P_m+2为飞机在

三个时刻进行测距时的位置，由于时间间隔很短，所以在此时间区间内飞机的运动轨迹可以看做一条直线。经过三次测距得到的距离测量值为ρ_m，ρ_m+1和ρ_m+2，真实距离值为ρ′_m，ρ′_m+1和ρ′_m+2，假定飞机的运动速度可由仪表精确测得，则可以得到两个时间段内飞机的运动距离L_m和L_m+1的精确值。

时刻测距时飞机与VDB发射机的连线与飞机运动状态的夹角为θ，则可以通过ΔOP_mP_m+1和ΔOP_mP_m+2根据余弦定律构建方程：

其中，O为VDB发射机所在的位置，P_m、P_m+1和P_m+2分别为飞机在

和

三个时刻进行测距时的位置；L_m为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离，L_m+1为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离；

令ρ′_m+1＝ρ′_m-Δρ′_m，ρ′_m+2＝ρ′_m-Δρ′_m-Δρ′_m+1代入式(3)中，同时根据式(2)可以得到关于ρ′_m的表达式如下：

则根据式(4)可以得出通过两个测距差和两段时间间隔内飞机的运动距离可以计算出该时段内第一次测距时刻的真实距离ρ′_m，进而可以计算出ρ′_m+1和ρ′_m+2，ρ′_m+2即为当前测距时刻的真实距离。

2、对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；

由于存在误差，式(2)并不成立，Δρ_m与Δρ′_m并不相等，两者间的偏差会给最终计算出的距离值带来巨大的误差。对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除。测距系统中存在的误差可以分为系统误差和随机误差，系统误差是由系统内部的测距单元所产生的误差，随机误差通常由内部元器件噪声和外部环境因素产生。

(1)发射机误差

在对VDB信号发射时间间隔的分析中没有考虑信号起始端与时隙起始端之间的时间容差，若考虑时间容差，VDB信号的实际发射时刻

的表达式为：

式(5)中，

表示这段报文所在时隙的起始端的UTC时刻，

为该段信号的起始端与时隙起始端时刻之间的时间容差，

的范围在0～190.4μs之间，由于时间容差造成的测距误差可达上万米。将相邻两段信号的发射时刻进行差分：

式(6)中ΔT_slot为固定的时隙间隔62.5ms。为了降低时间容差的抖动，提高时间的精度，可以通过多相采样、延时线法提高时间分辨率，可以达到ps级，基本消除时间容差带来的测距误差。

(2)接收机误差

由于信号发射时刻是以UTC协调世界时为标准，所以接收时刻也应转化为UTC标准。GPS接收机可以通过接收GPS卫星信号以及随后的定位、定时算法求解出当前时刻的GPS时间，并经过这种时间转换而得到当前时刻的协调时，所以可以通过机载GPS接收机授时得到本地时间。

接收机检测到VDB信号的时刻是信号到达接收机天线时刻与系统处理延时的叠加，因此在计算信号实际接收时刻的时候，应当用检测到信号的本地时刻减去系统处理延时。则VDB信号的实际接收时刻可以表示为：

式(7)中，

为VDB信号实际到达接收机天线的时刻，

为接收机检测到VDB信号的本地时刻，

为接收机处理延时，

为本地时间与UTC时间的误差。

的测量可以零距离标定来实现，可以事先将VDB发射机与机载接收机的天线对接，测量此时的固定时延，仔细标定之后误差可以控制在1～2ns之内。经过GPS授时之后，

的均方差为20ns左右。将VDB信号接收时刻进行差分，得到：

经过差分以后，

的误差来主要源于信号上升沿检测时的判决误差，即

的误差，VDB信号不像脉冲信号具有精确的上升沿，所以信号上升沿的判定时刻抖动较大，远大于

和

的差分误差。

(3)接收机噪声

这里的接收机噪声包括天线、放大器和各部分电子器件的热噪声。接收机噪声具有随机性，不具备时间相关性，其值的正负、大小通常很难被确定。

(4)对流层延时

大气折射是引起距离误差的主要原因，飞机进近着陆时处于对流层，对流层集中了大气层中99％的质量，其中的氧气、氮气和水蒸气等是造成VDB信号传播延时的原因。对流层基本上可以看做是一种非弥散性介质，其折射率与电磁波的频率没有关系，可以根据气象资料建立对流层延时模型，但是获得实时的气象资料通常是非常昂贵或者不切实际的，所以通常将对流层中的干分量和湿分量看做已知常数，建立一个简单的模型。由于对流层延时具有很强的时间相关性，差分之后可以忽略，这里不再考虑对流层延时带来的测距误差。

(5)多径效应

多径现象是指接收机天线除了接收到一个从VDB发射机直线传播的电磁波信号之外，还可能接收到一个或多个经周围物体反射后的信号，反射信号又可能经过一次或多次反射后到达天线。这种由多路径导致的VDB接收机对信号的测量值产生误差的影响被称为多径效应。对于动态接收机来说，多径误差值呈随机分布，不具备相关性。

通过以上对VDB系统测距中存在的误差的讨论，对其中部分误差采取技术手段或利用时间相关性进行差分实现了抑制或消除，剩余误差中对测距精度影响较大的是信号上升沿检测时的判决误差以及由多径效应和接收机噪声产生的误差，而且在飞机与VDB发射机之间的距离较远时，θ值较小，相邻测距时间内Δρ′_m和L_m变化不大，从而导致测距公式(4)中的分母部分(L_mΔρ_m+1-L_m+1Δρ_m)接近于0，这将放大测量误差带来的影响。

3、针对信号上升沿的判定时刻抖动较大，利用伪随机码良好的自相关特性，在原始的VDB系统中加入扩频和解扩模块，精确地检测到信号上升沿。利用VDB信号中加入时间信息概念相邻突发信号的发射时间差是固定值的前提假设来提高测距精度，理论上精度能够达到20m。

利用时间相关性采用差分技术，加入扩频模块对VDB信号的上升沿进行精确判决，从而来提高测距精度。通过采用差分技术可以消除部分测距系统中由于存在误差，在扩频部分利用伪随机码良好的自相关特性，VDB测距系统中的扩频模块，精确地检测到信号上升沿，精确确定接收信号判决时刻，提高了测距的精度。

方案采取的直接序列扩频系统如图3所示该系统中拟采用的伪随机码为周期为255个码片的m码，一个符号调制一个伪码周期，由于VDB的符号速率为10.5ksps，则伪码速率为2.6775×10⁶码片/秒，此时经过扩频之后的VDB信号的时间组成部分如图4，由于消除了时间容差，所以报文的起始时刻已与时隙起始时刻严格同步。当接收机检测到接收报文中同步比特结束时的位置，即判定完成帧同步时的位置时，记录此时的本地时刻作为

由于伪随机码的码片宽度小，分辨率高，所以该方案中得到的的

要比原方案通过检测信号上升沿得到的

要精确的多，最终的测距结果也会更加精确。

图2为民航进场着陆时连续三次测距的示意图，其中O为VDB发射机所在的位置，P_m、P_m+1和P_m+2为飞机在

三个时刻进行测距时的位置，由于时间间隔很短，所以在此时间区间内飞机的运动轨迹可以看做一条直线。经过三次测距得到的距离测量值为ρ_m，ρ_m+1和ρ_m+2，真实距离值为ρ′_m，ρ′_m+1和ρ′_m+2。该测距方案基于的理念是：由于无法得到信号的发射时刻，所以无法直接测量出信号的传播距离，但是相邻两段突发信号之间的间隔是已知的，而在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，基于这些条件利用三角关系推导出测距公式。

在民航进场着陆的VDB测距系统中存在的误差部分可以通过技术手段抑制，但是信号上升沿的判定时刻抖动较大，远大于

和

的差分误差，所以利用伪随机码良好的自相关特性，加入扩频和解扩模块，精确地检测到信号上升沿，实现对接收信号同步码元结束位置的精确判决。方案采取的直接序列扩频系统如图3所示。

在原始的VDB系统中加入扩频和解扩模块的直接序列扩频系统，采用的伪随机码为周期为255个码片的m码，一个符号调制一个伪码周期，由于VDB的符号速率为10.5ksps，则伪码速率为2.6775×10⁶码片/秒，此时经过扩频之后的VDB信号的时间组成部分如图3所示。可以得到报文的起始时刻已与时隙起始时刻严格同步。当接收机检测到接收报文中同步比特结束时的位置，即判定完成帧同步时的位置时，记录此时的本地时刻作为

由于伪随机码的码片宽度小，分辨率高，所以该方案中得到的的

要比原方案通过检测信号上升沿得到的

要精确的多，最终的测距结果也会更加精确。

采用差分扩频调制后的VDB测距系统部分，在测距时间间隔分别为10s、20s和30s时最后进近航段整体的测距误差以及航段最后20s的测距误差，仿真结果如图4(a)-(f)。从图4(a)-(f)中可以看出，时间间隔越长，整体误差越小，在航段最后的时间内飞机与地面发射台构成的几何关系较好时，测距方案误差更小，本发明提出的差分扩频VDB测距系统适用于民航进场着陆测距。

这种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法，实现难度低，能够为民航飞机提供备用信息源，在其他测距系统失效时提供冗余信息，可有效提高民航进场着陆时测距精度。本发明的基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法结合了VDB信号高传输速率的优点和VDB报文中包含时间信息的优点。本发明建立的差分扩频的VDB测距系统，提高了现有民航进场着陆高精度测距精度瓶颈的问题。

Claims (8)

1.一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，其特征在于，包括：

固定时隙间隔的测距模块，用于完成VDB信号的信号结构分析，建立民航飞机在进场着陆时的VDB测距模型；

误差分析及抑制模块，用于完成测距系统中系统误差和随机误差的分析以及误差抑制；

扩频调制模块，利用伪随机码良好的自相关特性对VDB信号进行扩频调制，完成VDB信号接收时刻的精确确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，其特征在于，在固定时隙间隔的测距模块对基于TDMA时序结构的VDB信号进行分析，VDB信号按照UTC时刻，每0.5个UTC秒发送一帧数据，每帧数据分为8个时隙，突发信号就分配在各个时隙当中；若不考虑信号起始端与时隙起始端之间的时间容差，则每段突发信号之间的发送间隔Δt是固定的62.5ms；基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆时的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式。

3.根据权利要求1所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，其特征在于，在误差分析及抑制模块对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；对于发射机误差，通过多相采样、延时线法提高时间分辨率，消除时间容差带来的测距误差；对于接收机误差，接收机检测到VDB信号的时刻是信号到达接收机天线时刻与系统处理延时的叠加，因此在计算信号实际接收时刻的时候，用检测到信号的本地时刻减去系统处理延时；对于对流层延时，通过差分进行抑制，对于接收机噪声以及多径效应引起的误差在飞机与VDB发射机之间的距离较远时，θ值较小时对测距有很大的误差影响，需改进测距方案进行抑制。

4.根据权利要求1所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统，其特征在于，在扩频调制模块利用伪随机码良好的自相关特性，在固定时隙间隔的测距模块后连接扩频和解扩模块，精确地检测到信号上升沿，提高测距精度。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于VDB信号中相邻两段突发信号之间的间隔已知，在没有误差的情况下相邻接收时刻间测距差分与真实距离差分的值是相等的，建立民航进场着陆时的VDB测距模型并且利用三角关系推导出测距公式；

(2)对测距系统内部的测距单元所产生的系统误差和内部元器件噪声和外部环境因素产生的随机误差进行分析，利用技术手段或时间相关性进行差分对测距误差抑制或消除；

(3)利用伪随机码良好的自相关特性对VDB系统进行扩频调制，精确地检测到信号上升沿，提高测距精度。

6.根据权利要求5所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法，其特征在于，步骤(1)具体为：

VDB信号是基于TDMA时序结构的信号，假设信号起始端与时隙起始端之间不存在时间容差，每段突发信号之间的发送间隔Δt为固定值；假定接收机接收到某段信号并将其发射时刻定为T₀，接收到的第m段信号的发射时刻为T_t ^m＝T₀+mΔt；接收到信号的时刻从本地时钟获取，将第m段信号的接收时刻设为

电磁波的传播速度设为c，此时测得飞机与VDB地面发射机之间的距离为ρ_m，表达式为：

时刻飞机与地面间的真实距离定义为ρ′_m，由于T_t ^m未知，所以不可能直接得到ρ′_m；不考虑误差，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m应该与真实距离之差Δρ′_m是相等的；对两次相邻测距结果做差得到：

其中，

为第m+1段信号的接收时刻；

时刻测距时飞机与VDB发射机的连线与飞机运动状态的夹角为θ，则通过ΔOP_mP_m+1和ΔOP_mP_m+2，其中，O为VDB发射机所在的位置，P_m、P_m+1和P_m+2分别为飞机在

和

三个时刻进行测距时的位置；根据余弦定律构建方程：

其中，L_m为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离，L_m+1为

时刻和

时刻之间飞机的运动距离；

令ρ′_m+1＝ρ′_m-Δρ′_m，ρ′_m+2＝ρ′_m-Δρ′_m-Δρ′_m+1代入式(3)中，同时根据式(2)得到关于ρ′_m的表达式如下：

则根据式(4)通过两个测距差和两段时间间隔内飞机的运动距离计算出该时段内第一次测距时刻的真实距离ρ′_m，进而计算出ρ′_m+1和ρ′_m+2，ρ′_m+2即为当前测距时刻的真实距离。

7.根据权利要求5所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法，其特征在于，步骤(2)中由于测距系统中存在误差，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m与真实距离之差Δρ′_m并不相等，即

并不成立，

为第m段信号的接收时刻，

为第m+1段信号的接收时刻，ρ_m为

时刻飞机与VDB地面发射机之间的距离，ρ_m+1为

时刻飞机与VDB地面发射机之间的距离，c为电磁波的传播速度，Δt为每段突发信号之间的发送间隔，

时刻与

时刻两次测距结果之差Δρ_m与真实距离之差Δρ′_m间的偏差会给最终计算出的距离值带来巨大的误差；各误差的抑制方法为：

对于发射机误差：

若考虑时间容差，VDB信号的实际发射时刻

的表达式为：

式(5)中，

表示这段报文所在时隙的起始端的UTC时刻，

为该段信号的起始端与时隙起始端时刻之间的时间容差，

的范围在0～190.4μs之间，由于时间容差造成的测距误差可达上万米；将相邻两段信号的发射时刻进行差分：

式(6)中ΔT_slot为固定的时隙间隔62.5ms；为了降低时间容差的抖动，提高时间的精度，通过多相采样、延时线法提高时间分辨率，消除时间容差带来的测距误差；

对于接收机误差：

接收机检测到VDB信号的时刻是信号到达接收机天线时刻与系统处理延时的叠加，因此在计算信号实际接收时刻的时候，应当用检测到信号的本地时刻减去系统处理延时；则VDB信号的实际接收时刻表示为：

式(7)中，

为VDB信号实际到达接收机天线的时刻，

为接收机检测到VDB信号的本地时刻，

为接收机处理延时，

为本地时间与UTC时间的误差；

的测量用零距离标定来实现，事先将VDB发射机与机载接收机的天线对接，测量此时的固定时延，仔细标定之后误差控制在1～2ns之内；经过GPS授时之后，

的均方差为20ns左右；将VDB信号接收时刻进行差分，得到：

经过差分以后，

的误差来主要源于信号上升沿检测时的判决误差，即

的误差，VDB信号不像脉冲信号具有精确的上升沿，所以信号上升沿的判定时刻抖动较大，远大于

和

的差分误差。

8.根据权利要求5所述的一种基于VDB系统的民航进场着陆高精度测距方法，其特征在于，步骤(3)中针对信号上升沿的判定时刻抖动较大，利用伪随机码良好的自相关特性，在固定时隙间隔的测距模块后连接扩频和解扩模块，加入伪随机码对VDB信号进行扩频，精确地检测到信号上升沿；该系统中采用的伪随机码为周期为255个码片的m码，一个符号调制一个伪码周期，由于VDB的符号速率为10.5ksps，则伪码速率为2.6775×10⁶码片/秒，由于消除了时间容差，所以报文的起始时刻与时隙起始时刻严格同步；当接收机检测到接收报文中同步比特结束时的位置，即判定完成帧同步时的位置时，记录此时的本地时刻作为

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