CN202421491U

CN202421491U - 基于分布式时钟的多边定位系统

Info

Publication number: CN202421491U
Application number: CN2012200353527U
Authority: CN
Inventors: 赵洪立; 左斌; 付庆霞; 徐庆
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-03

Abstract

本实用新型涉及一种基于分布式时钟的多边定位系统，包括：一个中心站和至少四个接收站，所述中心站和每个接收站均有一个以原子钟为核心的时钟基准；所述中心站根据不同接收站的信号到达时间差计算出被定位目标的精确位置；所述接收站分布在目标场地上不同的位置，各个接收站相互独立，并且每个接收站带有用于接收目标发出的应答信号并记录到达时刻的传感器；所述接收站通过光纤链路和中心站进行数据通信。本实用新型所述的多边定位系统，采用先进的时差定位技术，其场面定位精度优于1m，三维定位精度优于5m，满足大中型复杂机场的场面监视需求。该系统建设与使用成本较低，定位精度高，数据更新率高，易于架设，可广泛使用在空管监视领域。

Description

基于分布式时钟的多边定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种定位系统，具体来说是一种基于原子钟同步技术的分布式多边定位系统，更进一步地，涉及一种机场对空间飞行器的多边定位系统。

背景技术

目前机场空管系统雷达监视设备主要有PSR（Primary Surveillance Radar，一次监视雷达）、SSR（Secondary Surveillance Radar，二次监视雷达）等。PSR通过主动发射电磁波并接收检测回波来探测目标，仅可获得目标距离和方位信息，无航空器识别能力，覆盖范围小，建设和运行维护成本高，地面站建设受地形限制；SSR应用航空器应答机发射的应答信号可获得比PSR更多的监视目标信息，但建设和运行维护成本同样偏高，数据更新率较低，其地面站建设亦受地形限制。这些传统的空管雷达监视系统普遍具有成本高、定位精度低及架设困难的缺点，因此，亟需寻求一种成本低、定位精度高、易于架设的新型空管监视系统，以适应我国航空运输业的高速发展。

基于分布式时钟的多边定位系统，通过布置在机场附近的多个传感器（远端单元）捕获飞机（车辆）的应答信号，测量该信号到达各传感器（远端单元）的时间，并在中心站利用多站信号时差定位技术，对目标进行精确定位，从而实现对机场场面飞机（车辆）目标及过航飞机的探测和跟踪监视，以提供机场地面及附近空域中各目标的位置，为机场管理提供安全和技术保障。

实用新型内容

本实用新型正是针对现有技术存在的不足，提供一种基于分布式时钟的多边定位系统。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案如下：一种基于分布式时钟的多边定位系统，包括：一个中心站和至少四个接收站，所述中心站和每个接收站均有一个以原子钟为核心的时钟基准；所述中心站根据不同接收站的信号到达时间差计算出被定位目标的精确位置；所述接收站分布在目标场地上不同的位置，各个接收站相互独立，并且每个接收站带有用于接收目标发出的应答信号并记录到达时刻的传感器；所述接收站通过光纤链路和中心站进行数据通信。

所述原子钟为铷原子钟、铯原子钟、氢原子钟中的一种。

所述接收站包括天线、接收机、信号处理接收站分机、时钟插件、接收站监控插件和发射光端机；天线接收到信号传给接收机，接收机进行信号处理后转成光纤信号传送给信号处理接收站分机；信号处理接收站分机对各应答信号进行解码和到达时间测量，其测时的时间标尺由分布式时钟插件提供，信号处理接收站分机将应答信号的解码和测时结果通过发射光端机传送给中心站；接收站监控插件监控接收站所有设备的工作状态并送给中心站，同时传递系统控制信息。

所述中心站包括接收光端机、信号处理主站分机、标准时钟插件、终端显示分机、中心站监控插件；接收光端机接收由发射光端机传送过来的数据，并直接送给信号处理主站分机；信号处理主站分机对接收站处理数据进行匹配和组建求解时间差方程组，最终获得目标的高精度位置信息；标准时钟插件通过光纤链路对所有时钟插件双向主动校准；终端显示分机将目标位置信息显示于大屏幕液晶屏幕上；中心站监控插件对中心站运行状况进行监控，同时中心站监控插件将中心站运行状况在终端显示分机进行显示。

所述多边定位系统还包括至少一个用于提高目标定位精度的校标站。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的基于分布式时钟的多边定位系统，采用先进的时差定位技术，其场面定位精度优于1m，三维定位精度优于5m，可满足大中型复杂机场的场面监视需求。该系统建设与使用成本较低，定位精度高，数据更新率高，且易于架设，可广泛使用在空管雷达监视领域。

附图说明

图1为本实用新型所述基于分布式时钟的多边定位系统结构示意图；

图2为本实用新型所述定位系统接收站结构示意图；

图3为本实用新型所述定位系统中心站结构示意图；

图4为基于分布式时钟的多边定位系统校正原理示意图。

图中：10—中心站、11—接收光端机、12—信号处理主站分机、13—标准时钟插件、14—终端显示分机、15—中心站监控插件、20—接收站、21—天线、22—接收机、23—信号处理接收站分机、24—时钟插件、25—接收站监控插件、26—发射光端机、30—校标站。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本实用新型的内容。

如图1所示，为本实用新型所述基于分布式时钟的多边定位系统结构示意图。本实用新型所述定位系统包括：一个中心站10和至少四个接收站20。中心站10和每个接收站20均有一个以原子钟为核心的高精度时钟基准。接收站20分布在目标场地上不同的位置，各个接收站20相互独立，并且每个接收站20带有传感器，用于接收民航飞机或机场车辆发出的应答信号并记录到达时刻。接收站20通过光纤链路和中心站10进行数据通信，中心站10根据不同接收站20的信号到达时间差计算出被定位目标的精确位置。

如图2所示，为本实用新型所述定位系统接收站20结构示意图。接收站20包括：天线21、接收机22、信号处理接收站分机23、时钟插件24、接收站监控插件25和发射光端机26。天线21带有馈线，用于增强接收信号。天线21接收到机载二次雷达应答射频信号并传给接收机22，由接收机22进行信号放大、混频、检波后由AD模块转成光纤信号传送给信号处理接收站分机23。信号处理接收站分机23对各应答信号进行解码和到达时间测量，其测时的时间标尺由分布式时钟插件24提供，信号处理接收站分机23将应答信号的解码和测时结果，通过发射光端机26传送给中心站10。接收站监控插件25用于监控整个接收站20所有设备的工作状态并送给中心站10，接收站监控插件25同时还具有传递系统控制信息的功能。

如图3所示，为本实用新型所述定位系统中心站10结构示意图。中心站10包括：接收光端机11、信号处理主站分机12、标准时钟插件13、终端显示分机14、中心站监控插件15。接收光端机11接收由发射光端机26传送过来的数据，并直接送给信号处理主站分机12。信号处理主站分机12对接收站20处理数据进行匹配和组建求解时间差方程组，最终获得目标的高精度位置信息。终端显示分机14将目标位置信息显示于大屏幕液晶屏幕上。中心站监控插件15对整个中心站10运行状况进行监控，同时中心站监控插件15将中心站10运行状况在终端显示分机14进行显示。在终端显示分机14上还可以对整个系统进行控制操作。

以原子钟为核心的高精度时钟基准——标准时钟插件13为全系统提供高精度的时钟基准，也是系统可获得高精度目标定位的关键。在标准时钟插件13和所有时钟插件24中安装原子钟，这些原子钟包括铷原子钟、铯原子钟、氢原子钟中的任意一种。如在标准时钟插件13配备有高稳定的铷原子钟，在其5×10^-11的准确度的高稳定性基础上，通过光纤链路进行双向主动校准，对多个时钟插件24进行校准后，可实现满足系统指标要求的纳秒级时钟同步精度。

本实用新型所述定位系统还包括至少一个校标站30，以提高目标定位精度。基于分布式时钟的多边定位系统采用时差定位算法，解算出目标的精确位置，以校标站30时间数据来校正目标测时数据中蕴含的接收站本地时钟误差，即：校标站30的位置已知并固定，校标站30发射的信号到达各接收站20的理论时间可以精确计算出，由该时间数据修正实际测量的校标站30信号到达各接收站20的时间，这样可进一步提高目标时差数据的准确度，从而进一步提高目标的定位精度。

如图4所示，为基于分布式时钟的多边定位系统校正原理示意图。图4是以校标站30和两个接收站RS1、RS2为例，校标站30的位置为已知。具体的校正工作流程如下：

由差分GPS精确测量出校标站30和接收站RS1、RS2的位置，从而可计算出校标站30与各接收站RS1、RS2的物理距离d₁、d₂，则可获得校标站30信号到接收站RS1和接收站RS2的时差Δt₁为：

上式中c代表光速。而系统在测量目标信号到达个接收站RS1、RS2的时间时，同样测量了校标站30到各接收站RS1、RS2的时间。设此时实测的校标站30到接收站RS1和接收站RS2的时间差为Δt′1，可获得系统测时误差Δt为：

利用上式所获得的测试误差值，可修正系统实际测量得到的目标信号到达接收站RS1和接收站RS2的时间差。同理，可完成全系统目标到达时间差误差修正。

通过上述系统架构，本实用新型所述基于分布式时钟的多边定位系统，可精确测得目标应答信号到达各接收站的时间，通过建立各站间不同到达时间的时间差方程组，在中心站10对时间差方程组进行解算，从而获得目标的精确位置。由于系统的分布式时钟采用了高稳定度的铷原子钟，双向主动校准技术使得全系统时钟同步精度优于1ns，在实时校正技术进一步修正测时误差后，系统对目标到达时间的测量精度优于2ns，因此，系统获得了场面定位精度优于1m、三维定位精度优于5m的良好结果，可满足系统对大中型复杂机场的场面监视需求。

以上所述仅是本实用新型的实施示例，不应以此限定本实用新型的权利范围，基于本实用新型原理上的任何系统重构、功能扩展、性能提升等改进和改动也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.基于分布式时钟的多边定位系统，其特征在于，包括：一个中心站（10）和至少四个接收站（20），所述中心站（10）和每个接收站（20）均有一个以原子钟为核心的时钟基准；所述中心站（10）根据不同接收站（20）的信号到达时间差计算出被定位目标的精确位置；所述接收站（20）分布在目标场地上不同的位置，各个接收站（20）相互独立，并且每个接收站（20）带有用于接收目标发出的应答信号并记录到达时刻的传感器；所述接收站（20）通过光纤链路和中心站（10）进行数据通信。

2.如权利要求1所述的基于分布式时钟的多边定位系统，其特征在于，所述原子钟为铷原子钟、铯原子钟、氢原子钟中的一种。

3.如权利要求1所述的基于分布式时钟的多边定位系统，其特征在于，所述接收站（20）包括天线（21）、接收机（22）、信号处理接收站分机（23）、时钟插件（24）、接收站监控插件（25）和发射光端机（26）；天线（21）接收到信号传给接收机（22），接收机（22）进行信号处理后转成光纤信号传送给信号处理接收站分机（23）；信号处理接收站分机（23）对各应答信号进行解码和到达时间测量，其测时的时间标尺由分布式时钟插件（24）提供，信号处理接收站分机（23）将应答信号的解码和测时结果通过发射光端机（26）传送给中心站（10）；接收站监控插件（25）监控接收站（20）所有设备的工作状态并送给中心站（10），同时传递系统控制信息。

4.如权利要求1所述的基于分布式时钟的多边定位系统，其特征在于，所述中心站（10）包括接收光端机（11）、信号处理主站分机（12）、标准时钟插件（13）、终端显示分机（14）、中心站监控插件（15）；接收光端机（11）接收由发射光端机（26）传送过来的数据，并直接送给信号处理主站分机（12）；信号处理主站分机（12）对接收站（20）处理数据进行匹配和组建求解时间差方程组，最终获得目标的高精度位置信息；标准时钟插件（13）通过光纤链路对所有时钟插件（24）双向主动校准；终端显示分机（14）将目标位置信息显示于大屏幕液晶屏幕上；中心站监控插件（15）对中心站（10）运行状况进行监控，同时中心站监控插件（15）将中心站（10）运行状况在终端显示分机（14）进行显示。

5.如权利要求1、3、4中任一所述的基于分布式时钟的多边定位系统，其特征在于，所述多边定位系统还包括至少一个用于提高目标定位精度的校标站（30）。