張濤，唐小明，張婕

（海軍航空工程學(xué)院信息融合研究所，山東煙臺(tái)264001）

多點(diǎn)定位系統(tǒng)高精度TOA提取方法?

張濤，唐小明，張婕

（海軍航空工程學(xué)院信息融合研究所，山東煙臺(tái)264001）

針對(duì)相關(guān)法檢測(cè)報(bào)頭時(shí)較低的采樣頻率對(duì)獲取信號(hào)到達(dá)時(shí)間精度的不利影響，提出一種基于改進(jìn)相關(guān)法的局部高速采樣的高精度TOA提取方法。該方法根據(jù)曼切斯特編碼特性在報(bào)頭后第一個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間內(nèi)高頻采樣，使用兩級(jí)移位寄存器作異或處理檢測(cè)跳變沿提取到達(dá)時(shí)間信息，使測(cè)時(shí)精度達(dá)到了納秒級(jí)，在使用GPS秒脈沖對(duì)雙接收通道時(shí)間進(jìn)行精確同步的基礎(chǔ)上，輸出提取的時(shí)間信息，對(duì)比測(cè)時(shí)的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在實(shí)際應(yīng)用中，TOA測(cè)量精度達(dá)到了理論預(yù)期。

多點(diǎn)定位；二次雷達(dá)；S模式；TOA提??；局部高速采樣

1 引言

隨著航空器的大量快速增加，傳統(tǒng)的空中交通管制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，世界各航空大國(guó)都在加緊進(jìn)行新一代監(jiān)視系統(tǒng)的研究。目前，多點(diǎn)定位系統(tǒng)（MLAT）和ADS-B系統(tǒng)是空中交通管制領(lǐng)域的兩大研究熱點(diǎn)。MLAT系統(tǒng)是由地面多個(gè)接收站接收同一目標(biāo)的二次雷達(dá)（SSR）應(yīng)答信號(hào)，根據(jù)各個(gè)接收站到達(dá)信號(hào)時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)位置。MLAT定位精度高，目標(biāo)容量更大，適應(yīng)了空中交通流量高速增長(zhǎng)的需要，是機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視和飛機(jī)航路監(jiān)視技術(shù)的重要發(fā)展方向［1，2］。在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中，信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）的精度決定著能否利用TDOA進(jìn)行定位以及定位的精度。如何獲取高精度的時(shí)間信息便成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

二次雷達(dá)的主要協(xié)議有A／C模式和S模式。S模式為長(zhǎng)碼格式，攜帶輻射源的位置信息，這是A／C模式所不具有的。我們可以對(duì)同一架飛機(jī)發(fā)送某個(gè)空中位置點(diǎn)信息到達(dá)位于同一個(gè)地點(diǎn)的兩個(gè)接收天線(xiàn)時(shí)所提取的TOA進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)測(cè)時(shí)方法所能達(dá)到的提取TOA的精度［3，4］。故本文以S模式為例，研究獲取高精度信號(hào)到達(dá)時(shí)間的方法，并用FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在本地進(jìn)行雙通道接收S模式信息的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到實(shí)際應(yīng)用中所能達(dá)到的時(shí)間精度。

2 高精度到達(dá)時(shí)間提取方法

測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間的前提是有一個(gè)相同的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)間不同步所帶來(lái)的誤差是對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最大的一個(gè)因素，所以要獲取高精度的時(shí)間信息首先要實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步。在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上用一個(gè)高穩(wěn)的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)，在信息到達(dá)時(shí)讀取計(jì)時(shí)器里的時(shí)間信息，以完成高精度時(shí)間的提取。理論上信號(hào)的到達(dá)時(shí)間為一條信息第一個(gè)脈沖的上升沿被檢測(cè)到的時(shí)間，但對(duì)有效S模式信號(hào)的確認(rèn)是在完成對(duì)引導(dǎo)報(bào)頭的成功檢測(cè)之后。這就需要對(duì)脈沖前沿的到達(dá)時(shí)間做預(yù)先記錄，在完成有效報(bào)頭檢測(cè)時(shí)對(duì)記錄的時(shí)間作出篩選提取。其實(shí)，在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中，我們最終用來(lái)對(duì)信號(hào)發(fā)射平臺(tái)定位的是多站接收同一信號(hào)的時(shí)間差，所以只需要所有的站點(diǎn)對(duì)到達(dá)信號(hào)打上的時(shí)間戳是信號(hào)的同一位置［5］。

2.1 多點(diǎn)定位系統(tǒng)中的時(shí)間同步問(wèn)題

時(shí)間同步即是把分布在各站的時(shí)鐘同步起來(lái)，最直觀(guān)的方法就是搬鐘，可用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鐘作為搬鐘，使各站的鐘均與標(biāo)準(zhǔn)鐘對(duì)準(zhǔn)。時(shí)間同步的方法有無(wú)限電波授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。利用衛(wèi)星授時(shí)是實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)時(shí)鐘精密同步的好方法，只有利用衛(wèi)星，才可在全球范圍內(nèi)用超短波傳播時(shí)號(hào)。用超短波傳播時(shí)號(hào)不僅傳遞精度高，而且可提高時(shí)鐘比對(duì)精度。美國(guó)投入巨資建立的全球定位系統(tǒng)（GPS），其信號(hào)已覆蓋全球，可采用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

在GPS同步信號(hào)精度驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)中，搜星8顆以上，上電預(yù)熱之后可輸出穩(wěn)定的TTL負(fù)電平秒脈沖，寬度為1ms，誤差在20 ns以?xún)?nèi)。由于GPS秒脈沖的誤差在納秒級(jí)，對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量影響較小，故本文研究在時(shí)間精確同步的基礎(chǔ)上所能達(dá)到的時(shí)間測(cè)量精度。本文采用一個(gè)GPS接收板卡輸出的秒脈沖提供給兩個(gè)通道作為時(shí)間同步的基準(zhǔn)。在多點(diǎn)定位中，時(shí)間差都是在毫秒級(jí)以下，即只需要知道精確的小數(shù)秒即可用來(lái)多點(diǎn)定位，故采用GPS接收板卡的秒脈沖信號(hào)來(lái)對(duì)高精度計(jì)時(shí)器清零進(jìn)行時(shí)間同步。

實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時(shí)必然需要一個(gè)高穩(wěn)定的時(shí)鐘，本文采用銣原子鐘作為外部時(shí)鐘輸入，其每秒的誤差僅為10-11s（1／100 ns）。

2.2 提取信號(hào)到達(dá)時(shí)間

在文獻(xiàn)［6］中，報(bào)頭檢測(cè)是在微波前端采用脈沖相關(guān)，即匹配濾波的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，相關(guān)后的峰值點(diǎn)作為信號(hào)的TOA時(shí)間。由于相關(guān)峰值點(diǎn)受脈沖到達(dá)能量的影響很大，會(huì)引起峰值點(diǎn)的漂移，造成到達(dá)時(shí)間的不穩(wěn)定性。將相關(guān)法檢測(cè)后移至視頻端，脈沖的能量大小不再影響相關(guān)后的值的大小，TOA的精度取決于對(duì)信號(hào)采樣頻率的高低。相關(guān)法判定報(bào)頭來(lái)獲取TOA的方法，會(huì)因?yàn)椴蓸宇l率過(guò)高而影響硬件的實(shí)現(xiàn)難度，還使得噪聲干擾對(duì)報(bào)頭檢測(cè)的影響大大增加。所以相關(guān)法采樣的頻率一般在10 MHz左右，即引入的信號(hào)到達(dá)時(shí)間的誤差在100 ns。本文根據(jù)S模式編碼的特點(diǎn)，在局部提高采樣頻率，以獲得更高的時(shí)間精度。

S模式應(yīng)答信號(hào)的格式如圖1所示［7，8］，前8.0μs為報(bào)頭，由位置固定的4個(gè)子脈沖組成，脈寬0.5μs，后56／112μs為脈位調(diào)制（PPM）的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊為56 bit或112 bit，每個(gè)比特周期為1μs，包含兩個(gè)chip，采用曼切斯特調(diào)制，前一個(gè)chip為高電平后一個(gè)chip為低電平表示數(shù)據(jù)“1”，后一個(gè)chip為高電平前一個(gè)chip為低電平表示數(shù)據(jù)“0”［3］。即，S模式信號(hào)的每一個(gè)碼元寬度為0.5μs，頻率為2 MHz。

圖1中所示的數(shù)據(jù)塊表示的序列為0010…001。

在引導(dǎo)報(bào)頭之后，每一個(gè)數(shù)據(jù)位都是由兩個(gè)變化的chip組成，在這1μs的中間總會(huì)有一個(gè)沿存在。所以可以選擇某個(gè)數(shù)據(jù)位，用中間的變化沿作為提取高精度時(shí)間的點(diǎn)。本文選擇第一個(gè)數(shù)據(jù)位中間的變化沿作為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

3 高精度時(shí)間提取的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA在時(shí)序邏輯控制方面相對(duì)于其它類(lèi)型的芯片具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理方面的能力越來(lái)越強(qiáng)大?，F(xiàn)在，中端的FPGA單個(gè)芯片即可以滿(mǎn)足大多數(shù)工程對(duì)時(shí)序控制和數(shù)據(jù)處理兩方面的要求，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和穩(wěn)定。

本文搭建了一個(gè)原理系統(tǒng)來(lái)檢驗(yàn)在受到多種因素影響的實(shí)際系統(tǒng)中所能獲取的時(shí)間的精度。報(bào)頭檢測(cè)、數(shù)據(jù)解碼以及提取高精度TOA都由FPGA開(kāi)發(fā)板完成，數(shù)據(jù)的處理和分析交由上位機(jī)完成。S模式信號(hào)雙通道接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

GPS天線(xiàn)接收衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)GPS板卡處理后輸出同步秒脈沖到FPGA板進(jìn)行時(shí)間同步；兩個(gè)接收天線(xiàn)接收民航飛機(jī)下行數(shù)據(jù)，經(jīng)放大檢波等前端處理后，F(xiàn)PGA板在視頻端對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，在完成報(bào)頭判定后檢測(cè)第一個(gè)數(shù)據(jù)位的曼切斯特跳變沿以讀取計(jì)數(shù)器里的值；將時(shí)間信息和解碼信息通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)解算并記錄。

高穩(wěn)銣原子鐘輸入到FPGA內(nèi)部經(jīng)DCM時(shí)鐘管理器組合出100 MHz高速時(shí)鐘用于時(shí)間同步、計(jì)時(shí)以及讀取到達(dá)時(shí)間。在時(shí)間同步進(jìn)程中，在100 MHz的頻率下對(duì)秒脈沖信號(hào)采樣，用兩級(jí)移位寄存器存儲(chǔ)當(dāng)前和前一個(gè)采樣值，利用這兩個(gè)采樣值判斷秒脈沖的前沿（下降沿），以清零計(jì)數(shù)器，否則不停計(jì)數(shù)；在檢測(cè)進(jìn)程中，一旦判定出S模式引導(dǎo)報(bào)頭立即進(jìn)入曼切斯特變化沿提取程序，在1μs內(nèi)同樣采用100 MHz時(shí)鐘對(duì)信號(hào)采樣，存入兩級(jí)移位寄存器作異或處理，若出現(xiàn)真值則讀取計(jì)數(shù)器里的數(shù)值；將時(shí)間信息和解碼信息加上信息分段標(biāo)識(shí)后存入FIFO，用串口將其發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行解算、記錄和分析。整個(gè)流程如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從兩個(gè)通道所共有的航班批號(hào)中選出Mode S號(hào)為424922的兩個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于天線(xiàn)放置的地點(diǎn)、高度、方向、傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和材質(zhì)等因素的不同，兩個(gè)通道接收解碼的信息有一定差異：一是兩通道解碼的個(gè)數(shù)有多有少，二是兩通道解出的相同位置點(diǎn)偏少。在一段時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)通道解出的位置點(diǎn)的情況如表1所示。通道一正確解算出的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)為374個(gè)，通道二正確解算出的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)為520個(gè)，兩通道中包含相同位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為184個(gè)。

分別從兩個(gè)通道提取這184個(gè)相同位置點(diǎn)的時(shí)間信息進(jìn)行分析。本文是用兩個(gè)接近的天線(xiàn)（10m以?xún)?nèi)）接收同一架民航客機(jī)下發(fā)的信息進(jìn)行雙通道檢測(cè)，并獲取高精度時(shí)間信息。所以這兩個(gè)通道獲取的對(duì)同一條信息的時(shí)間應(yīng)該相當(dāng)接近。表2列出了兩個(gè)通道所共有的184個(gè)位置點(diǎn)的時(shí)間信息的統(tǒng)計(jì)情況。

從表2中可以看出，76.63%的相同位置點(diǎn)的時(shí)間差在50 ns以下，而98.90%的位置點(diǎn)的時(shí)間差在130 ns以?xún)?nèi)。從時(shí)間同步和提取的機(jī)制上，只要視頻端信號(hào)的變化沿足夠陡峭，那么理論上所有的點(diǎn)的時(shí)間差都應(yīng)該在20 ns以?xún)?nèi)。時(shí)間的同步是判斷同一個(gè)秒脈沖的下降沿，而這個(gè)下降沿的判斷是在用100 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行采樣的基礎(chǔ)上作出的。即，在這可能引入10 ns的誤差。同樣，時(shí)間的提取也是通過(guò)100 MHz時(shí)鐘的采樣來(lái)判斷上升沿或下降沿來(lái)進(jìn)行的，這里也會(huì)存在10 ns的誤差。故，在同一個(gè)地點(diǎn)，理論上的時(shí)間差應(yīng)該在20 ns以?xún)?nèi)。而本文實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)天線(xiàn)相距將近10m，加上傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度不一樣將造成兩個(gè)通道的時(shí)延不一致，引入的時(shí)間差在30 ns。所以在不考慮時(shí)鐘（因?yàn)樗捎玫氖歉叻€(wěn)的原子鐘，穩(wěn)定度在10-11）帶來(lái)的影響的情況下，50 ns以?xún)?nèi)的時(shí)間差是可以被理解的。按照ICAO規(guī)定，S模式前沿為50～100 ns，文獻(xiàn)［3］指出脈沖的下降沿甚至達(dá)到200 ns。也就是說(shuō)，不理想的脈沖沿會(huì)帶來(lái)較大的時(shí)間誤差，時(shí)間差在200 ns內(nèi)都屬于正常范圍。在表中有兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)差大于200 ns，雖然比例不高，但確實(shí)存在。這兩個(gè)時(shí)間差分別是537 810 ns和656 500 ns。這樣大的時(shí)間差是如何來(lái)的呢，經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，這是由于受到空域中其它信號(hào)的干擾而導(dǎo)致在報(bào)頭檢測(cè)后的第一個(gè)跳變沿沒(méi)有被檢測(cè)到，以至于時(shí)間信息沒(méi)有得到更新而使用上一條報(bào)文的時(shí)間信息。一條報(bào)文的時(shí)間長(zhǎng)度為120 000 ns，這兩個(gè)時(shí)間差都大于120 000 ns，進(jìn)一步證明了前面分析的正確性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，接收解碼受到干擾而導(dǎo)致獲取錯(cuò)誤的信號(hào)到達(dá)時(shí)間的概率在一個(gè)較小的百分比，除此之外都在一個(gè)正常的范圍之內(nèi)，且較理想的情況（小于50 ns）占了較大比例。經(jīng)上述分析可知，通過(guò)將兩個(gè)天線(xiàn)放置在同一位置，使用同樣的傳輸線(xiàn)可以使時(shí)間差小于20 ns的位置點(diǎn)的個(gè)數(shù)占到一個(gè)較大比例（70%），而因?yàn)槭艿礁蓴_而產(chǎn)生的錯(cuò)誤時(shí)間差可以通過(guò)處理軟件設(shè)置門(mén)限來(lái)加以剔除。

傳統(tǒng)空管二次雷達(dá)6種詢(xún)問(wèn)模式的應(yīng)答信號(hào)格式相同，由16個(gè)信息碼位組成，為首尾框架脈沖格式，不存在由固定報(bào)頭引導(dǎo)數(shù)據(jù)塊的情況。對(duì)其用相關(guān)檢測(cè)判定應(yīng)答模式的時(shí)候，可用首尾兩個(gè)固定脈沖和無(wú)信號(hào)到達(dá)區(qū)的理論采樣值作為相關(guān)序列和信號(hào)的采樣序列相關(guān)，對(duì)用尾框架脈沖的下降沿作高速采樣獲取高精度TOA。對(duì)于在同一個(gè)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)S模式應(yīng)答信號(hào)和A／C模式信號(hào)進(jìn)行解碼尚未成功，下一步將考慮兩者的兼容性。

5 結(jié)論

多點(diǎn)定位系統(tǒng)（MLAT）是一種針對(duì)航路、終端區(qū)域、機(jī)場(chǎng)附近及場(chǎng)面的新型監(jiān)視技術(shù)，可完全兼容

SSR雷達(dá)和ADS-B下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路，可以接收和解碼飛機(jī)SSR代碼和S模式地址，具備目標(biāo)識(shí)別能力和高精度定位能力。多點(diǎn)定位是基于到達(dá)時(shí)間差的定位方法，高精度的時(shí)間信息是能進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，這要求有精確的時(shí)間同步機(jī)制予以保證。本文利用GPS接收板卡輸出的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，同時(shí)用高穩(wěn)原子鐘作為外部時(shí)鐘輸入，保證計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，以飛機(jī)下行數(shù)據(jù)中的S模式信號(hào)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，給每條報(bào)文加上到達(dá)時(shí)間信息，發(fā)送到上位機(jī)解算記錄。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，本文所采用的高精度時(shí)間獲取方法在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了理論上的效果，時(shí)間精度達(dá)到納秒級(jí)，可應(yīng)用于實(shí)際多點(diǎn)定位系統(tǒng)中，提供精確的時(shí)間信息。定位信息可為ADS-B丟點(diǎn)作有效的補(bǔ)充，也可推廣到其它無(wú)位置信息的模式進(jìn)行多點(diǎn)時(shí)差定位。

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［7］Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation（Volume IV），Surveillance and Collision Avoidance Systems［S］.

［8］European Mode S station functional specification［S］.

ZHANG Tao was born in Pengxi，Sichuan Province，in 1986. He is now a graduate student.His research concerns signal detection，assessment and target identification.

Email：z554136435＠126.com

唐小明（1974—），男，浙江淳安人，博士，副教授，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)、信息融合方面的研究；

TANG Xiao-ming was born in Chun′an，Zhejiang Province，in 1974.He is now an associate professorwith the Ph.D.degree.His research concerns radar system and information fusion.

張婕（1984—），女，山東煙臺(tái)人，助理工程師，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程。

ZHANG Jie was born in Yantai，Shandong Province，in 1984. She is now an assistant engineer.His research direction is information and communication engineering.

High-Accuracy TOA Extraction Method in Multilateration

ZHANG Tao，TANG Xiao-ming，ZHANG Jie
（Research Institute of Information Fusion，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China）

A method for extracting high-accuracy TOA（Time of Arrival）with local high-frequency sampling based on improved correlationmethod is proposed in this paper for the adverse effects on the accuracy of extracting TOA in correlation detection with low sampling frequency.High-frequency sampling is done in the time of one data bit after the preamble according to the feature of Manchester encoding.The samples are stored in two shift registers for XOR treatment to detect the edge of signal，which is the time to extract the TOA.The accuracy of TOA can reach nanosecond level on the basis of precise time synchronization.An experimentwith two receiving channels is performed to verify the accuracy class.The statistical results show that the TOA measured accuracy has achieved the theoretical prospect in the practical application.

multilateration；secondary surveillance radar；Mode S；TOA extraction；local high-frequency sampling

Tha National Natural Science Foundation of China（No.60972160）；New Century Supporting Program Foundation for the Talents by the Education Commission

TN95；V351.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.012

張濤（1986—），男，四川蓬溪人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)、評(píng)估與識(shí)別；

1001-893X（2011）11-0058-05

2011-07-11；

2011-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60972160）；教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃