多点定位系统高精度TOA提取方法✴

张涛，唐小明，张婕

（海军航空工程学院信息融合研究所，山东烟台264001）

多点定位系统高精度TOA提取方法✴

张涛，唐小明，张婕

（海军航空工程学院信息融合研究所，山东烟台264001）

针对相关法检测报头时较低的采样频率对获取信号到达时间精度的不利影响，提出一种基于改进相关法的局部高速采样的高精度TOA提取方法。该方法根据曼切斯特编码特性在报头后第一个数据位时间内高频采样，使用两级移位寄存器作异或处理检测跳变沿提取到达时间信息，使测时精度达到了纳秒级，在使用GPS秒脉冲对双接收通道时间进行精确同步的基础上，输出提取的时间信息，对比测时的一致性。实验结果表明在实际应用中，TOA测量精度达到了理论预期。

多点定位；二次雷达；S模式；TOA提取；局部高速采样

1 引言

随着航空器的大量快速增加，传统的空中交通管制面临严峻挑战，世界各航空大国都在加紧进行新一代监视系统的研究。目前，多点定位系统（MLAT）和ADS-B系统是空中交通管制领域的两大研究热点。MLAT系统是由地面多个接收站接收同一目标的二次雷达（SSR）应答信号，根据各个接收站到达信号时间差来确定目标位置。MLAT定位精度高，目标容量更大，适应了空中交通流量高速增长的需要，是机场场面监视和飞机航路监视技术的重要发展方向［1，2］。在多点定位系统中，信号到达时间（TOA）的精度决定着能否利用TDOA进行定位以及定位的精度。如何获取高精度的时间信息便成为了关注的焦点。

二次雷达的主要协议有A／C模式和S模式。S模式为长码格式，携带辐射源的位置信息，这是A／C模式所不具有的。我们可以对同一架飞机发送某个空中位置点信息到达位于同一个地点的两个接收天线时所提取的TOA进行对比，以检验测时方法所能达到的提取TOA的精度［3，4］。故本文以S模式为例，研究获取高精度信号到达时间的方法，并用FPGA进行实现。在本地进行双通道接收S模式信息的实验，对实验数据进行分析，得到实际应用中所能达到的时间精度。

2 高精度到达时间提取方法

测量信号到达时间的前提是有一个相同的时间基准，时间不同步所带来的误差是对测量结果影响最大的一个因素，所以要获取高精度的时间信息首先要实现精确的时间同步。在时间同步的基础上用一个高稳的时钟进行计时，在信息到达时读取计时器里的时间信息，以完成高精度时间的提取。理论上信号的到达时间为一条信息第一个脉冲的上升沿被检测到的时间，但对有效S模式信号的确认是在完成对引导报头的成功检测之后。这就需要对脉冲前沿的到达时间做预先记录，在完成有效报头检测时对记录的时间作出筛选提取。其实，在多点定位系统中，我们最终用来对信号发射平台定位的是多站接收同一信号的时间差，所以只需要所有的站点对到达信号打上的时间戳是信号的同一位置［5］。

2.1 多点定位系统中的时间同步问题

时间同步即是把分布在各站的时钟同步起来，最直观的方法就是搬钟，可用一个标准钟作为搬钟，使各站的钟均与标准钟对准。时间同步的方法有无限电波授时、卫星授时和网络授时。利用卫星授时是实现大范围内时钟精密同步的好方法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号。用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度。美国投入巨资建立的全球定位系统（GPS），其信号已覆盖全球，可采用GPS接收机接收卫星信号来实现时间同步。

在GPS同步信号精度验证的实验中，搜星8颗以上，上电预热之后可输出稳定的TTL负电平秒脉冲，宽度为1ms，误差在20 ns以内。由于GPS秒脉冲的误差在纳秒级，对信号到达时间的测量影响较小，故本文研究在时间精确同步的基础上所能达到的时间测量精度。本文采用一个GPS接收板卡输出的秒脉冲提供给两个通道作为时间同步的基准。在多点定位中，时间差都是在毫秒级以下，即只需要知道精确的小数秒即可用来多点定位，故采用GPS接收板卡的秒脉冲信号来对高精度计时器清零进行时间同步。

实现高精度计时必然需要一个高稳定的时钟，本文采用铷原子钟作为外部时钟输入，其每秒的误差仅为10-11s（1／100 ns）。

2.2 提取信号到达时间

在文献［6］中，报头检测是在微波前端采用脉冲相关，即匹配滤波的方式来实现，相关后的峰值点作为信号的TOA时间。由于相关峰值点受脉冲到达能量的影响很大，会引起峰值点的漂移，造成到达时间的不稳定性。将相关法检测后移至视频端，脉冲的能量大小不再影响相关后的值的大小，TOA的精度取决于对信号采样频率的高低。相关法判定报头来获取TOA的方法，会因为采样频率过高而影响硬件的实现难度，还使得噪声干扰对报头检测的影响大大增加。所以相关法采样的频率一般在10 MHz左右，即引入的信号到达时间的误差在100 ns。本文根据S模式编码的特点，在局部提高采样频率，以获得更高的时间精度。

S模式应答信号的格式如图1所示［7，8］，前8.0μs为报头，由位置固定的4个子脉冲组成，脉宽0.5μs，后56／112μs为脉位调制（PPM）的数据块。数据块为56 bit或112 bit，每个比特周期为1μs，包含两个chip，采用曼切斯特调制，前一个chip为高电平后一个chip为低电平表示数据“1”，后一个chip为高电平前一个chip为低电平表示数据“0”［3］。即，S模式信号的每一个码元宽度为0.5μs，频率为2 MHz。

图1中所示的数据块表示的序列为0010…001。

在引导报头之后，每一个数据位都是由两个变化的chip组成，在这1μs的中间总会有一个沿存在。所以可以选择某个数据位，用中间的变化沿作为提取高精度时间的点。本文选择第一个数据位中间的变化沿作为信号的到达时间。

3 高精度时间提取的FPGA实现

FPGA在时序逻辑控制方面相对于其它类型的芯片具有优势，同时在数据处理方面的能力越来越强大。现在，中端的FPGA单个芯片即可以满足大多数工程对时序控制和数据处理两方面的要求，使得系统更加简洁和稳定。

本文搭建了一个原理系统来检验在受到多种因素影响的实际系统中所能获取的时间的精度。报头检测、数据解码以及提取高精度TOA都由FPGA开发板完成，数据的处理和分析交由上位机完成。S模式信号双通道接收系统结构如图2所示。

GPS天线接收卫星信号经GPS板卡处理后输出同步秒脉冲到FPGA板进行时间同步；两个接收天线接收民航飞机下行数据，经放大检波等前端处理后，FPGA板在视频端对信号进行采样，在完成报头判定后检测第一个数据位的曼切斯特跳变沿以读取计数器里的值；将时间信息和解码信息通过串口发送给上位机解算并记录。

高稳铷原子钟输入到FPGA内部经DCM时钟管理器组合出100 MHz高速时钟用于时间同步、计时以及读取到达时间。在时间同步进程中，在100 MHz的频率下对秒脉冲信号采样，用两级移位寄存器存储当前和前一个采样值，利用这两个采样值判断秒脉冲的前沿（下降沿），以清零计数器，否则不停计数；在检测进程中，一旦判定出S模式引导报头立即进入曼切斯特变化沿提取程序，在1μs内同样采用100 MHz时钟对信号采样，存入两级移位寄存器作异或处理，若出现真值则读取计数器里的数值；将时间信息和解码信息加上信息分段标识后存入FIFO，用串口将其发送给上位机进行解算、记录和分析。整个流程如图3所示。

4 实验结果分析

从两个通道所共有的航班批号中选出Mode S号为424922的两个通道数据进行分析。由于天线放置的地点、高度、方向、传输线长度和材质等因素的不同，两个通道接收解码的信息有一定差异：一是两通道解码的个数有多有少，二是两通道解出的相同位置点偏少。在一段时间内，两个通道解出的位置点的情况如表1所示。通道一正确解算出的位置数据点为374个，通道二正确解算出的位置数据点为520个，两通道中包含相同位置数据点的个数为184个。

分别从两个通道提取这184个相同位置点的时间信息进行分析。本文是用两个接近的天线（10m以内）接收同一架民航客机下发的信息进行双通道检测，并获取高精度时间信息。所以这两个通道获取的对同一条信息的时间应该相当接近。表2列出了两个通道所共有的184个位置点的时间信息的统计情况。

从表2中可以看出，76.63%的相同位置点的时间差在50 ns以下，而98.90%的位置点的时间差在130 ns以内。从时间同步和提取的机制上，只要视频端信号的变化沿足够陡峭，那么理论上所有的点的时间差都应该在20 ns以内。时间的同步是判断同一个秒脉冲的下降沿，而这个下降沿的判断是在用100 MHz的时钟进行采样的基础上作出的。即，在这可能引入10 ns的误差。同样，时间的提取也是通过100 MHz时钟的采样来判断上升沿或下降沿来进行的，这里也会存在10 ns的误差。故，在同一个地点，理论上的时间差应该在20 ns以内。而本文实验的两个天线相距将近10m，加上传输线长度不一样将造成两个通道的时延不一致，引入的时间差在30 ns。所以在不考虑时钟（因为所采用的是高稳的原子钟，稳定度在10-11）带来的影响的情况下，50 ns以内的时间差是可以被理解的。按照ICAO规定，S模式前沿为50～100 ns，文献［3］指出脉冲的下降沿甚至达到200 ns。也就是说，不理想的脉冲沿会带来较大的时间误差，时间差在200 ns内都属于正常范围。在表中有两个点的时差大于200 ns，虽然比例不高，但确实存在。这两个时间差分别是537 810 ns和656 500 ns。这样大的时间差是如何来的呢，经过对原始数据的分析发现，这是由于受到空域中其它信号的干扰而导致在报头检测后的第一个跳变沿没有被检测到，以至于时间信息没有得到更新而使用上一条报文的时间信息。一条报文的时间长度为120 000 ns，这两个时间差都大于120 000 ns，进一步证明了前面分析的正确性。

实验数据表明，接收解码受到干扰而导致获取错误的信号到达时间的概率在一个较小的百分比，除此之外都在一个正常的范围之内，且较理想的情况（小于50 ns）占了较大比例。经上述分析可知，通过将两个天线放置在同一位置，使用同样的传输线可以使时间差小于20 ns的位置点的个数占到一个较大比例（70%），而因为受到干扰而产生的错误时间差可以通过处理软件设置门限来加以剔除。

传统空管二次雷达6种询问模式的应答信号格式相同，由16个信息码位组成，为首尾框架脉冲格式，不存在由固定报头引导数据块的情况。对其用相关检测判定应答模式的时候，可用首尾两个固定脉冲和无信号到达区的理论采样值作为相关序列和信号的采样序列相关，对用尾框架脉冲的下降沿作高速采样获取高精度TOA。对于在同一个硬件平台上实现同时对S模式应答信号和A／C模式信号进行解码尚未成功，下一步将考虑两者的兼容性。

5 结论

多点定位系统（MLAT）是一种针对航路、终端区域、机场附近及场面的新型监视技术，可完全兼容

SSR雷达和ADS-B下行数据传输链路，可以接收和解码飞机SSR代码和S模式地址，具备目标识别能力和高精度定位能力。多点定位是基于到达时间差的定位方法，高精度的时间信息是能进行定位的基础，这要求有精确的时间同步机制予以保证。本文利用GPS接收板卡输出的秒脉冲信号进行时间同步，同时用高稳原子钟作为外部时钟输入，保证计时的准确性，以飞机下行数据中的S模式信号为实验对象，给每条报文加上到达时间信息，发送到上位机解算记录。对实验数据的统计分析结果表明，本文所采用的高精度时间获取方法在实际应用中达到了理论上的效果，时间精度达到纳秒级，可应用于实际多点定位系统中，提供精确的时间信息。定位信息可为ADS-B丢点作有效的补充，也可推广到其它无位置信息的模式进行多点时差定位。

［1］王洪，刘昌忠，汪学刚.二次雷达S模式综述［J］.电讯技术，2008，48（7）：113-118.

WANG Hong，LIU Chang-zhong，WANG Xue-gang.Mode S for Secondary Surveillance Radar（SSR）：an Introduction and Overview［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（7）：113-118.（in Chinese）

［2］张睿，孔金凤.机场场面监视技术的比较及发展［J］.中国西部科技，2010，9（1）：34-35，52.

ZHANGRui，KONG Jin-feng.Comparison and Development ofSurface Surveillance Technology in Airport［J］.Science and Technology ofWest China，2010，9（1）：34-35，52.（in Chinese）

［3］王洪，刘昌忠，汪学刚，等.S模式前导脉冲检测方法［J］.电子科技大学学报，2010，39（4）：486-489.

WANG Hong，LIU Chang-zhong，WANG Xue-gang，et al. Methods to DetectMode SPreamble［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2010，39（4）：486-489.（in Chinese）

［4］郑植，练马林，张超，等.模式S应答处理中报头检测的研究与实现［J］.电子科技大学学报，2008，37（增1）：66-70.

ZHENG Zhi，LIANMa-lin，ZHANGChao，etal.Research and Realization of Preamble Detection Ar ithmetic in Mode S Reply Processing［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2008，37（Suppl.1）：66-70.（in Chinese）

［5］白敏.基于TDOA的陆基多点定位系统设计与定位算法研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

BAIMin.Research on Design and Algorithm of Ground-Based Positioning System Based on TDOA［D］.Chongqing：Chongqing University，2010.（in Chinese）

［6］Galati G，Gasbarra M，Piracci E G.Decoding techniques for SSRmode S signals in high traffic environment［C］／／Proceedings of the 2005 European Radar Conference.Paris：IEEE，2005：383-386.

［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，主要从事雷达系统、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.

张婕（1984—），女，山东烟台人，助理工程师，主要研究方向为信息与通信工程。

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

张涛（1986—），男，四川蓬溪人，硕士研究生，主要研究方向为信号检测、评估与识别；

1001-893X（2011）11-0058-05

2011-07-11；

2011-08-26

国家自然科学基金资助项目（60972160）；教育部新世纪人才支持计划