浅析Thales多点定位系统信号处理机制

赵泽

摘要：多点定位系统信号在机场场面监视运行过程中起着非常重要的作用，本文针对Thales多点定位系统信号处理机制进行了深入地分析，对了解多点定位系统信号输出原理及系统信号覆盖范围调整提供了借鉴与帮助。

关键词：多点定位;TOA过滤;定位算法

中图分类号：V35 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0205-03

0 引言

多点定位系统（MLAT）作为场面监视的一种有效手段，已陆续在国内机场开始安装使用。但机场场面交通流量的不断增加，机场场区内不断进行改扩建工程，来满足和提高机场运行容量及效率。对于多点定位系统来讲，则需要进行系统信号覆盖区域地调整或扩容，已达到场面监视的运行要求。

1 Thales多点定位系统结构简介

多点定位监视技术是基于三个及以上地面站接收机接收到的目标信号到达时间差（TDOA），对多个双曲线（面）相交的位置解算来确定飞机目标的二维（或三维）位置。针对机场实际的电磁环境，通过采用冗余方式在机场不同区域布置多个远端地面接收站，用于接收飞机目标发射出的A/C/S模式、ADS-B、TCAS/ACAS应答信号，随后在对其信号解码和时间标记后送至中心处理站，中心处理站通过定位解算便可以对目标位置进行确定并生成目标报告送往自动化系统进行融合处理供管制员指挥监控飞机位置。中心处理站作为整个系统的核心节点，不仅要进行信号定位处理，还需要进行系统时间同步/校准及实时地向询问发射站发送询问指令实现对覆盖区域内目标的全监视功能。该处理站采用了主备冗余的方式，每一个地面站输出的数据同时送到两个中心处理站进行处理，两个中心处理站相互监视运行状态，共同处理主用和备用状态，所以当主备切换时，数据不会出现丢失，提高系统的安全可靠性。多点定位系统结构示意图如图1所示。

2 Thales多点定位系统信号处理流程

如图1，中心处理站收集和处理所有地面站输出的原始数据，实现信号解码、目标代码关联、TOA过滤、多点定位处理、目标航迹处理、目标报告生成等主要功能。

2.1 原始数据解码

解码模块接收各个地面站输出的包括地面站SIC码、TOA时间、信号电平、信息类别以及报文内容等的原始数据，完成对A/C模式和S模式下行信号（DF0，DF4，DF5，DF11，DF17，DF18，DF20和DF21）码字中相关目标身份识别信息、高度信息等内容的提取。

2.2 目标关联

关联模块的功能是从不同地面站收集同一目标的TOA（到达时间），采用适合的关联方式，形成一个TOA-block，每一个TOA在TOA-block内的位置与接收地面站的标识有关。在关联过程中主要涉及到两种模式的关联，即A/C模式之间的关联、S模式之间的关联[1]。A/C模式数据关联模块从接收到的地面站原始数据中过滤和识别有效的A/C模式目标数据，利用目标之间相同的识别码或高度码，将这些有效的数据同已识别的目标进行关联，为每一个目标建立不同的A/C模式TOA-block。S模式数据关联模块从接收到的地面站原始数据中过滤和识别有效的S模式目标数据，利用目标的24位地址码，将这些有效的数据同已识别的目标进行关联，为每一个目标建立不同的S模式TOA-block。

2.3 目标定位处理

目标定位模块基于一个公共的时间基准上，根据目标TOA-block中的TOA信息，利用不同的定位算法实现目标位置定位功能。目标定位处理流程主要分为三部分：系统区域拓扑信息、地面站信息、定位算法规则初始化;目标定位处理;定位结果输出。

初始化：THALES多点定位系统可以根据不同的现场条件、所需性能和监视应用区域情况，实现不同的拓扑结构和配置。目标定位处理过程完全依赖于特定的拓扑和配置初始化信息。这些初始化信息包括地面站基本信息、所使用的定位算法和规则、区域拓扑信息。

目标定位处理：目标定位处理流程主要包括TOA-blocks信息接收、目标首次检测、目标连续检测、目标更新、目标点迹和航迹跟踪。

（1）TOA接收：关联过程根据插入到TOA-block中的第一个TOA时间进行排序形成一个TOA-block列表，该列表作为目标定位模块的输入。TOA-block排序是为了保证位置计算按照时间顺序排列，防止位置向后跳转。在进行目标定位之前，根据设置的TOA过滤条件，对每一个TOA-block中的TOA信息的过滤筛选，TOA的过滤规则主要有以下几种：

①功率电平：通过设置功率门限电平过滤器，对接收到的信号功率电平進行过滤，选择高于该门限电平的TOA。如果block中所有TOA的功率电平低于该门限，则该TOA- block将被丢弃。有一个TOA的功率电平高于该门限，则TOA-block将被保留。

②地面站检查：通过设置一个地面站SIC的滤波器，检查该地面站是否在设定的区域内，如果不在将滤除该地面站的TOA信息。

③预估：如果接收到的信号报头失真，但是信号仍被识别，将对该信号的TOA值进行预估并在TOA-block中进行标记。

④S模式检查：对TOA-block中的每一个TOA的AP字段以及DF18的控制字段和DF19的应用字段进行检查。如果有一个TOA检查失败，将丢失整个TOA-block。

⑤在一定周期时间内，定位处理模块检索读取关联模块输出的TOA-block信息，并对TOA-block中任意两个TOAs之间的时间差同光速到两个地面站的时间进行比较，判断TOAs信息是否有效。

根据有效的TOA值计算出目标的位置。如果目标为新目标，则执行“首次检测”处理，否则执行“连续检测”处理。

（2）首次检测：首次检测仅适用于给定目标但之前没有有效位置的情况。按照TOA-block配置的TOA数量，丢弃TOA-block中信号电平比较低的TOA，如图3（a）所示。根据首次检测处理程序定义的不同算法和规则对TOA-block中的TOA信息进行定位处理，对计算的结果进行检查确保返回的位置值可用，最后对多个算法的计算出结果进行平均作为目标位置。

（3）连续检测：连续检测首先判断当前目标是否位于系统所配置定义的某一个区域中（如跑道、滑行道等）。如果目标包含在已配置的区域内，根据TOA-block配置的TOA数量，在以目标位置为中心的四个区域内选取信号电平较高的TOA，如图3（b）所示。使用该区域定义的定位规则进行处理[2] 。如果目标不包含在所配置的区域，将使用默认的定位规则进行处理，并根据定义的时间和发现目标次数的门限，停止定位目标。

（4）多点定位算法和规则：多点定位算法是按照目标高度可以分为2维算法、3维算法以及2维3维混合算法三种。按照算法的解法可以分为迭代算法和非迭代算法两种。对于迭代算法，需要定义迭代最小和最大次数、基于固定位置或最后一个有效位置的起始向量、基于当前位置和先前迭代位置之间的位置差的停止准则。非迭代算法中定义位置分辨率，即计算允许的最大舍入误差有多大。

规则设定：规则有两种，一种是按照系统所定义的区域进行设定的，另一种则是默认规则。规则中可以设定所需最小的TOA数量、所使用的2D和/或3D算法、最小和最大高度等参数。

2.4 航迹处理

通过定位算法计算出目标位置后，形成了目标的原始点迹信息。由于不良的DOP或视线遮挡等原因可能造成计算出的位置异常，因此需要一种检测位置异常值并将其移除的修正机制。Thales多点定位系统针对位置异常设置了一个预航迹处理器，用于过滤最明显的失败位置和跳转。计算出的目标点迹同预航迹处理器中一个预设的位置窗口比较，如果计算的点迹超出这个位置窗口，那么将丢弃点迹或修改以致能够匹配历史航迹和预测趋势。

通过预航迹处理器筛选后，将该位置添加到已关联目标的航迹处理中。航迹处理器由两个卡尔曼滤波器组成，在主动或被动模式下并行运行，避免平滑幅度过大造成输出结果受影响，如图4所示。两个滤波器的平滑值同原始点迹实时进行比较，当超出预设的位置差值时，切换到另一个滤波器作为主滤波器输出平滑位置。在首次检测目标的情况下，定位处理已经完成。在连续检测的情况下，利用目标的最后位置和速度，计算了给定周期时间下的预测位置，预测位置的最大允许数量是可配置的。

2.5 目标报告生成

航迹处理提供的有效航迹数据以列表的形式与所有目标信息一起存储在一个已知的存储器中作为“航迹存储”信息，如图5所示。目标维护程序扫描目标列表，查找需要输出的目标信息和该删除的目标信息。目标信息以ASTERIX CAT010/020进行格式转换，以定义的传输模式进行外送。

3 Thales多点定位系统信号输出配置

多点定位系统信号覆盖范围的调整配置，可以分为两类。一是增加接收地面站优化部分区域地定位精度;另一种仅仅是调整当前覆盖区域范围，不涉及地面站的配置。前一种涉及到的调整类别比较复杂，在此不进行详述，本文主要针对后一种不涉及地面站配置的信号覆盖范围的调整进行详述。

目前多点定位系统是根据机场跑道、滑行道、停机坪、进近区域、航站楼等功能区域进行多点定位信号处理及输出的。每一个区域相当于一个图层，可以定义区域的名称、优先级、处理目标海拔高度范围、数据是否外送，多个区域可以相互叠加，根据区域的优先级，对优先级数值最大的区域信号进行处理输出。覆盖区域的具体配置逻辑关系如图3所示。

当需要调整某一区域地输出信号时，首先了解该区域所处的位置，不同的位置所使用的算法和定位精度是不同的，例如跑道和进近区域配置规则是不一样的，需要对该区域地范围进行设定，可以利用系统绘图软件划定一定的地图范围，也可以直接输入区域范围关键点的地理位置坐标点信息，该坐标点是以机场参考点为中心的三维直角坐标系，并对该区域定义一个polygonID识别号，便于系統索引该ID进行该区域内的信号处理。在该区域内还需要设置5个不同的信号相关处理规则，每一个规则包括处理的TOA数量（5-9个）和所使用的算法类型（4个2维非迭代算法，1个3维牛顿迭代算法）。系统将5个规则最终解算的定位结果进行对比，选取平均值作为输出[3]。同时还需要在该区域内定义校准地面站，可设定一个或多个，根据优先顺序进行选择。

4 结语

结合机场改扩建多点定位系统信号覆盖范围调整及外方技术支持有限的困境，通过对Thales多点定位系统信号处理过程中TOA信息的过滤筛选规则、定位处理流程以及信号输出的详细介绍，提出了具体的覆盖范围调整方法，解决了多点定位系统信号覆盖范围调整的难题，为其他地区同类型系统的维护提供经验。

参考文献

[1] 李莉，邓平，刘林.Taylor级数展开法定位及其性能分析[J].西南交通大学学报，2002，37（6）：684-688.

[2] 李家蓬，韩明，苑克剑.多点定位系统的布站设计[J].电光与控制，2016，23（1）：71-74.

[3] 陈庆国.多点定位系统的定位算法比较研究[D].中国民用航空飞行学院，2012.