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264001）

多點定位系統(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264001）

針對相關(guān)法檢測報頭時較低的采樣頻率對獲取信號到達(dá)時間精度的不利影響，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頭后第一個數(shù)據(jù)位時間內(nèi)高頻采樣，使用兩級移位寄存器作異或處理檢測跳變沿提取到達(dá)時間信息，使測時精度達(dá)到了納秒級，在使用GPS秒脈沖對雙接收通道時間進(jìn)行精確同步的基礎(chǔ)上，輸出提取的時間信息，對比測時的一致性。實驗結(jié)果表明在實際應(yīng)用中，TOA測量精度達(dá)到了理論預(yù)期。

多點定位；二次雷達(dá)；S模式；TOA提取；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)，世界各航空大國都在加緊進(jìn)行新一代監(jiān)視系統(tǒng)的研究。目前，多點定位系統(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。MLAT系統(tǒng)是由地面多個接收站接收同一目標(biāo)的二次雷達(dá)（SSR）應(yīng)答信號，根據(jù)各個接收站到達(dá)信號時間差來確定目標(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的需要，是機場場面監(jiān)視和飛機航路監(jiān)視技術(shù)的重要發(fā)展方向［1，2］。在多點定位系統(tǒng)中，信號到達(dá)時間（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間信息便成為了關(guān)注的焦點。

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。我們可以對同一架飛機發(fā)送某個空中位置點信息到達(dá)位于同一個地點的兩個接收天線時所提取的TOA進(jìn)行對比，以檢驗測時方法所能達(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到達(dá)時間的方法，并用FPGA進(jìn)行實現(xiàn)。在本地進(jìn)行雙通道接收S模式信息的實驗，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到實際應(yīng)用中所能達(dá)到的時間精度。

2 高精度到達(dá)時間提取方法

測量信號到達(dá)時間的前提是有一個相同的時間基準(zhǔn)，時間不同步所帶來的誤差是對測量結(jié)果影響最大的一個因素，所以要獲取高精度的時間信息首先要實現(xiàn)精確的時間同步。在時間同步的基礎(chǔ)上用一個高穩(wěn)的時鐘進(jìn)行計時，在信息到達(dá)時讀取計時器里的時間信息，以完成高精度時間的提取。理論上信號的到達(dá)時間為一條信息第一個脈沖的上升沿被檢測到的時間，但對有效S模式信號的確認(rèn)是在完成對引導(dǎo)報頭的成功檢測之后。這就需要對脈沖前沿的到達(dá)時間做預(yù)先記錄，在完成有效報頭檢測時對記錄的時間作出篩選提取。其實，在多點定位系統(tǒng)中，我們最終用來對信號發(fā)射平臺定位的是多站接收同一信號的時間差，所以只需要所有的站點對到達(dá)信號打上的時間戳是信號的同一位置［5］。

2.1 多點定位系統(tǒng)中的時間同步問題

時間同步即是把分布在各站的時鐘同步起來，最直觀的方法就是搬鐘，可用一個標(biāo)準(zhǔn)鐘作為搬鐘，使各站的鐘均與標(biāo)準(zhǔn)鐘對準(zhǔn)。時間同步的方法有無限電波授時、衛(wèi)星授時和網(wǎng)絡(luò)授時。利用衛(wèi)星授時是實現(xiàn)大范圍內(nèi)時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)用超短波傳播時號。用超短波傳播時號不僅傳遞精度高，而且可提高時鐘比對精度。美國投入巨資建立的全球定位系統(tǒng)（GPS），其信號已覆蓋全球，可采用GPS接收機接收衛(wèi)星信號來實現(xiàn)時間同步。

在GPS同步信號精度驗證的實驗中，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以內(nèi)。由于GPS秒脈沖的誤差在納秒級，對信號到達(dá)時間的測量影響較小，故本文研究在時間精確同步的基礎(chǔ)上所能達(dá)到的時間測量精度。本文采用一個GPS接收板卡輸出的秒脈沖提供給兩個通道作為時間同步的基準(zhǔn)。在多點定位中，時間差都是在毫秒級以下，即只需要知道精確的小數(shù)秒即可用來多點定位，故采用GPS接收板卡的秒脈沖信號來對高精度計時器清零進(jìn)行時間同步。

實現(xiàn)高精度計時必然需要一個高穩(wěn)定的時鐘，本文采用銣原子鐘作為外部時鐘輸入，其每秒的誤差僅為10-11s（1／100 ns）。

2.2 提取信號到達(dá)時間

在文獻(xiàn)［6］中，報頭檢測是在微波前端采用脈沖相關(guān)，即匹配濾波的方式來實現(xiàn)，相關(guān)后的峰值點作為信號的TOA時間。由于相關(guān)峰值點受脈沖到達(dá)能量的影響很大，會引起峰值點的漂移，造成到達(dá)時間的不穩(wěn)定性。將相關(guān)法檢測后移至視頻端，脈沖的能量大小不再影響相關(guān)后的值的大小，TOA的精度取決于對信號采樣頻率的高低。相關(guān)法判定報頭來獲取TOA的方法，會因為采樣頻率過高而影響硬件的實現(xiàn)難度，還使得噪聲干擾對報頭檢測的影響大大增加。所以相關(guān)法采樣的頻率一般在10 MHz左右，即引入的信號到達(dá)時間的誤差在100 ns。本文根據(jù)S模式編碼的特點，在局部提高采樣頻率，以獲得更高的時間精度。

S模式應(yīng)答信號的格式如圖1所示［7，8］，前8.0μs為報頭，由位置固定的4個子脈沖組成，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，每個比特周期為1μs，包含兩個chip，采用曼切斯特調(diào)制，前一個chip為高電平后一個chip為低電平表示數(shù)據(jù)“1”，后一個chip為高電平前一個chip為低電平表示數(shù)據(jù)“0”［3］。即，S模式信號的每一個碼元寬度為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)報頭之后，每一個數(shù)據(jù)位都是由兩個變化的chip組成，在這1μs的中間總會有一個沿存在。所以可以選擇某個數(shù)據(jù)位，用中間的變化沿作為提取高精度時間的點。本文選擇第一個數(shù)據(jù)位中間的變化沿作為信號的到達(dá)時間。

3 高精度時間提取的FPGA實現(xiàn)

FPGA在時序邏輯控制方面相對于其它類型的芯片具有優(yōu)勢，同時在數(shù)據(jù)處理方面的能力越來越強大?，F(xiàn)在，中端的FPGA單個芯片即可以滿足大多數(shù)工程對時序控制和數(shù)據(jù)處理兩方面的要求，使得系統(tǒng)更加簡潔和穩(wěn)定。

本文搭建了一個原理系統(tǒng)來檢驗在受到多種因素影響的實際系統(tǒng)中所能獲取的時間的精度。報頭檢測、數(shù)據(jù)解碼以及提取高精度TOA都由FPGA開發(fā)板完成，數(shù)據(jù)的處理和分析交由上位機完成。S模式信號雙通道接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

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

4 實驗結(jié)果分析

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

分別從兩個通道提取這184個相同位置點的時間信息進(jìn)行分析。本文是用兩個接近的天線（10m以內(nèi)）接收同一架民航客機下發(fā)的信息進(jìn)行雙通道檢測，并獲取高精度時間信息。所以這兩個通道獲取的對同一條信息的時間應(yīng)該相當(dāng)接近。表2列出了兩個通道所共有的184個位置點的時間信息的統(tǒng)計情況。

從表2中可以看出，76.63%的相同位置點的時間差在50 ns以下，而98.90%的位置點的時間差在130 ns以內(nèi)。從時間同步和提取的機制上，只要視頻端信號的變化沿足夠陡峭，那么理論上所有的點的時間差都應(yīng)該在20 ns以內(nèi)。時間的同步是判斷同一個秒脈沖的下降沿，而這個下降沿的判斷是在用100 MHz的時鐘進(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，時間的提取也是通過100 MHz時鐘的采樣來判斷上升沿或下降沿來進(jìn)行的，這里也會存在10 ns的誤差。故，在同一個地點，理論上的時間差應(yīng)該在20 ns以內(nèi)。而本文實驗的兩個天線相距將近10m，加上傳輸線長度不一樣將造成兩個通道的時延不一致，引入的時間差在30 ns。所以在不考慮時鐘（因為所采用的是高穩(wěn)的原子鐘，穩(wěn)定度在10-11）帶來的影響的情況下，50 ns以內(nèi)的時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，不理想的脈沖沿會帶來較大的時間誤差，時間差在200 ns內(nèi)都屬于正常范圍。在表中有兩個點的時差大于200 ns，雖然比例不高，但確實存在。這兩個時間差分別是537 810 ns和656 500 ns。這樣大的時間差是如何來的呢，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，這是由于受到空域中其它信號的干擾而導(dǎo)致在報頭檢測后的第一個跳變沿沒有被檢測到，以至于時間信息沒有得到更新而使用上一條報文的時間信息。一條報文的時間長度為120 000 ns，這兩個時間差都大于120 000 ns，進(jìn)一步證明了前面分析的正確性。

實驗數(shù)據(jù)表明，接收解碼受到干擾而導(dǎo)致獲取錯誤的信號到達(dá)時間的概率在一個較小的百分比，除此之外都在一個正常的范圍之內(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，通過將兩個天線放置在同一位置，使用同樣的傳輸線可以使時間差小于20 ns的位置點的個數(shù)占到一個較大比例（70%），而因為受到干擾而產(chǎn)生的錯誤時間差可以通過處理軟件設(shè)置門限來加以剔除。

傳統(tǒng)空管二次雷達(dá)6種詢問模式的應(yīng)答信號格式相同，由16個信息碼位組成，為首尾框架脈沖格式，不存在由固定報頭引導(dǎo)數(shù)據(jù)塊的情況。對其用相關(guān)檢測判定應(yīng)答模式的時候，可用首尾兩個固定脈沖和無信號到達(dá)區(qū)的理論采樣值作為相關(guān)序列和信號的采樣序列相關(guān)，對用尾框架脈沖的下降沿作高速采樣獲取高精度TOA。對于在同一個硬件平臺上實現(xiàn)同時對S模式應(yīng)答信號和A／C模式信號進(jìn)行解碼尚未成功，下一步將考慮兩者的兼容性。

5 結(jié)論

多點定位系統(tǒng)（MLAT）是一種針對航路、終端區(qū)域、機場附近及場面的新型監(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SSR代碼和S模式地址，具備目標(biāo)識別能力和高精度定位能力。多點定位是基于到達(dá)時間差的定位方法，高精度的時間信息是能進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，這要求有精確的時間同步機制予以保證。本文利用GPS接收板卡輸出的秒脈沖信號進(jìn)行時間同步，同時用高穩(wěn)原子鐘作為外部時鐘輸入，保證計時的準(zhǔn)確性，以飛機下行數(shù)據(jù)中的S模式信號為實驗對象，給每條報文加上到達(dá)時間信息，發(fā)送到上位機解算記錄。對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，本文所采用的高精度時間獲取方法在實際應(yīng)用中達(dá)到了理論上的效果，時間精度達(dá)到納秒級，可應(yīng)用于實際多點定位系統(tǒng)中，提供精確的時間信息。定位信息可為ADS-B丟點作有效的補充，也可推廣到其它無位置信息的模式進(jìn)行多點時差定位。

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［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，山東煙臺人，助理工程師，主要研究方向為信息與通信工程。

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，主要研究方向為信號檢測、評估與識別；

1001-893X（2011）11-0058-05

2011-07-11；

2011-08-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（60972160）；教育部新世紀(jì)人才支持計劃