顏波濤，周 喃

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

0 引 言

多點(diǎn)定位機(jī)場(chǎng)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)通過接收民航飛機(jī)應(yīng)答脈沖信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的空間位置，提供機(jī)場(chǎng)地面及附近空域中各目標(biāo)的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)區(qū)對(duì)飛機(jī)的精確定位和識(shí)別，改善繁忙機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面監(jiān)視能力，提高機(jī)場(chǎng)的安全性［1］。信號(hào)處理是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的核心——如何正確捕捉應(yīng)答信號(hào)脈沖串，解決到達(dá)時(shí)間（TOA）高精度的測(cè)時(shí)，并進(jìn)行目標(biāo)定位解算是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位的關(guān)鍵。

1 多點(diǎn)定位場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)定位原理

多點(diǎn)定位機(jī)場(chǎng)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)是通過布置在機(jī)場(chǎng)附近的各傳感器（遠(yuǎn)端單元）捕獲飛機(jī)（車輛）的應(yīng)答信號(hào)，各遠(yuǎn)端站利用捕獲到的飛機(jī)應(yīng)答脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖串檢測(cè)、應(yīng)答信號(hào)解碼，測(cè)量出各站接收到應(yīng)答信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，并將檢測(cè)到的應(yīng)答信號(hào)到達(dá)時(shí)間和應(yīng)答碼送至中心站匹配，利用多站TOA解算出目標(biāo)的具體位置［2－3］，定位技術(shù)原理圖見圖1。

2 信號(hào)處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

多點(diǎn)定位機(jī)場(chǎng)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)分為信號(hào)處理A（遠(yuǎn)端站）與信號(hào)處理B（中心站）2個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。

圖1 多站TOA時(shí)差定位技術(shù)原理圖

2.1 遠(yuǎn)端站信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法

遠(yuǎn)端站需要完成應(yīng)答信號(hào)脈沖檢測(cè)、框架檢測(cè)、去混疊處理、解碼，脈沖TOA測(cè)量、目標(biāo)數(shù)據(jù)包處理等功能［4］。

遠(yuǎn)端站的功能框圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)端站信號(hào)處理系統(tǒng)功能框圖

2.1.1 脈沖檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)答碼是一串脈沖信號(hào)，信號(hào)處理的首要環(huán)節(jié)就是把接收到的應(yīng)答信號(hào)形成滿足脈沖特性的脈沖信號(hào)。各個(gè)站點(diǎn)分布處于不同地點(diǎn)，接收機(jī)也是獨(dú)立的，信號(hào)強(qiáng)弱不等，為保證前后沿統(tǒng)一，需要分析脈沖前后沿特性。圖3中橫向?yàn)闀r(shí)間，單位0.05 μs；縱向?yàn)榫€性幅度，歸一化值為1。

圖3 脈沖信號(hào)與經(jīng)過低通系統(tǒng)后的波形對(duì)比

由圖3可見，前、后沿在采集脈沖信號(hào)均值的0.5的位置。對(duì)于對(duì)數(shù)信號(hào)，前后沿位置為比脈沖幅度小6dB的位置。選取適當(dāng)?shù)墓潭ㄩT限加噪聲門限，大于門限認(rèn)為1，否則為0。脈沖檢測(cè)時(shí)采用滑窗檢測(cè)法，滿足N／M準(zhǔn)則，則認(rèn)為是脈沖信號(hào)。若脈沖過寬，則認(rèn)為是干擾信號(hào)（如雷達(dá)脈沖信號(hào)或電臺(tái)信號(hào)的諧波），予以剔除。

2.1.2 框架檢測(cè)與解碼

當(dāng)飛機(jī)上的應(yīng)答機(jī)收到二次雷達(dá)地面站的詢問信號(hào)后，就根據(jù)詢問模式自動(dòng)回答一串脈沖，這串脈沖稱為應(yīng)答碼。應(yīng)答碼由16個(gè)信息碼位組成，這些碼位的代號(hào)依次是 F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2和SPI，每個(gè)碼位都有2種狀態(tài)，即：有脈沖或無脈沖，有脈沖時(shí)為“1”，無脈沖時(shí)為“0”。F1與F2的0.5電平處的脈沖前沿間隔為20.3±0.1μs，稱為框架脈沖，它們是二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)的標(biāo)志脈沖，均恒為“1”狀態(tài)。X位是備用狀態(tài)，恒為“0”。2個(gè)框架脈沖（F1與F2）之間的12個(gè)信息碼位C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4為信息碼，可以編成4 096個(gè)獨(dú)立的應(yīng)答碼。

正常情況下，2個(gè)框架脈沖的間隔為20.3±0.1μs，因此，一個(gè)框架就認(rèn)為2個(gè)前沿間有404～408個(gè)時(shí)鐘周期（20MHz抽樣頻率）。在本系統(tǒng)中，框架脈沖的檢測(cè)是根據(jù)比較延時(shí)的前沿與非延時(shí)情況下的重合情況，延時(shí)的前沿對(duì)應(yīng)于框架脈沖F1，非延時(shí)的前沿對(duì)應(yīng)脈沖F2，F(xiàn)1相對(duì)于F2延時(shí)20.3μs，由于F2相對(duì)于F1有5個(gè)時(shí)鐘脈沖的變化范圍，F(xiàn)2與F1的前沿延時(shí)404～408個(gè)時(shí)鐘周期的任一個(gè)對(duì)齊，都認(rèn)為是一個(gè)正確的框架。

圖4 應(yīng)答信號(hào)組成

圖5 20MHz采樣真實(shí)應(yīng)答信號(hào)

當(dāng)一個(gè)正確的框架被檢測(cè)到，接下來的任務(wù)就是檢測(cè)此次應(yīng)答碼的內(nèi)容，解碼過程依據(jù)每個(gè)應(yīng)答碼間的距離都是1.45μs，比較相對(duì)于框架脈沖可能出現(xiàn)應(yīng)答碼的位置上的幅度值與框架脈沖幅度之間的差值，若超出一定的幅度范圍則應(yīng)答碼為0，否則為1?？紤]到每個(gè)應(yīng)答碼與框架脈沖間的距離有一定的容許誤差，在距框架脈沖相應(yīng)的應(yīng)答碼出現(xiàn)的位置上，提前或延后一個(gè)時(shí)鐘周期都認(rèn)為是正確的應(yīng)答碼的位置。

2.1.3 應(yīng)答碼混疊處理

在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視中，由于可能有多架飛機(jī)且相距較近，其應(yīng)答信號(hào)幾乎同時(shí)響應(yīng)而使系統(tǒng)的接收信號(hào)發(fā)生混疊。對(duì)于混疊，考慮2種情況：一種為碼元不混疊，只是碼元（脈沖）交替出現(xiàn)，即碼元時(shí)間間隔不是1.45μs，這個(gè)可以通過判別碼元時(shí)間間隔即可知道；另一種為碼元脈沖混疊，即脈沖寬度比0.45μs要大。因此，通過脈沖前后沿的時(shí)間差來識(shí)別碼元脈沖是否交疊［5－6］。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)收到的一脈沖串存在混疊現(xiàn)象時(shí)，其解碼就不能按照不混疊的情況處理，否則可能有誤。

首先，判斷框架脈沖第1個(gè)脈沖是否有交疊。

若沒有（即時(shí)間間隔0.6μs以上，等效距離間隔180m以上），則對(duì)其以后的脈沖處理，按照前沿（th＋0.1＋1.45＊n）μs采樣，后沿（tb－0.1＋1.45＊n）μs采樣，n＝1，…，14。若二者一致，則該碼元信息提取無誤。不同時(shí)，優(yōu)選信息狀態(tài)為“0”，因?yàn)?個(gè)應(yīng)答信號(hào)的脈沖（“1”狀態(tài)）接收后相當(dāng)于“或”邏輯。為脈沖且脈寬為0.45μs時(shí)，則質(zhì)心估計(jì)時(shí)刻可用。0.1μs的偏差主要是防止前后沿的檢測(cè)偏差，因此，兩目標(biāo)的定位分辨時(shí)間間隔大于0.2 μs，即120m。

若交疊，則說明兩目標(biāo)相距很近，可以分別以前后沿處理2批目標(biāo)信息碼。為避免框架脈沖檢測(cè)時(shí)因第1個(gè)脈沖存在交疊，造成框架丟失或編碼判斷不準(zhǔn)確，可以在單次脈沖檢測(cè)時(shí)即對(duì)脈沖寬度進(jìn)行判斷，如若脈沖寬度大于0.45μs，則該脈沖可能存在混疊。對(duì)于混疊的脈沖，可以利用脈沖寬度及其前后沿特性對(duì)脈沖進(jìn)行切分，將1個(gè)混疊脈沖分離為2個(gè)獨(dú)立脈沖（如圖6）。脈沖A前沿即以混疊脈沖前沿為前沿，后沿為混疊脈沖前沿（th＋0.45μs）。脈沖B前沿以混疊脈沖后沿（tb－0.45μs）為前沿，后沿即為混疊脈沖后沿。

圖6 混疊脈沖切分示意圖

用以上方法處理2個(gè)目標(biāo)應(yīng)答碼混疊時(shí)，信息碼解碼一般不會(huì)出現(xiàn)問題。為了防止信息碼解碼時(shí)的誤碼，要求后端空間定位時(shí)間匹配時(shí)，對(duì)信息碼不要求所有位匹配，否則多目標(biāo)混疊導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤，將出現(xiàn)無解或空間定位錯(cuò)誤。這一點(diǎn)要從工程實(shí)際允許應(yīng)答信號(hào)混疊嚴(yán)重程度去要求，在目標(biāo)定位漏警和虛警中尋求平衡。

處理中，為了方便中心站應(yīng)答信號(hào)匹配處理，混／不混疊應(yīng)答信號(hào)等建立不同標(biāo)記，以示不同的TOA信用標(biāo)志。

2.1.4 高精度脈沖TOA測(cè)量

精確測(cè)量應(yīng)答信號(hào)的到達(dá)時(shí)間以滿足多點(diǎn)定位的需要是機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面高精度綜合監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了適應(yīng)系統(tǒng)工程化的自適應(yīng)門限檢測(cè)方法、差值測(cè)時(shí)法、多點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合測(cè)時(shí)法的優(yōu)化解決方案，解決了多點(diǎn)定位系統(tǒng)到達(dá)時(shí)間測(cè)量對(duì)脈沖幅度的偶合作用，使測(cè)時(shí)精度更好地滿足系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)精確定位的要求［7］。

（1）自適應(yīng)門限檢測(cè)法

為了解決各遠(yuǎn)端基站因接收到脈沖幅度不同，而引起固定門限帶來的脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量誤差，考慮采用自適應(yīng)門限的方法提高測(cè)時(shí)精度，即采用脈沖幅度的固定比例為門限，確定脈沖到達(dá)時(shí)間。由圖7可以看出，即使脈沖幅度不同，脈沖幅度的固定比例時(shí)間仍在同一時(shí)間點(diǎn)t上，脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量不受脈沖幅度的影響。

圖7 輸入正交信號(hào)的自適應(yīng)門限檢測(cè)示意圖

以上方法適用于輸入IQ信號(hào)時(shí)的門限檢測(cè)。由于本系統(tǒng)輸入信號(hào)為求模取對(duì)數(shù)后的幅度信號(hào)，脈沖幅度的固定比例為門限的檢測(cè)方法即轉(zhuǎn)化為脈沖幅度降固定數(shù)值為門限，如圖8所示。

圖8 輸入模對(duì)數(shù)值的自適應(yīng)門限檢測(cè)示意圖

（2）差值法到達(dá)時(shí)間測(cè)量

由以往脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量分析可知，采用逐次臨近法選取與幅度均值接近的幅度時(shí)間偏差來獲得脈沖到達(dá)時(shí)間偏差，所得到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度為10ns，且會(huì)引起2.89ns的量化誤差。為了避免量化誤差對(duì)本系統(tǒng)定位精度上的影響，滿足到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度為1ns的系統(tǒng)精度要求，可采用差值測(cè)時(shí)法計(jì)算脈沖偏差時(shí)間。

脈沖上升沿差值測(cè)時(shí)方法可以近似于梯形進(jìn)行運(yùn)算。如圖9所示，假設(shè)過門限脈沖頂端幅度均值減去固定差值所獲得的脈沖前沿時(shí)刻幅度為S－，脈沖前沿時(shí)刻t落于采樣點(diǎn)時(shí)刻t1、t2之間，A1、A2為t1、t2時(shí)刻的100M 采樣幅度值，A1＜S－＜A2，則：

圖9 差值法到達(dá)時(shí)間測(cè)量示意圖

由式（1）可得脈沖前沿時(shí)刻t：

采用差值測(cè)時(shí)的方法，解決了逐次臨近法帶來的量化誤差，進(jìn)一步提高了單站到達(dá)時(shí)間測(cè)時(shí)精度（1ns）。

另外還有多點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合測(cè)時(shí)法，由于篇幅所限，本文就不一一介紹。

2.2 中心站信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法

中心站主要實(shí)現(xiàn)各遠(yuǎn)端站點(diǎn)的編碼匹配處理、多點(diǎn)定位處理等功能。

中心站的功能框圖如圖10所示。

遠(yuǎn)端站通過各通道將實(shí)時(shí)應(yīng)答信號(hào)解碼信息及時(shí)間信息TOA送入中心站數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行編碼匹配處理，匹配后獲得來自同一個(gè)目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)及TOA等信息組合送目標(biāo)解算計(jì)算機(jī)，解算目標(biāo)位置。

2.2.1 多站匹配軟件實(shí)現(xiàn)

中心站多站匹配軟件在一片DSP中實(shí)現(xiàn)，軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由解應(yīng)答數(shù)據(jù)包、多站目標(biāo)信息匹配、生成目標(biāo)數(shù)據(jù)包軟件單元組合組成。其中，多站目標(biāo)信息匹配軟件單元組合由匹配鏈表操作、目標(biāo)信息匹配、提取匹配目標(biāo)信息3個(gè)軟件單元組成。軟件單元組成如圖11所示。

圖10 中心站信號(hào)處理系統(tǒng)原理框圖

圖11 中心站軟件單元組成框圖

2.2.2 多點(diǎn)定位算法

當(dāng)中心站獲取了各站到達(dá)時(shí)間，則只要通過空間三維方程求解即可，因此只要滿足4個(gè)站點(diǎn)即可定位目標(biāo)的三維空間位置（x，y，z），則：

由于實(shí)際不能獲得當(dāng)前應(yīng)答信號(hào)從目標(biāo)到各站的TOA傳播時(shí)間，只是獲得脈沖到達(dá)的時(shí)刻，因此由時(shí)間差信息可組成3個(gè)方程的方程組［8］：

在目標(biāo)計(jì)算機(jī)中，只要解算該方程組，即可獲得目標(biāo)空間位置。這就是多點(diǎn)定位的基本思想，也是多點(diǎn)定位場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容。

3 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)可通過車載應(yīng)答模擬器模擬飛機(jī)發(fā)出真實(shí)的應(yīng)答信號(hào)，對(duì)整個(gè)信號(hào)處理結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中搭建5個(gè)遠(yuǎn)端站（接收站），如圖12所示，利用GPS測(cè)得各遠(yuǎn)端站點(diǎn)具體坐標(biāo)位置。定位測(cè)試時(shí)，按一定軌跡推動(dòng)車載應(yīng)答器，其發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理后在終端畫面上形成圖中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圓形軌跡，經(jīng)數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)定位誤差小于2m。

圖12 車載應(yīng)答模擬器運(yùn)行軌跡

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