多點定位系統(tǒng)特點及其在民航的應用民航科技

1、科普 講座多點定位系統(tǒng)特點及其在民航的應用The Characteristics of MLAT Systems and Its Applicationsin Civil Aviation文 / 黃忠濤背景：為什么要建設多點定位系統(tǒng)近幾十年來，國內(nèi)外航空運輸業(yè)快速發(fā)展。航空運輸量的增加，使得大型機場及其周邊區(qū)域的飛機數(shù)量急劇增加。高密度的交通流量使得機場及其附近飛機之間、飛機與場面車輛之間的間距減少， 跑道入侵、 場面沖突、 機場環(huán)境影響時有發(fā)生， 航空安全、航班正點問題日益突出。因此，迫切需要引入新的針對終端區(qū)域、機場附近空域和機場場面的監(jiān)視手段，以替代傳統(tǒng)的主要依靠飛行員和交通管制員的監(jiān)視

2、方式。黃忠濤， 高級工程師，民航二所科研開發(fā)中心副主任，現(xiàn)在職攻讀南京航空航天大學博士學位， 國 際 民 航 組 織（ International Civil Aviation Organization,從事民航空管通信導航監(jiān)視領域技術研究，主要研ICAO）在 2004年發(fā)表了先進場面活動引導和控制（ Advanced究方向為 ：無線電信號處理、地空數(shù)據(jù)鏈、分布式surface Movement Guidance and Control System, A-SMGCS 手）無源定位、機場場面監(jiān)視、系統(tǒng)模擬及仿真。冊，要求機場安裝的新一代機場監(jiān)視設備，能夠對飛機在機場從跑道、滑行道、停機坪和登機

3、口全方位進行自動引導控制，其功能擴展為監(jiān)視、路由分配、引導和控制四大主要功能。其中可選用的場面監(jiān)視技術包括一次場面監(jiān)視雷達、廣播式自動相關監(jiān)多點定位技術采用分布式的多個接收機高精度定位視（ Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ，AD和S-B多）跟蹤動態(tài)目標，可以在機場能見度較差的環(huán)境條件下大大點定位（ MULTILATERATION,MLA）T 技術。提高機場的安全因素，增加機場的容量。目前多點定位在場面監(jiān)視雷達屬于非協(xié)作式監(jiān)視系統(tǒng)，系統(tǒng)受地形、天氣影 機場場面的應用效果較好， ICAO 制定了系統(tǒng)用于民航場響大，對于大中機場來說，單重覆蓋存在

4、盲區(qū)，本身無目標識別 面監(jiān)視的最低標準，可以說多點定位技術，已經(jīng)成為目前能力； ADS-B 系統(tǒng)是基于衛(wèi)星導航定位技術實現(xiàn)目標定位，它民航監(jiān)視技術領域內(nèi)的熱點和前沿技術。存在衛(wèi)星完好性及需要對老舊飛機進行改裝等弱點，應用受到一定限制；多點定位技術是實現(xiàn) A-SMGCS 機場場面監(jiān)視的核心技多點定位技術原理多點定位技術通過在地面布置多個遠端接收站，采用 術，使用現(xiàn)有的機載應答機發(fā)射的 1090MHz 應答信號實現(xiàn)對飛多點接收方式，接收監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的機載 A/C 模式、S 模 機的定位，對已有的監(jiān)視設備和機載設備無需改造，不需要在航式應答信號，以及 S模式“ squitter ”信號，并進行解碼發(fā)

5、空器上安裝任何額外設備。1圖 1 多點定位系統(tǒng)布局示意圖 圖 2 多點定位雙曲線交叉定位原理示意圖送至中心處理站，中心處理站經(jīng)過定位解算即可確定目標的位 高度等信息。一個完整的主動式多點定位系統(tǒng)運行示意圖如圖置坐標。多點定位系統(tǒng)的布局示意圖如圖 1 所示。 3 所示。目前多點定位技術主要采用到達時間差（ Time Difference多點定位系統(tǒng)主要包含遠端接收站、中心處理站、參考基of Arrival, TDOA ）體制方式進行定位，通過對多個雙曲線（或 準站、詢問發(fā)射站、監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡 6 個組成部分。雙曲面）相交的解算來確定目標的二維（或三維）位置。由于多點定位系統(tǒng)結構框圖見圖

6、 4。其中遠端接收站子系統(tǒng)負飛機距各接收站的距離不同，飛機發(fā)送的應答信號到達各地面責接收處理目標應答機和參考應答機的應答信號并輸出至中心接收站的時間（ TOA， time of arrival ）不同，多點定位系統(tǒng)通 處理站。中心處理站子系統(tǒng)則負責接收所有遠端站的數(shù)據(jù)并進過計算到達時間的差值，并進行計算就可以得到飛機的位置。 行同步校準和數(shù)據(jù)處理，對目標進行定位解算并組成標準報文對于空中目標而言，需要至少四個遠端站收到應答信號才能通 輸出。參考基準站子系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的同步和監(jiān)視，并負責過雙曲面交叉定位（三維）算法確定目標的位置和高度；對于 對系統(tǒng)進行基本的測試。詢問發(fā)射站子系統(tǒng)負責向目標發(fā)射

7、地面目標而言，有三個站接收到應答信號就可以通過雙曲線交 AC/S 模式詢問信號， 并同時接收處理中心處理站的詢問指令。叉定位確定目標位置。場面多點定位原理示意圖如圖 2 所示。監(jiān)控子系統(tǒng)負責對所有其余子系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)視和控制。數(shù)據(jù)考慮機場實際的復雜射頻環(huán)境，布站通常采用冗余方式， 通信網(wǎng)絡負責各子系統(tǒng)、其它監(jiān)視設備與中央處理子系統(tǒng)之間對于場面監(jiān)視，通常采用 4 站及以上冗余覆蓋布站方式。如果的數(shù)據(jù)傳送。高度數(shù)據(jù)通過其他途徑得到（例如 C 模式代碼、S 模式應答和 多 點 定 位 系 統(tǒng) 具 備 mode A/C 與 DF0、DF4、DF5、ADS-B 廣播信號相應高度信息），僅用三個遠端站也可

8、以計DF11、DF17、DF18、DF20 和 DF21 等格式的 Mode S 信號處算出三維坐標位置，實現(xiàn)空中目標定位。理功能，覆蓋范圍內(nèi)目標定位功能，目標詢問功能，系統(tǒng)自動多點定位系統(tǒng)結構監(jiān)控功能，原始數(shù)據(jù)記錄回放功能， ASTERIX CAT10 目標報文輸出功能等。多點定位系統(tǒng)分為主動式（ active ）多點定位監(jiān)視系統(tǒng)和被動式（ passive ）多點定位監(jiān)視系統(tǒng)。主動式系統(tǒng)在系統(tǒng)中配置詢問機，由詢問機進行詢問，得到航班標牌（A 碼）、高度多點定位技術優(yōu)勢多點定位技術充分利用民航飛機標準配置應答機的 A/C等信息。被動式系統(tǒng)在系統(tǒng)中不配備詢問機，系統(tǒng)接收其它二 模式和 S 模式應

9、答信號，以及 S 模式“ squitter ”信號，采用多次雷達詢問應答信息、 ADS-B 信息，得到航班標牌（A 碼）、2點接收方式確定飛機或其他運動目標的位置。由于該系統(tǒng)可以 嚴重影響多點定位系統(tǒng)的工作效能，帶來很大的安全隱患。因完全兼容傳統(tǒng)二次雷達、S 模式二次雷達和 ADS-B 下行數(shù)據(jù)此迫切需要提高系統(tǒng)的抗干擾能力。傳輸鏈路，可以接收和解碼飛機 A 模式代碼和 S 模式地址，因 2）多點定位詢問發(fā)射問題而具備目標標識能力和高精度定位能力。主動式多點定位系統(tǒng)涉及到詢問發(fā)射， 如何控制詢問發(fā)射，并處理好與二次雷達之間的相互干擾是需要考慮解決的問題。 與場面監(jiān)視雷達相比，該技術的特點在于：

10、3）多點定位站址選擇問題 （1）充分利用機載現(xiàn)有標準應答機，而無需加裝其他機 多點定位技術實現(xiàn)場面監(jiān)視需要在場面建設多個遠端接收載導航設備完成定位監(jiān)視； 站，特別是對于大型機場，可能需要布置 20 個，甚至 30 個以（2）兼容 ADS-B 技術；上站點，這對站址選擇來說是個重要問題。因為建站涉及到機（3）數(shù)據(jù)更新率高；場所有相關單位，例如空管、機場、航空公司等。如何進行選（4）與現(xiàn)有場面監(jiān)視雷達相比，系統(tǒng)成本低。址和環(huán)境保障是系統(tǒng)工程建設將面臨的問題。（5）系統(tǒng)監(jiān)視覆蓋無盲區(qū)，定位精度高。 4）多點定位數(shù)據(jù)傳輸問題（6）系統(tǒng)具有目標標識能力；多點定位系統(tǒng)由于多站分布布局方式，站點可能建設在導

11、（7）體積小， 站點配置靈活， 系統(tǒng)監(jiān)視覆蓋范圍適應性強。航臺站、塔臺、航站樓以及機場場面其余建筑物上，需要考慮接收站天線為沒有旋轉機構的簡單全向天線，且接收站處理簡 保障站點和中心站的數(shù)據(jù)通信，特別是一些已建設機場，并沒單，可以實現(xiàn)輕型、小型化。 有專用有線傳輸網(wǎng)絡，如何進行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸成為待解決的難點問題。 多點定位系統(tǒng)待解決的技術問題多點定位技術國外應用現(xiàn)狀 隨著國內(nèi)外多點定位系統(tǒng)的大量應用，多點定位也面臨一些待解決的問題。下面就多點定位技術領域面臨的幾個主要問 ICAO， 美 國 FAA、Eurocontrol 、Eurocade等 民 航 國 際題進行分析。組織和地區(qū)組織已經(jīng)將多點

12、定位技術和系統(tǒng)作為標準監(jiān)視系1）系統(tǒng)抗干擾問題統(tǒng)進行推薦，并制定了一系列相關的技術標準和發(fā)展規(guī)劃，組織了一系列的驗證評估試驗工程（歐洲 1995-1999 年進行在高密度的機場，大量飛機如果以每秒幾十個脈沖同時發(fā)DEFAMM DEMO 工程， 2000-2001 年進行 BETA 工程，美國射應答信號，多點定位接收機采用的全向天線將全部接收到這FAA 2000 年進行 RIRP 工程項目）。一些國家已經(jīng)部署其應些信號，再加上多徑和反射等效應，如果不采用抗干擾措施， 用系統(tǒng)（捷克已就在其全境部署多點定位空域監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)進行多點定位系統(tǒng)將無法工作。干擾對定位和解碼的破壞性作用，圖 3 多點定位系統(tǒng)運

13、行示意圖3中國民航多點定位技術應用國內(nèi)首都機場已經(jīng)布置一套多點定位系統(tǒng)，用于 3 跑道平行跑道監(jiān)視和終端區(qū)監(jiān)視。該系統(tǒng)為主動式監(jiān)視系統(tǒng)，其中場面布置了多套接收站、發(fā)射站和基準站，實現(xiàn)了場面三條跑道、滑行道和機動飛行區(qū)的全部監(jiān)視。此外，廣州白云機場、上海虹橋機場及西安咸陽機場正在進行多點定位系統(tǒng)的建設。 民航局第二研究所 2009 年就已突破了多點定位系統(tǒng)關鍵圖 4 多點定位系統(tǒng)結構框圖技術，并獲得了 2009 年民航局科技一等獎，其多點定位系統(tǒng) 應用驗證）。已經(jīng)在成都雙流機場場面及周邊終端區(qū)進行測試驗證 3 年以上。民航二所的多點定位系統(tǒng)已在桂林機場開展了多點定位國際上主要的多點定位監(jiān)視系統(tǒng)的生產(chǎn)商為 ERA 公司、示范驗證工程，系統(tǒng)建設已全部完成，監(jiān)視數(shù)據(jù)已送至管制Sensis公 司、 THALES 公 司、 Rannoch 公 司 和 Roke Manor部門進行試用。公司，這些生產(chǎn)廠商主要來自美國、英國、法國、加拿大（供圖：民航二所科研中心）和捷克。美國的 Sensis公司等研制開發(fā)的多點定位系統(tǒng)，已由 FAA 批準在美國近 30 個機場試用，并出口到包括歐洲、亞洲的多個國家；英國 Roke Manor Research 公司采用多點定位技術開發(fā)了 vigilance 系統(tǒng)。捷克 ERA 公司采用該技術開發(fā)了 VERA 系列監(jiān)視系統(tǒng)，包括用于場面