姜俊斐
摘 要
简述了组成MLAT系统的远端基站、校标系统、地面中心站及飞行动态显示系统，对MLAT的关键技术TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）及MLAT系统的其他关键技术如到达信号边沿检测、时钟同步、几何精度因子（DOP）以及接收机布站优化问题进行了剖析，并对MLAT系统的应用进行了分析。
关键词
MLAT;组成;TDOA;应用
中图分类号： V355 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.065
Abstract
The Remote base Station，calibration system，ground center station and flight dynamic display system，which make up the MLAT system，are briefly described， the key technologies of Mlat，TDOA（Time Difference of Arrival） and other key technologies of Mlat system，such as edge detection of Arrival signal，clock synchronization， geometric precision factor（DOP），as well as the optimization of receiver layout，are analyzed，and the application of the MLAT system is analyzed.
Key Words
Multilateration;Composition;Time difference of arrival;Applications
0 前言
中国民航已经制定并正在实施民航强国战略，要求加快建设新一代空中交通管理系统，空管监视系统为空中交通管理系统提供空中与地面航空器的实时动态信息，是进行空中交通管理的基础。目前，传统监视基础设施（雷达）已初具规模，新监视技术（自动相关监视、多点定位）应用推进迅速，为了满足日益繁忙的大型枢纽机场旅客吞吐量的不断增长，加强对全国各航路（线）及终端监视覆盖，迫切需要多种监视手段的联合应用，以增强空域的监视能力，进一步优化监视运行程序，提高运行效率。
1 MLAT系统關键技术
MLAT系统的关键技术之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）定位技术。目标信号到两个天线间的时间差形成一条能够确定飞机位置的双曲面（三维空间）。当四个天线发现飞机信号后，可以通过计算双曲面的交叉点得出飞机的三维位置。当仅有三个天线可用时，不能直接判断出三维位置，但如果可以通过其他信息获知高度，也能够计算出目标位置，即变成了二维的问题。在使用大气压高度（模式C）时，由于气压高度在不同地理位置存在一定差别，不能精确估计出目标的位置。当多于4个天线时，多余信息既可用于校准其他测量的正确性又可以从所有测量中计算出一个平均位置，这将可以全面减小误差。
将接收机安装在两个不同的位置P1和P2，来自一个机载应答机Q的信号被两个接收机收到，并且这个信号到达两个接收机的时间差可以被测量出来，那些到两个定点（接收机）有相同的距离差（d1-d2）的点形成一条双曲线（二维空间），焦点就是P1、P2，如图1所示。
如果增加一个接收机，目标位置Q由两个双曲线在同一个水平面上的交点确定，如图2所示。具体来说，实际上两组接收站在空间上形成的是三维图形（双曲面）而不是双曲线，待定位目标必定在该双曲面上。如果基站数目达到4个时，使得三对双曲面相交，即可获得待定位目标的位置坐标。基站数越多，则得出的精度越高。
MLAT系统的关键技术还有到达信号边沿检测（包括应答信号检测和自适应脉冲沿检测）、时钟同步、几何精度因子（DOP）以及接收机布站优化问题。
时钟同步技术中又包括基于参考应答机的同步方式、基于GNSS的同步方式和基于原子时钟的同步方式。
基于参考应答机的同步方式如图3所示，参考应答机通过天线发送参考时钟数据，下变频器接通过天线收数据，在TOA估计单元比对本地时钟，比对数据结果需要传送到地面中心站进行处理。地面中心站跟踪时钟误差和飞机目标，对相关TDOA估计进行校正。
基于参考应答机的同步方式的MLAT系统收到的参考应答机信号可能因为某些原因而产生衰减，其中包括多径联合、混跌、潜在的外部干扰。
多径是接收机收到的由地面、水面、建筑或其他飞机等物体反射引起的同源重复信号。通过对天线的选择能够减少多径影响。短径会使不同时间到达的脉冲产生重叠，对重叠脉冲给出同样的响应。将直接路径和最早到达的路径和反射到达路径进行比对，前两者具有更高的级别。这些重叠的脉冲能够导致直径接收信号形变，这会对TDOA的精度产生影响。长径差导致同一了应答被重复接收多次，虽然符合系统特性，但并不能长期出现，如果没被发现将会产生假目标。混跌是两个或多个不同信号被同时接收到，混跌的概率随着二次雷达信号密度的增加而增加。多径和混跌对多点相关系统的精度和探测概率有影响，很多时候，特别是多径能够通过识别而修复。信号的形变会对TDOA精度测量和相关质量产生影响。
基于GNSS的同步方式如图4所示，GNSS接收机接收全球卫星导航数据，并将接收的数据作为本地时钟，并下发到TOA估计单元中。TOA估计单元将接收数据经过ADC转换为数字量并结合下变频器的数据，将综合数据发送到地面中心站进行处理。地面中心站进行相关TOA估计和目标跟踪。
基于原子时钟的同步方式中，各远端基站通过高精度原子钟获取高精度的本地时间，然后通过网络数据对同步时钟进行动态校准。
上述三种同步方式的时间同步精度均可达纳秒级。基于参考应答机的同步方式和基于卫星导航系统的同步方式需要在地面中心站计算和补偿远端基站之间的时间差，而基于原子时钟的同步方式多种外界因素都会对远端基站的本地频率造成干扰，导致原子时钟的抖动，影响同步时间精度。
MLAT系统的几何分布对系统的定位精度也有很大的影响，飞机在天线二维平面的覆盖范围内，其位置信息的精度非常高，覆盖范围之外的数据精度会随着离覆盖范围的距离增加逐渐下降。
MLAT系统的高精度需要多个地面远端基站以及多个远端基站之间布置的几何形状，MLAT系统精度一般需要小于0.1nm。MLAT系统的S模式中记载设备的更新周期为1s。MLAT系统的S模式信号除ADS-B系统S模式的信息外，还包括滚转角、航迹角以及航迹角速度、地速、磁航向和指示空速等。
MLAT系统的定位精度（σ）一般由定位精度因子（GDOP）和信号到达时间差的测量精度（σTDOA）决定。三者的关系为：
σ=σTDOA×GDOP
式中，σ为MLAT系统定位精度;σTDOA为TDOA信号到达时间差的测量精度;GDOP为定位精度因子。
信号到达时间差的测量误差一般为固定值，是系统指标之一。定位精度因子（GDOP）一般与MLAT系统的地面接收站的布局有关，用于评价地面接收站的几何分布对测量精度的影响程度。
在到达时间差定位系统中，定位精度因子GDOP等于航空器位置的定位误差与航空器到地面接收站距离测量误差的比值，表征地面站几何分布对定位精度的影响程度，而几何精度因子GDOP可视为对系统测距误差的放大值。航空器可视地面站接收站的分布越广，GDOP值越小，定位精度越高。因此对于MLAT系统GDOP是个非常重要的概念，计算系统的GODP優化地面站的布局不仅可以提高MLAT系统的定位精度也可以减少不必要的地面接收站的建设。
3 MLAT系统应用分析
MLAT系统的数据中包含飞机的编号等识别信息，定位数据精度高。MLAT系统兼容功能强大，可以兼容任何机载应答机，与ADS-B系统兼容。MLAT系统抗干扰能力强，同一时间能够监视超过五百个跟踪目标。此外，MLAT系统对应的软件能够对飞机及场面车辆进行动态监测和控制，具有价格低、安装方便等特点。
我国首套MLAT系统于2008年在首都机场投入使用，主要包括地面中心站和远端基站，远端基站包括接收机、发射机和参考应答机，定位精度不大于五米，主要对机场场面的车辆和飞机进行监控，并对飞机的进近阶段实行高精度监控。
场面监视中，环境受限或能见度低的情况下，管制员可以根据MLAT系统准确地判断出飞机和车辆的位置，并向管制员发出跑道上潜在危险的信号。与传统二次雷达系统相比，MLAT系统通常情况下可以花更少的投入而得到相同或更高水平的服务，为管制员提供无缝的界面和监视数据，使得他们可以提高在低能见度下的操作，增加安全性，提高飞行容量限制。MLAT系统将飞机和车辆的连续识别信息提供给管制员。可靠的信息、完整的标识系统使得管制员可以更准确地判断飞机的情况，不仅提高了安全性也提高了效率，使得机场的吞吐量有所增加。同时，MLAT技术在广域、进近监视、RVSM监视中也有所研究应用。
MLAT系统利用现有机载标准应答机，无须加装其他机载导航设备即完成定位监视;高数据更新率（每秒1次，而二次雷达至少4秒1次），几乎是二次雷达的5倍，如果需要的话这个速率还能增加;接收站点配置灵活，系统监视覆盖范围适应性强，MLAT系统能够适用各种环境，能够实现对低海拔区域复杂环境的覆盖;独立测量飞机高度;系统成本低（与现有的SSR雷达系统相比较，其投资成本不到1/3），最小安装需求;具有目标标识能力，采用无源接收定位方式，对其他系统干扰小。同时，MLAT系统能够与使用标准协议和通信设备的各种系统连接，并能够处理飞行计划系统（FPS）数据，送至塔台显示、A-SMG CS、TIS-B服务器、交通管理单元、航线运行、机场运行的数据和送至用户支持中心监视系统的数据。随着技术的逐渐成熟，MLAT技术在广域监视、进近和场面监视中的应用也会越来越多。
