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      高精度分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):5901183閱讀:188來源:國(guó)知局
      專利名稱:高精度分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實(shí)用新型涉及一種民用航空領(lǐng)域多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。
      背景技術(shù)
      民用航空交通運(yùn)輸過程中需對(duì)飛行器的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,目前大量使用的監(jiān)視設(shè)備為航管一二次雷達(dá)。傳統(tǒng)雷達(dá)的監(jiān)視精度可以滿足空中飛行器監(jiān)視精度的要求。而對(duì)于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面,航管雷達(dá)監(jiān)視精度無法達(dá)到< 7. 5米的要求,因此需要使用新的監(jiān)視設(shè)備。民用航空多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)屬于基于時(shí)差定位的無源定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)中有多個(gè)分布于不同地理位置的信號(hào)接收站。各接收站將測(cè)量機(jī)載航管二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)發(fā)送的 1090Mhz應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各站的時(shí)間(TOA)。之后,中心處理子系統(tǒng)將計(jì)算特定飛機(jī)的某次應(yīng)答信號(hào)到達(dá)各接收站的時(shí)間差(TDOA)。最終,中心處理子系統(tǒng)將利用3個(gè)以上信號(hào)接收站間的TD0A,計(jì)算出飛行器的精確位置。要使多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)的定位精度達(dá)到< 7. 5米的精度,TDOA的檢測(cè)需達(dá)到納秒級(jí)的測(cè)量精度。各接收站點(diǎn)本地時(shí)鐘頻率的準(zhǔn)確度及飄移特性存在差異,會(huì)對(duì)TDOA的檢測(cè)精度造成較大影響,從而引入目標(biāo)定位誤差?,F(xiàn)有成熟技術(shù)中,可用于消減此種誤差的方法有三種1)GPS授時(shí)鐘每個(gè)多點(diǎn)單位信號(hào)站均有一個(gè)GPS授時(shí)的時(shí)鐘模塊,用來提供單個(gè)接收站的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。模塊中的 GPS授時(shí)子模塊通過比對(duì)GPS時(shí)鐘信號(hào)同本地時(shí)鐘的頻率差,通過壓控等方式不斷修正本地頻率源的頻率。最終,使各站的時(shí)鐘信號(hào)均溯源到GPS時(shí)鐘,從而達(dá)到消除時(shí)鐘偏差的目的。此類方法存在下列局限性GPS信號(hào)的傳輸會(huì)受到電離層和對(duì)流層干擾;信號(hào)接收站可跟蹤到的GPS衛(wèi)星在不斷變化;接收站本地時(shí)鐘的頻率飄移非常緩慢。這些因素的存在要求GPS授時(shí)模塊需通過大量數(shù)據(jù)積累才能對(duì)時(shí)鐘的飄移特性進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。此外, 對(duì)接收站本地時(shí)鐘的壓控調(diào)整是一個(gè)小步進(jìn)的緩慢過程。因此GPS授時(shí)鐘的時(shí)鐘輸出需要 2小時(shí)左右的才能達(dá)到穩(wěn)定。并且GPS授時(shí)鐘一般成本較高。2)使用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間傳遞和比對(duì)此類方法使用光纖在信號(hào)接收站及中心處理站之間建立有線連接,并進(jìn)行站間時(shí)鐘信號(hào)的比對(duì)和誤差修正。此類方法存在下列局限性在已投入使用的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行有線線纜的布設(shè)較為困難; 使用有線線纜進(jìn)行時(shí)鐘比對(duì)要求站間距離不能過大,對(duì)大范圍空中目標(biāo)的監(jiān)視無法采用此種方法進(jìn)行時(shí)鐘同步。3)集中式TOA檢測(cè)信號(hào)接收站僅進(jìn)行信號(hào)接收,并將接收到的信號(hào)通過光纖直接轉(zhuǎn)發(fā)到中心處理部分。中心處理部分使用單個(gè)頻率基準(zhǔn)作為時(shí)鐘信號(hào)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和TOA標(biāo)記。此方法中,各信號(hào)接收站只起到信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的作用,各站時(shí)鐘之間無需同步。此類方法存在下列局限性在已投入使用的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行有線線纜的布設(shè)較為困難; 使用有線線纜進(jìn)行時(shí)鐘比對(duì)要求站間距離不能過大,對(duì)大范圍空中目標(biāo)的監(jiān)視無法采用此種方法進(jìn)行時(shí)鐘同步。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于針對(duì)上述存在的問題,提供一種解決方案高精度分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括參考應(yīng)答機(jī)、多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站工作部件,其特征在于該參考應(yīng)答機(jī)為放置于精確坐標(biāo)固定位置的S模式信標(biāo)機(jī),定期發(fā)射 1090MHZM0DES信號(hào),為系統(tǒng)中的一個(gè)共視時(shí)鐘源;所述多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站工作部件還包括 1) GPS共視控制部件GPS共視是指參與共視的多點(diǎn)定位系統(tǒng)的各個(gè)遠(yuǎn)端站各設(shè)一臺(tái)GPS時(shí)間接收機(jī)d)GPS信號(hào)接收部件GPS接收機(jī)是進(jìn)行GPS共視比對(duì)的主要設(shè)備;幻頻率基準(zhǔn)設(shè)置部件多點(diǎn)定位系統(tǒng)遠(yuǎn)端站的本地時(shí)鐘為本系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn),本地時(shí)鐘為高穩(wěn)雙槽恒溫晶體,它提供了 IOMHz的高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率信號(hào);4)時(shí)鐘偏差估計(jì)部件;5)脈沖信號(hào)檢測(cè)部件;6)脈沖信號(hào)TOA測(cè)量部件;7)脈沖信號(hào)TOA修正部件。本專利中的高精度分布式脈沖信號(hào)時(shí)間到達(dá)差檢測(cè)系統(tǒng)是民用航空多點(diǎn)定位監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站中的TOA檢測(cè)模塊和多點(diǎn)定位中心處理站中的目標(biāo)TOA計(jì)算模塊構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中的TOA檢測(cè)模塊具有飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)TOA(信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端站的時(shí)間)、參考應(yīng)答機(jī)信號(hào)TOA檢測(cè)、遠(yuǎn)端站頻率基準(zhǔn)偏差估計(jì)、信號(hào)TOA修正等功能。系統(tǒng)中的目標(biāo)TDOA計(jì)算模塊具有多站信號(hào)TOA配對(duì)、各遠(yuǎn)端站固定偏差估計(jì)、TDOA初值計(jì)算、TDOA修正等功能。 多點(diǎn)定位系統(tǒng)中的每一個(gè)多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站都有一個(gè)TOA檢測(cè)模塊,目標(biāo)TDOA計(jì)算模塊包含在多點(diǎn)定位中心處理站中。目標(biāo)及參考應(yīng)答TOA測(cè)量模塊目標(biāo)及參考應(yīng)答TOA測(cè)量主要在多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站完成。主要功能是檢測(cè)目標(biāo)和參考應(yīng)答脈沖信號(hào),在成功檢測(cè)到框架脈沖后,得到目標(biāo)和參考應(yīng)答信號(hào)的碼元,并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行TOA標(biāo)記。利用各個(gè)遠(yuǎn)端站工作于GPS共視狀態(tài),修正各個(gè)遠(yuǎn)端站的時(shí)鐘偏差。從而進(jìn)行脈沖信號(hào)TOA修正。將目標(biāo)和參考應(yīng)答信號(hào)TOA和碼元送至多點(diǎn)定位中央處理器作進(jìn)一步處理。參考應(yīng)答機(jī)為放置于精確坐標(biāo)固定位置的S模式信標(biāo)機(jī),定期發(fā)射1090MHZ MODES信號(hào),為系統(tǒng)中的一個(gè)特殊目標(biāo),也可以視其為另外一個(gè)共視時(shí)鐘源。由于參考應(yīng)答機(jī)的信號(hào)發(fā)射周期可以調(diào)節(jié),因此可以利用其對(duì)每一秒鐘內(nèi)的本地時(shí)鐘準(zhǔn)確度進(jìn)行校正。多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站工作原理和功能詳述如下1. GPS共視控制GPS共視是指參與共視的多點(diǎn)定位系統(tǒng)的各個(gè)遠(yuǎn)端站各設(shè)一臺(tái)GPS時(shí)間接收機(jī),并在同一時(shí)間觀測(cè)同一顆衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)各站之間的時(shí)間同步。本系統(tǒng)采取GPS共視技術(shù)修正各個(gè)多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站時(shí)鐘偏差。在實(shí)際系統(tǒng)工作中,通過差分定位等方式精確的測(cè)定各個(gè)遠(yuǎn)端站GPS接收機(jī)的三維位置,采用設(shè)計(jì)的控制算法,使各個(gè)遠(yuǎn)端站選取同一顆仰角大的共視衛(wèi)星,使GPS接收機(jī)工作于位置保持狀態(tài),實(shí)現(xiàn)各站之間的時(shí)間同步。2. GPS信號(hào)接收GPS接收機(jī)是進(jìn)行GPS共視比對(duì)的主要設(shè)備。接收機(jī)天線接收衛(wèi)星信號(hào),OEM板對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、處理和測(cè)量,獲取到星歷、偽距觀測(cè)值、原子鐘參數(shù)等數(shù)據(jù),輸出代表衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的秒脈沖信號(hào),此信號(hào)與本地時(shí)鐘的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。3.頻率基準(zhǔn)多點(diǎn)定位系統(tǒng)遠(yuǎn)端站的本地時(shí)鐘為本系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn),一方面為目標(biāo)及參考應(yīng)答TOA測(cè)量提供高精度穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn),另一方面作為時(shí)鐘偏差估計(jì)的輸入。本地時(shí)鐘為高穩(wěn)雙槽恒溫晶體,它提供了 IOMHz的高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率信號(hào)。晶體的穩(wěn)定度受溫度的影響較大,雙槽恒溫晶體將當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)的電壓與其標(biāo)稱值通過熱控放大器進(jìn)行差動(dòng)放大,之后驅(qū)動(dòng)發(fā)熱元件使槽內(nèi)晶體溫度總是保持在其高溫拐點(diǎn),從而消除了溫度對(duì)晶體的干擾,保證了晶體的穩(wěn)定度。本地時(shí)鐘輸出為IOMHz的高穩(wěn)定度方波。4.時(shí)鐘偏差估計(jì)衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過不同路徑傳輸?shù)讲煌军c(diǎn)的GPS接收機(jī),GPS時(shí)鐘信息是疊加了部分隨機(jī)噪聲的。因此采用濾波及跟蹤算法估計(jì)時(shí)鐘偏差。采用歷史時(shí)刻的鐘差估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的鐘差觀測(cè)值,來估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的GPS時(shí)鐘與遠(yuǎn)端站時(shí)鐘的鐘差估計(jì)值。當(dāng)前時(shí)刻以后的觀測(cè)值不會(huì)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值產(chǎn)生任何影響,因而適合于實(shí)時(shí)的時(shí)鐘偏差估計(jì)處理。本系統(tǒng)能夠在各個(gè)遠(yuǎn)端站進(jìn)入共視狀態(tài)下,20秒內(nèi)就能夠達(dá)到穩(wěn)定估計(jì)。5.脈沖信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)首先對(duì)從天線接收到的1090Mhz高頻信號(hào)進(jìn)行限幅,以防止大輸入信號(hào)對(duì)后續(xù)電路的損害。之后進(jìn)行兩極帶通濾波和兩極信號(hào)放大。經(jīng)過一系列處理后,信號(hào)被送至混頻器,進(jìn)行下變頻處理,信號(hào)頻率降至中頻(IF),再由中頻放大器對(duì)中頻信號(hào)舉行放大和匹配濾波,以獲得最大的輸出信噪比。最后經(jīng)過檢波和視頻放大,中頻信號(hào)被解調(diào)為視頻信號(hào)。視頻脈沖信號(hào)將被提供給數(shù)字信號(hào)處理部分做后續(xù)處理。6.脈沖信號(hào)TOA測(cè)量遠(yuǎn)端站先對(duì)模擬視頻進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,并進(jìn)行脈沖檢測(cè),再此基礎(chǔ)上進(jìn)行框架檢測(cè)。為了達(dá)到高精度的TOA測(cè)量,系統(tǒng)采用自適應(yīng)匹配濾波獲得脈沖延時(shí),然后對(duì)保留中頻載波的信號(hào)提取出中頻脈沖,并采用DTFT的相位差分方法進(jìn)行高精度的TOA測(cè)量。7.脈沖信號(hào)TOA修正在時(shí)鐘偏差估計(jì)和脈沖信號(hào)TOA測(cè)量值的基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)TOA進(jìn)行修正。綜上所述,由于采用了上述技術(shù)方案,本實(shí)用新型的有益效果是本系統(tǒng)采用GPS 共視技術(shù)和參考應(yīng)答機(jī)同步誤差校正結(jié)合的方法,以對(duì)系統(tǒng)時(shí)間同步信號(hào)處理通道和目標(biāo)信號(hào)處理通道時(shí)延誤差同時(shí)進(jìn)行校正,并使用了多種濾波及跟蹤算法,對(duì)TOA測(cè)量誤差和 TDOA測(cè)量誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。彌補(bǔ)了單一方式的不足。實(shí)現(xiàn)了高精度的分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè),從而降低目標(biāo)定位誤差,提高了多點(diǎn)定位系統(tǒng)的整體性能。1.本系統(tǒng)和GPS同步方法比,GPS授時(shí)鐘的時(shí)鐘輸出需要2小時(shí)左右的才能達(dá)到穩(wěn)定。系統(tǒng)使用成本遠(yuǎn)低于原子鐘的高穩(wěn)雙槽恒溫晶體作為頻率基準(zhǔn);各個(gè)遠(yuǎn)端站進(jìn)入共視狀態(tài)20秒后,時(shí)鐘誤差估計(jì)就能夠達(dá)到穩(wěn)定。2.本系統(tǒng)為分布式系統(tǒng),遠(yuǎn)端站之間無需進(jìn)行信號(hào)交互,中心站只接收遠(yuǎn)端站送出的TOA數(shù)據(jù)。且系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)通信時(shí)延不會(huì)對(duì)TDOA精度造成影響。3.本系統(tǒng)采用GPS共視同步與參考應(yīng)答機(jī)相結(jié)合的方法,對(duì)多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站系統(tǒng)的時(shí)鐘的頻率偏差和信號(hào)處理固定時(shí)延誤差進(jìn)行了有效的修正。TDOA測(cè)量精度可達(dá)到納秒級(jí)別,為多點(diǎn)定位目標(biāo)位置計(jì)算提供了精度保證。

      本實(shí)用新型將通過例子并參照附圖的方式說明,其中圖1是高精度分布式脈沖
      5信號(hào)時(shí)間到達(dá)差檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2T0A檢測(cè)模塊示意圖;圖3是目標(biāo)TDOA計(jì)算模塊示意圖。
      具體實(shí)施方式
      以下結(jié)合附圖,對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明。為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,
      以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型,并不用于限定本實(shí)用新型。目標(biāo)及參考應(yīng)答TOA測(cè)量模塊目標(biāo)及參考應(yīng)答TOA測(cè)量主要在多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站完成。主要功能是檢測(cè)目標(biāo)和參考應(yīng)答脈沖信號(hào),在成功檢測(cè)到框架脈沖后,得到目標(biāo)和參考應(yīng)答信號(hào)的碼元,并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行TOA標(biāo)記。利用各個(gè)遠(yuǎn)端站工作于GPS共視狀態(tài),修正各個(gè)遠(yuǎn)端站的時(shí)鐘偏差。從而進(jìn)行脈沖信號(hào)TOA修正。將目標(biāo)和參考應(yīng)答信號(hào)TOA和碼元送至多點(diǎn)定位中央處理器作進(jìn)一步處理。參考應(yīng)答機(jī)為放置于精確坐標(biāo)固定位置的S模式信標(biāo)機(jī),定期發(fā)射1090MHZ MODES信號(hào),為系統(tǒng)中的一個(gè)特殊目標(biāo),也可以視其為另外一個(gè)共視時(shí)鐘源。由于參考應(yīng)答機(jī)的信號(hào)發(fā)射周期可以調(diào)節(jié),因此可以利用其對(duì)每一秒鐘內(nèi)的本地時(shí)鐘準(zhǔn)確度進(jìn)行校正。目標(biāo)TDOA修正對(duì)完成TDOA配對(duì)后的目標(biāo)信號(hào),在站點(diǎn)TDOA誤差估計(jì)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行目標(biāo)TDOA修正。其中,為目標(biāo)信號(hào)到站點(diǎn)間時(shí)間差的理論值。實(shí)測(cè)的值包含有站點(diǎn)同步誤差,由參考應(yīng)答TDOA誤差估計(jì)得到。從實(shí)測(cè)的值中消除同步誤差,得到校正后的目標(biāo)TD0A。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)站點(diǎn)間同步誤差的校正。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本實(shí)用新型,凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
      權(quán)利要求1. 一種高精度分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括參考應(yīng)答機(jī)、多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站工作部件,其特征在于該參考應(yīng)答機(jī)為放置于精確坐標(biāo)固定位置的S模式信標(biāo)機(jī),定期發(fā)射1090MHZ MODE S信號(hào),為系統(tǒng)中的一個(gè)共視時(shí)鐘源;所述多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站工作部件還包括1)GPS共視控制部件GPS共視是指參與共視的多點(diǎn)定位系統(tǒng)的各個(gè)遠(yuǎn)端站各設(shè)一臺(tái) GPS時(shí)間接收機(jī);2)GPS信號(hào)接收部件GPS接收機(jī)是進(jìn)行GPS共視比對(duì)的主要設(shè)備;3)頻率基準(zhǔn)設(shè)置部件多點(diǎn)定位系統(tǒng)遠(yuǎn)端站的本地時(shí)鐘為本系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn),本地時(shí)鐘為高穩(wěn)雙槽恒溫晶體,它提供了 IOMHz的高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率信號(hào);4)時(shí)鐘偏差估計(jì)部件;5)脈沖信號(hào)檢測(cè)部件;6)脈沖信號(hào)TOA測(cè)量部件;7)脈沖信號(hào)TOA修正部件。
      專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高精度分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)由多點(diǎn)定位遠(yuǎn)端站中的TOA檢測(cè)模塊和多點(diǎn)定位中心處理站中的目標(biāo)TOA計(jì)算模塊構(gòu)成;本系統(tǒng)彌補(bǔ)了單一方式的不足,實(shí)現(xiàn)了高精度的分布式脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間差檢測(cè),從而降低目標(biāo)定位誤差,提高了多點(diǎn)定位系統(tǒng)的整體性能。
      文檔編號(hào)G01S13/74GK201945685SQ201020591048
      公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
      發(fā)明者何東林, 劉昌忠, 徐自勵(lì), 黃忠濤 申請(qǐng)人:中國(guó)民用航空總局第二研究所
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