天津空管与Thales公司完成多点定位系统合同谈判
马永刚
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0300-01
引言
近几年随着机场场面交通运行情况越来越复杂，多点定位系统（MLAT）作为场面监视的一种有效手段，已陆续在国内机场使用。MLAT系统通过对不同地面站接收到同一个目标的TOA时间进行计算定位，因此必须采用一个公共的时间参考基准，对整个系统的时钟同步校准和定位精度要求非常高。但每个设备厂家采取不同的时钟同步校准方式，来使MLAT达到有效的定位精度。本文主要针对ThalesMLAT时钟同步校准方式进行一定的研究分析。
一、多点定位时钟同步方式简介
目前MLAT时钟同步主要分为公共时钟和分布式时钟，其中分布时钟又可以分为应答同步方式和卫星同步方式。本文主要针对分布式时钟中的应答同步进行详细的研究分析。
分布式时钟系统在远端地面站使用自身时钟给接收到的信号标记精准的时间标签。为了使传送到中央处理单元（CPS）的相关信息具有可比性，不论该信号何时达到CPS，系统都可以使其与相对应的信号进行比较，必须保证各远端接收站本地时钟之间的同步，要求必须在系统中各地面站之间建立一种有效的时钟同步机制。
应答同步系统则是在系统中建设2--3个校准应答机，各接收站接收校准应答机发射的信号，并从中提取出时间到达信息，使本地时钟与系统产生的参考时钟保持一致。校准应答机与机载应答信号通过相同的接收机通道到达TOA测量模块，表明他们具有相同的延时，这样在计算TOA值时可以一起抵消。因此在接收站之间的距离较小时，且各站与校准应答机之间的距离存在较大差异的情况下，校准应答信号在空间传播上产生的延时将成为降低测量精度的主要影响。
二、Thales多点定位时钟同步校准
（一）时钟同步校准原理简介
为了确保不同地面站接收到的同一个信号的不同TOA在CPS中能够进行精确地测量，要求所有地面站必须使用一个共同的时间基准作为参考使用。校准使用的是一个已知发射站（GST），GST周期性地发射一个校准信号（频率2HZ），同时对校准信号进行时间标签（Time-stamp），产生一个发射时间信号（TOT），通过网络使用RAW格式发送到CPS。为了不影响二次雷达和TCAS设备的正常运行，默认情况下，使用一个未使用的MODES格式（DF=10）下行链路信号插入到校准报文中，并被多点定位所有接收地面站接收。接收地面站用处理其他目标信号相同的方式判别校准信号到达的时间，对校准信号进行时间标记，产生一个TOA，通过网络使用RAW格式传送到CPS，如图1所示。
在CPS中，对于每一个地面站的校准信号，校准功能模块计算出理论到达时间值和实际测量到达时间值之间的偏差TD，其中这个理论值是通过计算校准站到接收站已知距离得来的，如式2-1、2-2、2-3所示。考虑到每个地面站的自由时钟受环境温度影响，在特定时间内出现时钟频率的漂移，每次校准时地面站之间的时间偏差TD将会出现不同值，所以地面站校准后得到的TD将通过一个Gating预选滤波器，与卡尔曼滤波器平滑的TDexpect值进行比较，当两个的差值在一个预设的门限内，TD值经过卡尔曼滤波器处理后送往定位单元修正TOA时间信息。当两个之间的差值超过预设门限，将使用TDexpect进行TOA修正。
（二）校准信号发射
校准信号是由MLAT中的发射站周期性进行发射。发射站主要由发射机和接收机组成，可以发射1090MHZS模式下行数据格式校准信号和1030MHZ询问信号，接收1090MHZ下行链路目标信号。
为了不影响正常二次雷达和TCAS设备的正常运行，校准信号采用了S模式数据链中未使用的下行链路格式DF10，信号频率为1090MHZ。为了其他地面接收站能够正确识别校准信号，在下行数据链中加载了校准发射站的24位地址码。由于接收地面站可以像处理其他目标应答信号一样对校准信号进行处理。
（三）地面站校准信号处理
多点定位地面站同处理其他应答信号一样，对接收到的校准信号进行处理，利用本身时钟进行TOA时间标签，传送回CPS，在CPS中的校准模块中对接收到的各个地面站的TOA校准信号进行相应处理。
地面站与CPS之间进行传输校准信号的数据格式为RAW。在RAW格式中，共有17项数据。对于校准信号，最主要的是TOR、SIC、SYNC、TIME、MSGTYP、DATALEN、DATA。TOR报文接收信息时间，SIC用于识别每个接收地面站，SYNC用于选择是否同GNSS同步，TIME是TOA或TOT时间信息，MSGTYP是S模式数据类型，DATALEN为数据长度，DATA为数据信息内容。
TIME选项中的TOA或TOT时间信息，它是地面接收站中的原子时钟系统标记的时间签，单位为纳秒（ns），TOA或TOT中的时间信息表示的是相对于原子时钟当天00：00的纳秒数。而TOR接收时间表示的是相对于当天UTC 00：00的秒数，UTC时间的同步是通过地面站NTP客户端同CPS主机的时间进行校准。
（四）CPS校准信号处理
当CPS接收到各个地面站的RAW的校准信号后，在校准单元中对接收的RAW格式TIME项中的TOT和TOA的时间单位进行纳秒到秒的转换，利用（式2-3）计算出TOA和TOT之间的真实差值TD，进一步使用过滤算法同存储的Tdexpect进行比较，将正确的TD值送到相关单元中修正各个地面站接收到的信号TOA值，实现飞机定位。
CPS同时对各个地面站的校准信号进行分析，如表1。当其中一个地面站无法校准时，该地面站将无法继续提供目标定位功能。当同时出现多个地面站无法校准，自动切换校准发射站，重新进行校准。
三、总结
Thales多点定位系统采用应答式时钟同步不仅为飞机定位提供精确的时钟信息，还可以利用DF10中的24位地址对多点定位系统定位精度进行分析。本文通过对校准站、接收站、CPS中的校准信号发射和接收的分析研究，深入理解了应答式时钟同步方式在实际中的应用。
