基于北斗的高精度MLAT系统设计

王小琼

（1.安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230031；2.北斗卫星导航技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

0 引言

MLAT[1]（（muhilaterati，多点相关定位）作为一种成本低、容错性好的技术手段，在机场监控中起到了重要的作用，在不需要添加额外机载设备的条件下，通过多个站点同时对飞机应答数据的综合处理，即可计算出飞机的位置。同时，由于飞机应答数据中带有飞机标志，解决了场面一次雷达固有的无法识别目标标志的问题。

1 MLAT定位原理

多点相关定位（MLAT）系统采用到达时间差位技术，即通过测试目标（飞机）发射信号到达多个基站的时间差参数来确定目标（飞机）三维位置与身份的一种独立协同式监视技术。该技术通过在地面布置多个远端接收站，采用多点接收方式，接收监视区域内的机载二次雷达应答信号，然后进行解码发送至中心处理站，经过计算即可确定目标（飞机）的位置坐标。

MLAT定位是基于场面周边的多个接收站，同时接收飞机发送的应答信号，由于各接收站的站点位置不同，在各点间产生了接收时间差。依据该原理，可以通过不在同一平面的4个站点确定一架飞机进行三维信息（x，y，z）：

式中，x为飞机的经度；y为飞机的纬度；z为飞机的高程；c为光速；tm为m站收到应答的时间；tn为n站收到应答的时间；xm为m站的经度；ym为m站纬度；zm为m站高程。

由上面方程可知，飞机三维数据的精度依赖于站点位置及时间精度。时间同步方式主要采用以下三种：

（1）基于参考应答机的时间同步。各站点接收来自参考站点广播的参考信号，通过解算各站点接收到参考信号时刻的差异，实现各站点的时间同步。

（2）基于GNSS共视方式同步。各站点接收GNSS时间数据，各站测算出TOA数据并加上时间戳后发送到中心站，中心站综合计算TDOA，从而实现各站之间的时间同步。

（3）基于原子钟的同步方式。中心站点由高精度原子钟获得中心时间信号，并通过NTP协议发布时间服务，各站通过局域网获取中心的时间信息从而实现系统时间同步。

以上几种时间同步方式由于电缆时延、接收天线时延、电离层干扰、传播路径延迟、复杂电磁环境干扰、原子钟抖动等因素，均存在较大的时间同步误差。同时，在目前的MLAT系统中，站点的位置由建站时确定，作为固定值参与计算，而实际环境中，由于地质、飞行震动等条件的影响，站点的位置会存在小范围动态改变，不考虑站点位置变化因素，也会为飞机最终定位结果带来误差。

北斗卫星定位导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，是全球四大卫星定位导航系统之一，可提供定位、授时、导航、通信服务。当前民航的时间基准基本上都依赖GPS，而GPS时间受制于政治因素，时间系统的安全性缺乏保障；另一方面，随着我国北斗三号完成组网[2]，服务性能将会大幅提升，各项技术指标将大幅优于GPS。并且，当前MLAT系统很少考虑站点的位置精度，而北斗具备同时提供高精度定位[3]与授时服务[4]的能力。本文将提出一种基于北斗高精度定位与授时的MLAT系统方案。

2 系统设计

系统组成如图1所示，在中心站部署北斗高精度授时终端，通过北斗卫星的授时信号获取高精度的时间基准，并提供1PPS、NTP、串口等多种授时方式，实现各远端站与中心站的高精度时间同步。各远端站在接收飞机应答信号时，以高精度时间基准进行TOA数据解算同时将该数据发送至中心站。部署与中心站的高精度位置处理服务器通过接收个站点的卫星定位数据，可实时获取各远端站的高精度位置信息，TDOA处理服务器综合各站点高精度位置及TOA数据来综合计算TDOA，从而实现飞机的高精度定位功能。

图1 系统组成

2.1 北斗高精度授时

在中心站部署北斗高精度授时终端，本终端可同时接收北斗和GPS卫星信号，实现北斗卫星和GPS双系统冗余备份，提供长期时标信息，进行同步并对外授时；也可以使用外部输入源（包括IRIG-B（DC）和网络授时）为时间基准进行同步并对外授时。

（1）模块化设计：北斗高精度授时终端采用灵活插卡式，插入北斗、GPS时钟板，作为主时钟系统应用；插入B码输入板或网络板等可作为扩展时钟应用。

（2）高精度守时：在卫星源和外部钟源都不可用时，由系统授时模块在一定时间段内稳定地提供高精度时间信息。

（3）输入源冗余备份，无损切换：北斗和GPS卫星源之间或卫星源和外部输入源之间可以自动切换；输入两路B码时间信息实现双系统冗余备份提供时标信息。两路B码时间信息可自动切换，并在切换时实现无损切换。

图2为北斗高精度授时终端的模块组成。图中，北斗高精度授时终端可提供多种形式的高精度时间输出方式，其中1PPS的授时精度为50 ns，NTP授时精度为10 ms，串口授时精度为1μs。可灵活地为各远端站提供高精度时间基准数据。

图2 北斗高精度授时终端模块组成

2.2 北斗高精度定位

北斗高精度授时系统站点按照功能分为基准站和监测站两种，基准站作为整个高精度定位系统的基准，配备高精度北斗接收机，监测站部署于各远端站。中心站采集基准站和监测站定时发送的定位数据，采用双差解算模式将原始观测值（包括卫星号、载波相位、载波相位差、伪距、伪距标准差等）与北斗卫星星历，获取精确的监测点相对于基准点的形变量，从而可以实时获取精确的远端站的地理位置数据，位置的水平垂直精度均可达到毫米级。

3 结束语

MLAT作为一种重要场面监视技术，其定位的精确度对场面车辆和飞行区的管理和监测会产生重要影响。为了确保地面安全和维持飞行秩序，更高效、更精确的定位技术需要应用于MLAT系统中。并且，随着北斗地基增强系统的不断完善，基于北斗的MLAT高精度系统将实现在航路、终端区域的应用，可有效提升空中交通管理能力以及空中运输服务能力。