基于TDOA 技术的多点定位系统在昆明长水国际机场的应用

王兴林

（中国民用航空西南地区空中交通管理局云南分局技术保障部 云南省昆明市 650000）

1 引言

随着国内外航空运输业不断快速的发展，使得大型机场及其周边区域的飞机数量急剧增加。高密度的交通流量使得机场及其附近飞机之间、飞机与场面车辆之间的间距减少，跑道入侵、场面冲突、机场环境影响时有发生，航空安全、航班正点问题日益突出。因此，迫切需要引入新的针对机场场面及附近空域的监视手段，以替代传统的主要依靠飞行员和交通管制员的监视方式。

ICAO 在2004 年发表了《先进场面活动引导和控制(A-SMGCS)手册》，要求机场安装的新一代机场监视设备，能够对飞机在机场从跑道、滑行道、停机坪和登机口全方位进行自动引导控制，其功能扩展为监视、路由分配、引导和控制四大主要功能，以提高机场的安全性和满足日益增长的容量需求。针对这些新的要求，包括法国Thales、美国Sensis 和捷克ERA 等在内的国外众多公司竞相开展了相关技术和设备的研制的工作。而其中，基于多点定位的监视系统更成为了其中的一个研究重点。

2 多点定位原理

基于TDOA 的双曲线定位技术由于可以获得较高的定位精度，在信号形式已知的许多民用领域获得了大量的应用。利用应答机发射信号的基于TDOA 机制的多点定位技术在民航领域的应用开始受到关注，并逐渐成为ICAO 的推荐监视技术，并为之制定了系统用于民航场面监视的最低标准。其原理如图1 所示。

图1： 多点定位系统原理图

由于飞机距各接收站的距离不同，飞机发送的应答信号到达各地面接收站的时间（TOA， time of arrival）不同，多点定位系统通过计算到达时间的差值，并进行计算就可以得到飞机的位置。对于空中目标而言，需要至少四个远端站收到应答信号才能通过双曲面交叉定位（三维）算法确定目标的位置和高度；对于地面目标而言，有三个站接收到应答信号就可以通过双曲线交叉定位确定目标位置。

3 多点定位系统在昆明长水国际机场的应用

昆明长水国际机场安装的多点定位系统为成都民航空管科技发展有限公司开发的MPS-I 型场面多点定位系统，该型系统是基于TDOA 技术进行设计和开发的，系统规模为28 个远端接收站、5 个询问站、2 个参考站、1 套中央处理站、2 个监控终端，对昆明长水国际机场整个场面形成了完整的信号覆盖，其系统结构如图2 所示。

图2： MPS-I 型场面多点定位系统结构图

MPS -Ⅰ型场面多点定位系统主要是通过获取接收信号的到达时间，计算远端接收站接收到同一目标同一次信号的时间差（TDOA），多个站点间TDOA 值代入差分定位函数即可计算得出目标的位置。系统中远端接收站检测并处理航空器或车辆等机场场面及周边目标发送的信号，并将处理后得到的信息发送给中心处理站。中心处理站通过对这些信息进行处理完成对目标正确的定位和识别，并以标准的CAT10、CAT19、CAT20 等格式输出目标报文和系统状态等信息，从而实现对覆盖区域的全监视能力。系统中使用参考基准站来保证定位的精度；利用询问发射站获得更多目标信息并提高目标更新率。

该型系统定位精度比较高，目标识别能力强，系统延时低，已在国内多个大型机场投产使用，系统相对稳定，易于维护。

4 多点定位系统运行中的相关问题

4.1 网络传输问题

多点监控告警，期间两台服务器和外部台站均出现多次B 网中断的情况，检查发射机和参考站均出现B 网中断告警。登录B 网交换机检查端口状态“show inter ethernet status”，发现第14 口提示“storms”出现网络风暴，该口通过光猫池中的光端机模块连接塔台一楼传输交换机，中心机房B 网与塔台连接的网络传输结构图如图3 所示。

图3： 中心机房B 网与塔台网络传输图

经检查发现与塔台一楼汇聚交换机连接的东场监端口有网络风暴，当时维护人员正对东场监接收站开展停机维护，将备用无线网桥链路和主用光纤链路同时插上，导致网络成环造成了网络风暴。立即通知东场监停机人员将备用链路断开后恢复，后经测试该站点在光纤链路和无线网桥同时使用时就会产生网络风暴。

4.2 监控终端告警不同步问题

××年××月××日，昆明两台CMS 记录信标REF01 断开告警的时间不一致，CMS2 获取断开数据的时间为早上09:22:01，而CMS1 为早上09:14:25，两台监控告警的时间差为7 分多钟。

CMS 监控通过SNMP 管理协议对系统的主要工作状态进行数据采集、分析，对系统的正常和故障状态做出正确的判决，在监视设备上予以直观显示。 当被监视部分出现故障时，监控器应输出故障告警信息，其原理如图4 所示。CMS 监控的日志位于C:CMS-MLATsyslog 目录，CMS监控的参数配置文件CMS_sys.ini 位于C:CMS-MLAT 目录，涉及系统监控的主要参数有request_interval、request_timeout、request_retry_times，具体的含义如下：

图4： CMS 监控系统原理

request_interval 是拉取监控数据的时间间隔，单位是毫秒；request_timeout 则是每次拉取时的超时时间，即发出拉取信号后如果经过该参数设定的时间间隔没有收到回应即认定为本次拉取失败，单位为毫秒；request_retry_times 是拉取失败后重试拉取的次数，当全部拉取都失败后，则认为设备离线。

根据日志及配置文件的查询，找到了出现问题的原因：

（1）两台CMS 监控终端配置文件CMS_sys.ini 中的参数不一致，CMS1 的获取时间间隔request_interval 为4 秒，超时request_timeout 为1 秒，重试request_retry_times 为5次，也就是要知道某个设备是否断开，至少需要4+1x5=9 秒，而CMS2 对应的参数分别为15 秒、5 秒、5 次，也就是说至少需要15+5x5=40 秒才能知道该设备是否断开，而且昆明有二十多个站点设备，这里还没算可能有些设备获取状态时需要重试个两三次才能得到的情况，所以在网络随机情况下，估计CMS2 在极端情况下会比CMS1 晚三四分钟左右。

（2）经查两台CMS 监控终端的系统时间存在差异，因为CMS 有两种获取数据的方式，一种是定时拉取状态，当拉取不到状态时，判断设备断开（如上面所示），另一种则是设备在连接的前提下，发生故障后主动推送消息。在两台CMS 的日志中，均有上午10 点多由地面站推送的 RX15、RX16、RX17 的UPS 输入电压为0 的故障，而两个日志相差为2 分钟。

综上，可以得出两台监控终端告警不同步主要是监控的告警参数和本地时间不同步导致的，需要从以上两个方面改进。

4.3 场面假目标问题

多点定位系统的信号作为一种监视信号源，也可以提供给其它系统使用。昆明长水国际机场高级场面监视引导系统引接了多点定位系统的信号，在实际运行过程中场面监视引导系统出现过假目标，经回放检查该假目标是由多点定位系统产生的。经过研究分析该飞机的实际位置在卫星厅附近，类似的情况已发生过多次，产生假目标的原因是4 号远端接收站、23 号远端接收站、25 号远端接收站由于多径干扰收到本不该收到的远端的错误位置信号，产生假目标。多径干扰是由于卫星厅的遮挡导致以上几个站点没有收到直达波，收到的是经反射后的信号波，从而系统计算的达到时间差是错误的，经定位后的信号目标也是不正确的。

4.4 服务器自动切换问题

多点定位系统正常运行过程中会出现服务器短时自动切换的情况，具体情况为：A 服务器主用时，多点服务器B 的ker02 和pre02 告警，设备详细状态workstatus 提示“设备接收心跳信号超时”，但network status 正常显示“A、B 网已连接”，后服务器短时自动由A 切换至B 主用。经查询监控C:CMS-MLATSyslog 目录下的日志，提示“15:12:33 System APP_ERROR_BEGIN PRE02:预处理器心跳信号接收超时”、“15:12:33 System APP_ERROR_BEGIN KER02:核心处理器心跳信号接收超时”、“15:12:33 System APP_ERROR_BEGIN KER02:超时未收到ADSB 服务心跳信号”，并于15:16:55 恢复，日志显示“System APP_ERROR_END PRE02:预处理器工作状态恢复正常”、“System APP_ERROR_ENDKER02:核心处理器工作状态恢复”、“System APP_ERROR_ENDKER02:ADSB 服务恢复正常”。

原因分析：多点定位系统的服务器主备切换是由Agent程序来管理的，服务器之间定时发送心跳信息，服务器B 收到对方心跳信息，则认为A 服务器工作状态正常，如果在设定的时间内没有收到A 服务器的心跳信息，服务器B 则认为A 服务器已下线，应自动切换为主用接管业务。出现漏报心跳信息可能是网络状态异常，Agent 程序异常，或者心跳时间参数设置不合理导致。

4.5 CMS1重启导致场监系统告警

××年××月××日22:58 场面监视引导系统显示IP01、IP02 接口服务器上的多点信号源程序告警，经使用命令查询为未收到CAT019 报文，同步了CMS 监控终端和CMS02 终端监控时间，重启了服务器B 上的RetransmissioCMS 程序后恢复。

原因分析：高级场面监视引导系统的接口服务器IP01、IP02 引接了多点定位系统的信号，信号源内部数据是Asterix CAT 019、Asterix CAT 020 和Asterix CAT 021 三种格式的报文。Asterix CAT 019 报文为多点服务及状态数据报文，由CMS1 监控终端收集系统的状态信息并组合完成，发送给服务器B，由服务器B 的RetransmissioCMS 程序发送给场监系统。Asterix CAT 020 报文为多点目标信息报文，由主用服务器的Retransmission 程序发送场监系统。Asterix CAT 021 为ADS-B 数据报文，由主用服务器的RetransmissionADSB 程序转发给场监系统。该告警是由于CMS1 重启导致Asterix CAT 019 报文数据中断造成的。

5 解决方案

5.1 网络传输问题的解决方案

导致核心交换机出现网络风暴是由于东场监远端接收站的接入交换机同时使用光纤和无线网桥造成的，网络成环使交换机上出现大量的数据包，使网络出现拥塞，整个B 网瘫痪，是非常严重的。因此，为避免出现类似的情况，远端接收站测试备份链路时，应断开主用链路，单独接入备份链路测试，禁止主备用链路同时接入。另外，重新配置交换机的生成树协议，防止网络成环，从根本上解决问题。为避免出现类似的网络问题导致系统崩溃，配置了网络的ACL 访问控制，限制广播数据下行到远端站，对于外部系统实施限制，只允许数据输出，防止数据输入。ACL 访问控制访问控制策略如图5 所示。

图5： ACL 访问控制访问控制策略

5.2 监控终端告警不同步的解决方案

导致两台监控终端告警不一致的主要原因有两个：监控终端的告警参数不一致，监控终端的系统时间不一致。解决方案：

（1）将两台监控终端告警参数修改为一致，将C:CMS-MLAT 目录下CMS_sys.ini 配置文件中的request_interval 拉取监控数据的时间间隔修改为15000ms，request_timeout 拉取的超时时间修改为5000ms，request_retry_times拉取失败后重试拉取次数修改为5 次。通过上面参数可以看到在这个CMS 上要判定设备A 断开，需要至少15+5X5=40秒。一般来说，request_interval 和request_timeout 配置得长一些，可以减少一些监控指标的数据波动。配置得短一些，对于拉取的数据变动会敏感些，对推送的故障信息影响不大。

（2）针对两台监控终端系统时间一致问题，配置NTP授时服务，同时与A 服务器进行对时。

5.3 场面假目标问题的解决方案

因站点规划设计时没有考虑到卫星厅的遮挡问题，现在项目建设已完工，重新规划建设接收站会额外增加项目成本，且短时间内也无法完成。可以修改数据融合KER 的核心算法解决这个问题，考虑卫星厅附近站点的多径干扰问题，可以通过固定去站逻辑，在该区域强制不使用以上3 个站点参与目标位置的计算。最后，依次更新A、B 服务器上的KER程序，并重启生效，使问题得以解决。因此，在项目建设前期时，应充分考虑现场环境因素，事先做好数据收集和仿真分析，利用校验车辆等进行系统验证，对站点进行合理布局，使系统的信号覆盖更全面，目标识别能力更精准。另外，对于系统的核心算法的设计，要考虑多方面的因素，适用于更多场景，具有更高的冗余度和良好的健壮性。

5.4 服务器自动切换的解决方案

多点定位系统A、B 服务器间切换是Agent 程序通过心跳检测来实现的，为了更合理检测心跳，需要调整心跳发送的时间参数。具体方法如下：

（1）依次打开主备核心处理器上snmpAgent 安装目录下的snmp_agent_system.ini 文件，找到Host_Package_Send_Interval 心跳同步参数；

（2）将该参数由1000 毫秒（即每秒发送一次心跳）调整为800 毫秒，然后保存该配置文件，重启snmpAgent.exe程序；

（3）重启snmpAgent.exe 的方法为右键单击任务栏的圆形图标，选择quit 退出程序，然后双击snmpAgent 目录下的snmpAgent.exe 重启程序即可。

5.5 CMS1重启导致场监系统告警的解决方案

因系统设计由CMS1 监控终端收集系统的状态信息并组合完成Asterix CAT 019 报文，发送给服务器B，服务器B 的RetransmissioCMS 程序发送给场监系统。所以CMS1 监控终端或者服务器B 重启下线都会导致数据报文传输中断，造成场监系统告警。因此，需要制定维护检查单，提醒技术人员对系统进行维护时，需及时将报文传输RetransmissioCMS 程序开启。

6 总结

多点定位系统作为新一代的监视技术，因其技术优势特点，被广泛应用于国内外各中大型机场，国际民航组织已将多点定位确定为未来机场场面监视技术发展的主要方向。本文对基于TDOA 技术的多点定位系统的原理以及昆明长水国际机场多点定位系统的应用情况作了介绍，针对实际运行中的问题，深入进行了分析，并查找原因，给出了合理有效的解决措施，进一步提升了系统的维护水平，为该型系统的应用积累了经验。针对多点定位系统的建设和使用，建议在项目初期应合理的对各站点进行规划设计，充分考虑现场的环境因素，事先做好仿真分析和数据收集，注重数据融合处理算法的健壮性，网络传输设计更为合理安全，系统运行才能更加稳定。