空管MLAT系统TOA检测技术的研究

空管 MLAT 系统 TOA 检测技术的研究

陈思聪

中国民用航空华东地区空中交通管理局技术保障中心 上海市长宁区 200050

摘要：MLAT（多点定位系统）作为空管新技术应用的重要方向，近年来已在多个机场实际安装运行，作为一个独立协同式监视技术。MALT系统具有定位精度高，更新率快等优点。本文选取其信号处理部分的TOA检测技术作为切入，详细研究其工作流程和关键算法，并结合设备产品作为背景阐述其实际应用情况。

关键词：MLAT、TOA检测技术、信号提取、信息位码字判决

1 引言

作为一个独立协同式监视技术，空管的MLAT系统（不论是广域还场面）都会在接收站的信号处理部分中使用TOA（时间到达）检测技术，这种检测技术为后续的TDOA算法提供了基础。TOA检测技术主要核心点有两个：一是信号提取；二是信息位码字判决。

2 信号提取

信号提取的目的是为了寻找需要的波形脉冲，寻找波形需要分两步，一是消除不需要的波形，二是在候选波形中确定波形的前沿（在MLAT系统中前沿上打时戳），一般通过结合电平门限和时间门限来实现。

2.1 筛选波形

第一作用门限：SA门限，这个门限是接收的1090MHZ应答/广播信号在中频/视频阶段时（未经过A/D）作用的，SA门限与原始信号进行幅值比较，得到切割后的整形信号，作用是为了初步去除低于SA门限的噪声/干扰脉冲，本质上是固定门限，电平门限。

第二作用门限：为了抗噪声干扰，用多倍于码元速率的采样率对整形信号进行采样，进行第二门限处理，第二门限采用滑窗处理技术，当连续K1个“1”，则判为脉冲起始，并以第一个“1”的时刻作为该脉冲的上升沿时刻；当连续K2个“0”，则判为脉冲结束，并以第一个“0”的时刻作为该脉冲的下降沿时刻。该门限本质上也是固定门限，这种时间门限用来计数消除假脉冲、异步干扰。

2.1 确定前沿

从时间上看，以t为维度几乎同时到达的2个或者多个信号的脉冲组找边缘，这种寻找边缘有两种不同的基本方法，一种是固定门限法；另一种是可变门限法，实际使用中一般使用可变门限法。

固定门限法：这种方法是通过一个幅度为A的检测门限与信号脉冲进行相交，第一个点所对应的t位置即为脉冲的前沿，这种方法本质是电平类门限，实现容易。但对于起止点一致幅度不同的两个脉冲，同一个固定门限得出的脉冲前沿就发生了改变，会产生△t，这样寻找就会是有偏估计，若这个△t数量级达到几十甚至几百纳秒的量级，那么MLAT的精度就会满足不了空管监视（场面/广域）的精度要求。

可变门限法：这种方法是以脉冲幅度的固定比例为门限的方法，比例门限的确定由信噪比和沿信号导数共同决定，工程一般定义在幅值大小的60%-90%。这种方法本质上是电平类门限，只是这里的电平并不固定，由于每个脉冲的幅度并不相同，因此检测门限也会跟着脉冲的幅度比例上抬或下降。这种方法可以尽可能地区分出时间维度上几乎重合的多组脉冲的前沿，使△t尽可能小，近似无偏估计，提高测时精度。

3 信息位码字判决

目前，信息位码字判决的算法很多，主要集在于时域处理中，即对视频/中频信号进行采样值判定分析得出代码和置信度，最简单的算法是振幅比较法：其中又细分为单样本中心幅值比较法和多样本权数比较法两种。

3.1单样本中心幅度比较法

适用于采样率较低的情况，原理结构简单但准确率低。这里的Preamble对于A/C模式的而言是脉冲框架的信号采样幅度；对于S模式的是前导脉冲的信号采样幅度。这种针对S模式的应答和广播ES信号进行重点分析：

3.1.1 0和1的判决

基本型：每个CHIP段会有两个采样值：采样值1和采样值2，通过比较采样1和采样值2的信号电平值就可以知道PPM调制中的0（采样值1的电平小于采样值2的电平）和1（采样值1的电平大于采样值2的电平）。这种判决方法只关心采样1和采样值2电平值的相对关系，并不对采样值1和2的电平绝对值加以了解。这种方法只适合若干扰下叠加判定，若采样值1或2的电平值是一个异常值（有其他信号强叠加/交织下），就会影响最后的0和1的判决。

增强型：我们知道同一个目标同一时刻的应答/广播的脉冲组中的各个脉冲之间的振幅应该是相差无几的（最多就是1-2dB）,这种情况下也就意味着该脉冲组内的各个脉冲振幅值如果有过大或者或小就可以认定为是异常值，因此MLAT系统对于每个采样值的电平都感兴趣，增强型是分别记录每个CHIP的采样值1和2的电平值，这样在比较1的电平和2的电平的同时还会剔除一些异常的采样值，使得最后的判决竟可能少受影响/干扰。

3.1.2 0和1的置信度标记

到底是不是0，到底是不是1这个就是置信度判决的由来。这里会借助的幅度上的门限区间，区间的下限是Preamble-3dB、上限是Preamble+3dB（Preamble是前导脉冲的信号幅度均值）。使用这个门限区间对每个CHIP内的2个采样值进行分布，从而判断0和1的置信度。正常情况下一个CHIP中两个采样值应该有1个在区间内，1个在区间外；因此若同时出现在区间内或者同时出现在区间外都应该视作异常情况，常见的有以下四种：

情况一：采样值1在区间内，采样值2高于区间上限（可能由于强干扰叠加），此时尽管采样值1＜采样值2，但是由于采样值2高于区间上限认定为异常值→判为1，且给予“高置信度”标志。情况二：采样值1在区间内，采样值2仍低于区间下限（比一般的要高，可能由于弱干扰低价），此时系统认定采样值1、2都有效，且采样值1＞采样值2，→判为1，且给予“高置信度”标志。情况三：采样值1低于区间下限，采样值2高于区间上限，两者都不在区间内，此时系统认定采样值1、2存在异常，采样值1＜采样值2→判定为0，且给予“低置信度标志”。情况四：采样值1、2都在区间内，且采样值2＞采样值1；此时系统认定采样1或2中有一个是异常值（但不能精准判断到底是哪个异常），但由于符合采样值1＜采样值2→判为0，且给予“低置信度”标志。

3多样本权数比较法

每个CHIP有远大于2个采样点的采样值，例如10MHZ的采样率在1微妙的范围就会有10个点，前5个点后5个点，且每个点都占一定的权重，权重与波形有关（一般越靠近波峰权重越大），权重与判决值结合为每个CHIP打分最终获得是0还是1，置信度是高还是低（打分＞值A→判定为H1；值B＜打分＜值A→判定为L1；值C＜打分＜值B→判定为L0；打分＜值C→判定为H0）。这种方法采样值更为丰富且会根据具体每个CHIP脉冲波形的改变而改变，自适应度高，适用于采样率较高的系统，判决准确度较单样本中心幅度比较法来的高。

4 实际应用

28所的MLAT-01型场面多点系统中接收站、询问站中数据处理器应用信号提取和信号码自判决技术；ERA厂家的NEO-W型广域设备中接收站、询问站的MU（PC）单元应用信号提取和信号码自判决技术。

参考文献

1. .ICAO.Manual of Advanced Surface Movement Guide and Control System (A－SMGCS)[S]

ICAO AOPG.Doc.9830