【摘要】随着我国民航事业的快速发展，新监视系统的研发与应用已是必然趋势。本文首先对多点定位技术MLAT与其他监视技术进行了比较，说明了多点定位技术的优势，并对其最具代表性的两种算法Taylor算法和Chan算法进行了深入研究以及仿真对比分析，提出了一种约束初值高精度迭代目标定位算法或者称为协同算法，即把 Chan 算法得到的初始解应用于 Taylor算法，从而得到精度更高的目标位置。
关键词: 多点定位；精度；算法；仿真分析
0 引 言
多点定位技术MLAT(Multilateration)作为先进的场面监视手段，定位精度高，刷新频率快，在世界上已被很多国家作为民用甚至国防建设的重要研究方向。多点定位系统经过多年的开发和试验已具有较高的定位精度，成为欧洲和美国民航局认可的场面监视技术，并被其迅速推广实施。在世界范围内很多大中型机场已经将多点定位系统投入使用，如法兰克福、多伦多、孟菲斯和底特律等城市的民用航空机场。多点定位系统已成为 ICAO(国际民航组织)提出的先进场面活动引导和控制系统 (A-SMGCS)的核心技术。目前，多点定位系统已经被广泛应用在国内外的大中型机场中，实现了精确的场面监视、航路监视、精密进近、广域多点相关监视等。
1 多点定位关键技术
在多点定位系统中，时钟同步技术与布站选址是两个至关重要的技术，也是提高多点定位系统定位精度的有效方法。时钟同步技术主要包括集中式时钟同步、分布式时钟同步、GNSS时钟同步、参考应答机同步、原子时钟同步等。集中式时钟同步是将各个远端接收站接收到的信号传送回中心处理站，由中心处理站统一对各个接收站的信息进行标记，这种时钟同步方式容易造成时间延时过大，信号到达远端接收站的时间估计误差较大，但设备易于安装，结构简单。为了减小由信息传送造成的时间误差，多采用TDOA原理(到达时间差)进行目标位置求解。对于前四种时钟同步技术，需要注意远端站和中心处理站间的时间偏差和时间补偿，减小时钟同步带来的定位误差。对于原子时钟同步技术则需要注意的是外界温度的干扰、电磁干扰等因素。
布站选址不仅仅与多点定位系统的监视覆盖区域直接相关，而且对于设备的合理利用、盲区的消除等起着至关重要的作用。在有一二此雷达监视覆盖的区域内，不必再安装询问发射站，而对于一些具备 ADS-B 技术的机场，则需要安装与之对应的天线接收设备和解码设备。同时，对于机场进近监视、跑道监视、广域监视等，需要根据地形条件、资金条件等合理优化地面站布站。
2 多点定位技术优势
多点定位系统满足了大面积甚至是全范围覆盖的要求，消除了监控盲区。这与采用SSR监视覆盖整个监控区域相比，其监控范围等效且性能优越，建设成本也较低。此外，为优化监视系统结构、适应离未来智能监视的变化，多点定位系统可以通过增加易于安装的传感器、改变地面站布站方式等进行升级优化。因此，多点定位技术可以看作是增加空域利用率和提高运营效率的有效手段，同时也为航空运输企业经济效益的增长提供了保障。
采用ADS-B技术进行场面监视，定位精度也较高，刷新频率与MLAT系统相差无几，但是由于ADS-B技术依赖GNSS对目标进行定位，在GNSS系统失效的情况下，ADS-B定位技术不能正常工作。而MLAT系统通过信号的到达地面站的时间差进行目标位置计算，因此不仅可以辨别飞机地址伪码，而且还能确定目标的真实位置，提高定位精度。
表1 多点定位技术优势
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3 多点定位算法分析和优化
3.1 算法分析和优化
在MLAT多点定位系统中，定位算法是其核心的部分之一，定位算法的优劣直接关系着定位精度的高低，从而决定了机场场面监视的精度。MLAT一般由很多地面接收站组成，它们负责把接收到的信息传送至中央处理站。而且有一个或多个应答机对整个系统进行时间同步校准以及监视，到达时间差（TDOA）要在中央处理站进行处理，进而通过多点定位算法对航空器及地面移动车辆进行定位。因此通过到达时间（TOA）值，可以计算出 TDOA 值以及一套目标定位的数学公式。如果有M个地面接收站，那么这些式子的解表示M-1条双曲线或双曲面的交点。有很多数学方法可以对其求解。一种方法就是通过迭代方法解决代数上非线性等式，其中经典的解法为Taylor 级数展开算法。这种方法必须有一个初始猜测值，通过求解测量误差的局部线性最小二乘解来改进估计位置。这种方法的问题在于需要初始猜测值，以及并不能保证算法的收敛性和计算量很大。
Chan方法是另一种经典闭式方法，它是一种较优的求解双曲线方程组的非递归算法。该方法通过把TDOA等式变换成另外一套线性等式，使用两步最大似然估计得到目标位置。该算法的特点是计算量小，在噪声服从高斯分布的环境下，定位精度高。而在信道环境较差的情况下其定位精度会显著下降。在工程实践中，要求解算方法尽量简单，且运算时间短，以满足目标监视的高刷新速率。因此，我们的思想就是使用闭式方法—Chan 方法得到的目标估计位置作为 Taylor方法的初始解。事实上，Chan 方法在一般信噪比水平会提供精度较高的位置初解。这就克服了迭代方法没有初始猜测值的传统局限。我们把这种改进算法称为约束初值高精度迭代目标定位算法或者协同算法。
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表2 算法运行时间比较（秒）
3.2 算法比较仿真分析
通过利用MATLAB对 Chan、Taylor 以及 Chan&Taylor 三种算法的仿真分析(见表2)可以得出如下结论：如果 TDOA 的测量误差服从理想的高斯分布，那么在该仿真实验条件下，Taylor 算法要比 Chan 算法的定位精度高，但是该算法的初值选择依赖于真实值的范围，局限性较大；Chan&Taylor 协同算法的定位精度要比前两种算法高。协同算法的运算效率要比Chan 算法略低，但是比 Taylor 算法的运算效率平均提高 4-5 倍。除此之外，这三种算法本身的定位精度都随着基站数量的增加而提高，随着 TDOA 测量值距离误差的增大而减小。我们还可以得出：改进算法的定位精度要比传统算法 Taylor、Chan 算法的定位精度高、算法稳定，不像 Taylor 算法的精度依赖初值的选择，而且运算效率较高，是一种性能较优的算法。
3 结语
随着我国民航事业的快速发展，航班量的持续增加使航空服务人员的安全压力日益增大。为了更好地保障航班的安全，提高民航服务的工作效率，新监视系统的研发与应用已是必然趋势。这其中就包括多点定位技术。本文首先对多点定位技术与其他监视技术进行了比较，说明了多点定位技术的优势，详细阐述了多点定位的原理、组成、特点及应用。通过分析多点定位算法的国内外研究现状，对最具代表性的两种算法—Taylor级数展开算法、Chan算法进行了深入研究以及仿真对比分析。在此基础上，提出了一种约束初值高精度迭代目标定位算法或者称为协同算法。在相同条件下，通过仿真分析比较，说明了定位算法所具有的优点及缺点，验证了算法的有效性，提高了定位精度。
参考文献
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