多点定位系统特点及其在民航的应用民航科技.doc

科普 讲座多点定位系统特点及其在民航的应用The Characteristics of MLAT Systems and Its Applicationsin Civil Aviation文 / 黄忠涛背景：为什么要建设多点定位系统近几十年来，国内外航空运输业快速发展航空运输量的增加，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终端区域、机场附近空域和机场场面的监视手段，以替代传统的主要依靠飞行员和交通管制员的监视方式黄忠涛， 高级工程师，民航二所科研开发中心副主任，现在职攻读南京航空航天大学博士学位， 国 际 民 航 组 织（ International Civil Aviation Organization,从事民航空管通信导航监视领域技术研究，主要研ICAO）在 2004年发表了《先进场面活动引导和控制（ Advanced究方向为 ：无线电信号处理、地空数据链、分布式surface Movement Guidance and Control System, A-SMGCS 手）无源定位、机场场面监视、系统模拟及仿真。

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其中可选用的场面监视技术包括一次场面监视雷达、广播式自动相关监多点定位技术采用分布式的多个接收机高精度定位视（ Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ，AD和S-B多）跟踪动态目标，可以在机场能见度较差的环境条件下大大点定位（ MULTILATERATION,MLA）T 技术提高机场的安全因素，增加机场的容量目前多点定位在场面监视雷达属于非协作式监视系统，系统受地形、天气影 机场场面的应用效果较好， ICAO 制定了系统用于民航场响大，对于大中机场来说，单重覆盖存在盲区，本身无目标识别 面监视的最低标准，可以说多点定位技术，已经成为目前能力； ADS-B 系统是基于卫星导航定位技术实现目标定位，它民航监视技术领域内的热点和前沿技术存在卫星完好性及需要对老旧飞机进行改装等弱点，应用受到一定限制；多点定位技术是实现 A-SMGCS 机场场面监视的核心技多点定位技术原理多点定位技术通过在地面布置多个远端接收站，采用 术，使用现有的机载应答机发射的 1090MHz 应答信号实现对飞多点接收方式，接收监视区域内的机载 A/C 模式、S 模 机的定位，对已有的监视设备和机载设备无需改造，不需要在航式应答信号，以及 S模式“ squitter ”信号，并进行解码发 空器上安装任何额外设备。

1图 1 多点定位系统布局示意图 图 2 多点定位双曲线交叉定位原理示意图送至中心处理站，中心处理站经过定位解算即可确定目标的位 高度等信息一个完整的主动式多点定位系统运行示意图如图置坐标多点定位系统的布局示意图如图 1 所示 3 所示目前多点定位技术主要采用到达时间差（ Time Difference多点定位系统主要包含远端接收站、中心处理站、参考基of Arrival, TDOA ）体制方式进行定位，通过对多个双曲线（或 准站、询问发射站、监控子系统、数据通信网络 6 个组成部分双曲面）相交的解算来确定目标的二维（或三维）位置由于多点定位系统结构框图见图 4其中远端接收站子系统负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责接收处理目标应答机和参考应答机的应答信号并输出至中心接收站的时间（ TOA， time of arrival ）不同，多点定位系统通 处理站中心处理站子系统则负责接收所有远端站的数据并进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 行同步校准和数据处理，对目标进行定位解算并组成标准报文对于空中目标而言，需要至少四个远端站收到应答信号才能通 输出。

参考基准站子系统负责整个系统的同步和监视，并负责过双曲面交叉定位（三维）算法确定目标的位置和高度；对于 对系统进行基本的测试询问发射站子系统负责向目标发射地面目标而言，有三个站接收到应答信号就可以通过双曲线交 AC/S 模式询问信号， 并同时接收处理中心处理站的询问指令叉定位确定目标位置场面多点定位原理示意图如图 2 所示监控子系统负责对所有其余子系统进行状态监视和控制数据考虑机场实际的复杂射频环境，布站通常采用冗余方式， 通信网络负责各子系统、其它监视设备与中央处理子系统之间对于场面监视，通常采用 4 站及以上冗余覆盖布站方式如果的数据传送高度数据通过其他途径得到（例如 C 模式代码、S 模式应答和 多 点 定 位 系 统 具 备 mode A/C 与 DF0、DF4、DF5、ADS-B 广播信号相应高度信息），仅用三个远端站也可以计DF11、DF17、DF18、DF20 和 DF21 等格式的 Mode S 信号处算出三维坐标位置，实现空中目标定位理功能，覆盖范围内目标定位功能，目标询问功能，系统自动多点定位系统结构监控功能，原始数据记录回放功能， ASTERIX CAT10 目标报文输出功能等。

多点定位系统分为主动式（ active ）多点定位监视系统和被动式（ passive ）多点定位监视系统主动式系统在系统中配置询问机，由询问机进行询问，得到航班标牌（A 码）、高度多点定位技术优势多点定位技术充分利用民航飞机标准配置应答机的 A/C等信息被动式系统在系统中不配备询问机，系统接收其它二 模式和 S 模式应答信号，以及 S 模式“ squitter ”信号，采用多次雷达询问应答信息、 ADS-B 信息，得到航班标牌（A 码）、2点接收方式确定飞机或其他运动目标的位置由于该系统可以 严重影响多点定位系统的工作效能，带来很大的安全隐患因完全兼容传统二次雷达、S 模式二次雷达和 ADS-B 下行数据此迫切需要提高系统的抗干扰能力传输链路，可以接收和解码飞机 A 模式代码和 S 模式地址，因 2）多点定位询问发射问题而具备目标标识能力和高精度定位能力主动式多点定位系统涉及到询问发射， 如何控制询问发射，并处理好与二次雷达之间的相互干扰是需要考虑解决的问题 与场面监视雷达相比，该技术的特点在于：3）多点定位站址选择问题 （1）充分利用机载现有标准应答机，而无需加装其他机 多点定位技术实现场面监视需要在场面建设多个远端接收载导航设备完成定位监视； 站，特别是对于大型机场，可能需要布置 20 个，甚至 30 个以（2）兼容 ADS-B 技术；上站点，这对站址选择来说是个重要问题。

因为建站涉及到机（3）数据更新率高；场所有相关单位，例如空管、机场、航空公司等如何进行选（4）与现有场面监视雷达相比，系统成本低址和环境保障是系统工程建设将面临的问题5）系统监视覆盖无盲区，定位精度高 4）多点定位数据传输问题（6）系统具有目标标识能力；多点定位系统由于多站分布布局方式，站点可能建设在导（7）体积小， 站点配置灵活， 系统监视覆盖范围适应性强航台站、塔台、航站楼以及机场场面其余建筑物上，需要考虑接收站天线为没有旋转机构的简单全向天线，且接收站处理简 保障站点和中心站的数据通信，特别是一些已建设机场，并没单，可以实现轻型、小型化 有专用有线传输网络，如何进行系统间数据传输成为待解决的难点问题 多点定位系统待解决的技术问题多点定位技术国外应用现状 随着国内外多点定位系统的大量应用，多点定位也面临一些待解决的问题下面就多点定位技术领域面临的几个主要问 ICAO， 美 国 FAA、Eurocontrol 、Eurocade等 民 航 国 际题进行分析组织和地区组织已经将多点定位技术和系统作为标准监视系1）系统抗干扰问题统进行推荐，并制定了一系列相关的技术标准和发展规划，组织了一系列的验证评估试验工程（欧洲 1995-1999 年进行在高密度的机场，大量飞机如果以每秒几十个脉冲同时发DEFAMM DEMO 工程， 2000-2001 年进行 BETA 工程，美国射应答信号，多点定位接收机采用的全向天线将全部接收到这FAA 2000 年进行 RIRP 工程项目）。

一些国家已经部署其应些信号，再加上多径和反射等效应，如果不采用抗干扰措施， 用系统（捷克已就在其全境部署多点定位空域监视系统网进行多点定位系统将无法工作干扰对定位和解码的破坏性作用，图 3 多点定位系统运行示意图3中国民航多点定位技术应用国内首都机场已经布置一套多点定位系统，用于 3 跑道平行跑道监视和终端区监视该系统为主动式监视系统，其中场面布置了多套接收站、发射站和基准站，实现了场面三条跑道、滑行道和机动飞行区的全部监视此外，广州白云机场、上海虹桥机场及西安咸阳机场正在进行多点定位系统的建设 民航局第二研究所 2009 年就已突破了多点定位系统关键图 4 多点定位系统结构框图技术，并获得了 2009 年民航局科技一等奖，其多点定位系统 应用验证）已经在成都双流机场场面及周边终端区进行测试验证 3 年以上民航二所的多点定位系统已在桂林机场开展了多点定位国际上主要的多点定位监视系统的生产商为 ERA 公司、示范验证工程，系统建设已全部完成，监视数据已送至管制Sensis公 司、 THALES 公 司、 Rannoch 公 司 和 Roke Manor部门进行试用公司，这些生产厂商主要来自美国、英国、法国、加拿大（供图：民航二所科研中心）和捷克。

美国的 Sensis公司等研制开发的多点定位系统，已由 FAA 批准在美国近 30 个机场试用，并出口到包括欧洲、亚洲的多个国家；英国 Roke Manor Research 公司采用多点定位技术开发了 vigilance 系统捷克 ERA 公司采用该技术开发了 VERA 系列监视系统，包括用于场面监视的 VERA-ASCS，用于 ATC 远程监视的 VERA-AP 系统，用于装备部队的 VERA-E 系统，我国的首都国际机场已经购买其 MSS多点定位系统用于平行跑道监视多点定位技术同时也具有军事应用的潜力由于该项技术具有无源探测定位的技术特点，在军事上的用途引起桂林机场塔台显示终端照片军方的关注，捷克 ERA 公司，采用该多基站定位技术的VERA-E 系统，已经装备部队，出口到美国和奥地利桂林机场多点定位系统现场建设情况4。