法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-10-02
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01S13/87 授权公告日:20100310 终止日期:20120809 申请日:20040809
专利权的终止
2010-03-10
授权
授权
2007-10-03
实质审查的生效
实质审查的生效
2007-08-08
公开
公开
技术领域
本发明涉及基于地面的或空中飞行的空中交通管制系统，尤其涉及应用TDOA(到达时差)分布型天线的方位测定与目标定位法。
背景技术
在现有技术中，有若干系统和方法可对包括飞机场、航空集散区与航线系统的空中交通管制系统内和周围的地面车辆与飞机(如目标)进行定位。
许多机场用逼近雷达系统探测和跟踪机场外的目标，这些雷达系统运用大口径天线发出的窄束获得良好的方位角精度，而用信号从雷达到目标再返回的往返延迟算出距离。通常这些逼近雷达系统要用昂贵的大型旋转天线。另外，这些雷达系统在特性上有一约4.5秒的修正速率，因而雷达的修正速率限制了有关分析设备的响应速度。
第二种目标定位法是多边法。多边系统一般由信标发射机与接收机配备而成。多边法是一种“到达时差(TDOA)”技术，运用飞机应答器发射信息测定精确的目标位置。多边算法起初通常用TDOA信息估算目标在二维或三维坐标系内的近似位置，然后围绕该近似的目标位置作优化处理，得出更准确的目标位置。
多边系统可用于探测跟踪机场地面目标进入跑道的情况，还可探测跟踪相对接近机场和航线空中交通管制系统的临近的飞机。然而，若要求在多边系统周围实现大面积覆盖，则天线基线(接收机之间的距离)与目标距离之比会使“精确度几何淡度(GDOP)”变得相当大，因而难以探测“不确定椭圆”内的目标，而且随着系统与目标距离的增大，多边系统的有效性明显劣化。
一种用现有多边技术解决这一问题的方法是在多边系统边界之外安装外部天线单元，以便增大天线基线的尺寸。然而，这在购置附加的不动产、在系统之外提供安全性、维护外部天线单元、实现外部天线单元与系统的通信方面有难处，而且还有其它后勤方面的问题。
虽然许多空中交通管制系统正在使用上述方法中的一种或组合的方法，但是有些机场目前尚无用于探测临近的飞机或地面车辆进入跑道的本场可靠的方法，而其中有些机场实际上从其临近的装备精良的大型机场获取雷达数据，得出它们区域内的空中交通信息。尽管这一过程有利于得不到这种信息的机场，但是相关机场感兴趣的目标可能被提供信息机场的雷达视线障碍物遮掉了。
因此，要求一种可靠的、成本较低的设置空中交通管制系统的方法，而该系统作为跑道侵入系统的一个元件，能够探测目标航线，探测逼近机场的目标，探测地面目标，改善接近系统与跑道侵入系统之间的转换，并能利用现有的空中交通管制系统扩展目标定位的范围与精度而不必在系统边界之外安装天线单元。
发明内容
本发明的目的是通过利用现有的空中交通管制系统而不要求大型的独立天线口径、机械天线转动或系统边界之外的附加接收机来提供一种方位角测定精度高的系统与方法，以克服原有技术诸问题。
本发明涉及一种能实现若干目标定位法的系统。该系统包括至少一台向目标发送信号的发射机和至少一台接收目标返回信号的接收机，以便计算信号往返延迟(RTD)。该系统还包括至少三台接收目标返回信号的接收机和测定信号在各接收机到达时间(TOA)的机制，而且包括按下面详述的本发明诸方法计算到达时差(TDOA)并作定位计算的中央处理机。
本发明诸方法用从目标应答器信号中获得的TDOA与RTD数据计算目标位置的至少一个估值。当信号被多个接收机单元接收时，通过测量来自目标的应答器信号，算出TDOA。计算RTD的接收机也用作三台计算TDOA的接收机之一。从指定接收机的TOA中扣除各TOA而得出TDOA。将询问信号从发射机发送到目标，并测量询问信号的传输时间与来自目标的回答信号到达接收机的时间之间的延时，测定RTD。然后，用该RTD数据计算目标的精确距离。通过应用TDOA数据和RTD数据提供的距离，解决了与原有多边技术有关的距离GDOP问题，因而显著改善了距离精度和整体位置精度。
本发明一实施例的方法，根据至少三个天线单元(接收单元RU)收到的应答器回答的TDOA数据计算目标的方位角，这些天线单元有效地构成一个天线阵列。当目标距离比基线大得多时，可用简单的线性近似法计算方位角与仰角。若只有距离，或者既有距离也有高度，则可通过以给定的距离与高度作同测量的TDOA最佳匹配的方位角搜索，能大大提高测量精度。
地基RU接收的信号通常由靶机上的应答器产生。当收到的数据与对地基发射机询问的响应有关时，就算出该消息的往返延迟并储存起来供距离计算使用。
收到的数据由RU处理，标有“到达时间”信息(TOA)的时间用于“到达时差(TDOA)”计算并被送至处理单元进一步评估。数据在处理单元被存入不同的组，各组表示来自不同目标的特定传输，经评估而得出方位角的初始近似值。然后围绕该初始方位角执行搜索功能，补偿非线性误差。执行搜索功能时，围绕初绕方位角以RTD数据算出的距离和应答器响应提供的目标位置算出的高度形成一条弧线，其尺度约为天线基线的二倍。沿弧线选出预定数量的点，各点的有关RTD与由应答器回答信号算出的一样。计算弧线上各选择点期望的TDOA并与测得的TDOA比较，得出误差。与误差最小的期望TDOA相关的方位角被选为该目标更精确的方位角，然后用该更精确的方位角与RTD数据算出目标更精确的平面位置。
搜索功能重复一定次数，每次用更小的弧线，每次用更小的弧线，从而提高位置估值精度。若没有距离，该法只能计算近似的方位角与仰角。选出由搜索功能得出最小误差的方位角。最后计算x与y位置，若用飞行高度数据计算，还包括高度(z)。
当应答器信号被前述至少三台接收机收到时，本发明另一实施例方法就用TOA与RTD信息计算目标的二维位置估值。根据本发明该实施例，已知目标高度并把它用作Z坐标来提高目标位置估值。高度可用目标在应答器信号中提供的飞行高度数据算出，或者测定目标在地面上的高度。按照本例，把测得的TOA、目标高度和算出的距离连同RU坐标一起提供给闭合形式的距离辅助算法。本发明的这种方法可计算二维的目标位置估值(x，y)，并把已知的高度用作Z坐标而提供三维位置估值。
接着把位置估值、目标高度与计算的距离提供给搜索功能，进一步提高位置估值、搜索功能接近新的目标位置估值，并计算对应于该新位置估值的TOA。搜索功能还包括一种测量原始(当前)位置估值的TOA与新位置估值的TOA之间误差的成本函数(cost function)。把导致最小误差的位置估值选作新的当前位置估值。重复搜索功能，每次都用误差最小的位置估值作为新的当前位置估值，直到该误差小于或等于预定的最小值。
当应答器信号被至少四台前述接收机接收时，本发明另一实施例的方法用TDA与RTD信息计算三维的目标位置估值。按照本发明该实施例，并不知道目标的高度，因而只对闭合形式的距离辅助算法提供测得的TDA和算出的距离及RU坐标。本发明的该方法将从TDA和RTD数据直接计算三维的目标位置估值(x，y，z)。
然后把三维位置估值和算出的距离供给搜索功能，进一步改善位置估值。搜索功能接近新的目标位置估值，计算对应于该位置估值的TDA。搜索功能还包括测量原始(当前)位置估值的TDA与新位置估值的TDA之间误差的成本函数。导致最小误差的位置估值被选作新的当前位置估值。重复搜索功能，每次将误差最小的位置估值用作新的当前位置估值，直到误差小于或等于预定的最小值。
附图说明
为了更好地理解本发明的诸特征与目的，应参照以下对实施本发明的诸优选模式的详述，并结合附图一起阅读，其中：
图1表示机场内典型的接收单元(RU)安排；
图2表示RU、有关TDA设备与处理单元之间的一般连接；
图3示出本发明两实施例运用往返延迟法提供TDA数据与距离计算的信号流；
图4示出本发明另一实施例对测距的发射与接收功能应用不同RU时的信号流；
图5表示本发明一优选实施例用于测定精确的目标位置的搜索功能；
图6是搜索功能结果的图示；
图7是本发明一实施例测定目标位置的过程流程图；
图8是本发明一实施例用于说明算法的模型的二维表示；
图9是本发明一实施例用于进一步开发该算法的模型的三维表示；
图10是本发明另一实施例测定目标位置的另一过程的流程图；
图11表示本发明另一实施例用往返延迟法提供TDA数据和距离计算的信号流；和
图12是本发明另一实施例用于测定目标位置的另一过程的流程图。
具体实施方式
现参照图1-9描述本发明一实施例。为形成图1的天线阵，在机场范围内若干已知位置安放若干天线单元1(下称“接收单元”(RU))。Sensis公司出售一种典型的RU(型号100-008121-G001)。RU的距离与位置称为天线阵基线或基线。本例中为对机场内与周围目标作三维定位，要求至少一台发射机与三台接收机的任意组合。RU只能接收、只能发射，或者既能发射又能接收。为克服“视线”(LDS)障碍与多径问题，根据机场用内与周围的地形与建筑布局，可能要用多个RU。按照本发明，所有RU都位于机场范围内，选择便于维护与安保，还简化了通信。在一优选实施例中，发射天线单元能发送1030MHz调相上行链路信号，接收天线单元能接收1090MHz调幅下行链路信号，但也可用任何空中信号。
图2示出，各RU1都包括一台精确测量保收自目标的各应答器信号的“到达时间(TDA)”的TDA设备2。诸如局域网(LAN)等通信手段将RU1接至例如作定位计算的处理单元3，也可用诸如Rf链路或电路等其它通信手段，故本发明不受限制。
在某种意义上，图1所示RU布设与图2所示的设备，与传统多边技术用来探测目标的情况相同，但如前所述，由于天线基线(接收机之间的距离)与目标距离之比减小，与目标距离有关的GDOP变得很大。因此，随着多边系统与目标的距离的增大，就变得更难于探测“不确定椭圆”内的目标，多边系统的有效性明显下降。然而，按照本发明，正如下面将详述的那样，可用距离辅助位置算法扩展图1与2所示的RU基础设施的有效距离，精确地探测离系统很远的目标。
图3示出收发机RU4、目标5与两台接收机RU6之间的信号流。收发机RU4发出询问信号7，请求目标5的应答器回答8。收发机RU4记录询问信号7的传输时间，供以后计算目标的距离。如后面将描述的，目标内的应答器在受容限支配的已知时间段(内部延迟)内自动回答。所有的RU4、6、6都接收回答信号，其中数据经详码以其来自TDA设备2的“到达时间(TDA)”作出时间标记。测定TDA可用多种方法，包括但不限于全球定位系统(GPS)数据、定位时钟与内部计数器。应答器回答信号包含供空中交通管理人员使用的大量信息，包括但不限于模S地址、飞行标识号与飞行高度数据，视请求回答的种类而定。然后，各RU通过数据链路将带有时间标记的数据发给处理单元3进一步评估。另外，收发机RU4还通过数据链路向处理单元3提供询问信号7的传输时间。
处理单元组合译码的数据，每一组都包含各RU从特定目标接收的特定传输。组合一般通过目标标识号、模S地址或模3/A代码进行，但也可用其它被证实有效的方法。如下面要详述的，处理单元接着利用RU提供的目标数据和记录的询问信号传输时间作计算，测定精确的目标位置。
已知收发机RU4发到目标的询问的时间是目标应答器的内部延迟和目标返回信号到达收发机RU4的时间，该数据用来计算往返延迟，以测定精确的目标距离。在一优选实施例中，同一具天线用来发射与接收距离计算所用的信号，这样可用下列公式仅凭往返延迟算出靶机的精确距离：
式中R＝距离，RTD＝往返延迟(从询问信号发射到接收回答信号所花的时间)，延迟＝目标应答器的内部延迟，c＝光速。
但在另一实施例中，如图4所示，发射机RU40可能结合三台接收机RU60使用(即信号的发射与接收不通过同一具天线)。若采用该实施例，则精确的目标距离只能在算出了目标方位角之后才知道，即由于往返延迟是从发射机RU40的天线到接收机RU60之一的天线测量的，所以并不知道精确的目标距离，直到也算出了目标的方位角。但在图3和4所示的两种场合中，由于距离按往返延迟数据计算，所以克服了与原有多边技术有关的GDOP问题，距离精度显著提高(如对机场外超过20英里的距离)，而RU基础设施完全不变。
单独用往返延迟(图3)或与目标方位角相结合(图4)计算目标距离，只是过程的一个步骤。下一步要对各自目标应用组合的TDOA数据。具体地说，把来自一个RU的TOA作为参考，计算同组应答器回答之间的TDOA，可有效地消除时间偏差。该组TDOA称为测量的TDOA。然后运用线线近似法，通过结合已知的RU位置评估测量的TDOA，算出方位角的一次近似值。
再通过围绕在测量的距离与高度同测量的TDOA最匹配的方位角一次近似值的方位角搜索，提炼该数据。如本领域所周知，该高度由包含在应答器回答里的飞行高度数据算出。参照图5，在由来自应答器回答(返回信号)的飞行高度数据确定的距离与高度，在方位角一次近似值附近形成弧线9。在本发明该例中(图3)，在距离计算中(基于往返延迟)，由于用同一具天线发射询问和接收应答器回答信号，形成的弧线代表圆的一部分，所以明显简化了搜索。若用不同的天线发射询问和接收回答信号(图4)，则弧线代表椭圆的一部分。虽然这样会使搜索算法复杂一些，但是搜索精度很少或者没有劣化。
举个例而已，该弧线‘选成’约为天线基线尺度(离开最远的两个RU间的距离)的二倍，并沿弧线9取10个独立的点(方位角)10，各点具有按返回信号计算的同样的往返延迟(RTD)。对搜索的每个方位角点，都由下述已知的模型计算TDOA，该组TDOA称为预期的TDOA。然后，算出预期的TDOA与测量的TDOA之间的最小误差。如图6所示，选择与产生最小误差11的预期TDOA有关的方位角。接着，围绕新的方位角较佳地把该弧线缩减至其原尺寸的十分之一，在较小的弧线上取第二组新的10个点。根据系统参数，包括例如天线基线尺度与天线测距精度，将该过程重复预定次数。重复次数对指定系统是特定的，并在系统部署时决定。
由于精确的距离根据往返延迟数据测定，而高度从应答器响应提供的飞行高度数据算出，所以搜索功能以一维进行，与多边型搜索相比，明显减少了复杂度。可以使用其它搜索功能评估法，诸如“急降速率”技术等，得出的精度相似。
然后根据最后计算的方位角和距离以及由应答器返回信号中的飞行高度数据算出的高度确定x、y与z坐标，得出目标精确的三维定位。于是，将该数据送空中交通管理员显示。
图7示出本发明该实施例的步骤流程图。第一步较佳地在机场范围内安置多个天线单元。在一优选实施例中，至少一个天线单元能发射和接收信号(收发机RU)，其余单元可以是只收RU。
收发机RU向目标发信号，目标发射带已知数据(例如飞机标识、飞行高度等)的回答信号。回答信号由收发机RU发射询问信号的天线或者另一具RU天线接收，还被至少另两个RU接收。接收的数据被译码并用TOA信息作时间标记，然后送到处理单元3编组，用于计算目标距离与初始(近似)方位角。
按照图3的优选实施例，回答信号通过发射询问信号的同一天线接收，可用往返延迟得出精确的目标距离。然后计算评估测量的TDOA，确定目标的初始方位角，之后围绕该初始方位执行搜索功能以补偿非线性误差。根据系统参数，搜索功能重复预定的次数。于是，测定了精确的三维目标位置(再用目标回答信号中的飞行高度数据确定目标高度)。
按照本发明该实施例，用特定算法测定目标的初始(近似)方位角，用另一特定算法围绕初始方位角执行搜索功能，得出目标更精确的方位角。下面描述这些算法的研制方法。
图8示出用两个RU接收回答信号的几何表示。利用下列余弦定理，得出测量的TDOA的准确表达：
r12＝r02+a2-2·r0·a·cos(φ)
和
