技术领域
[0001] 本
发明涉及民用航空领域中多点相关定位(MLAT)技术领域，尤其涉及一种多点定位系统仿真测试方法。
背景技术
[0002] 随着空地数据链技术、地面站接收技术和抗干扰等技术的深入研究与发展，传统的雷达定位技术正在发生演进。多点定位(Multilateration，MLAT)技术就是其中的典型代表。MLAT系统的定位原理类似于全球卫星定位系统(Global Position System，GPS)系统。但它依赖于地面接收站，依据
信号源到达各地面站之间的时间差(Time DifferenceOf Arrival，TDOA)以及地面站之间的
位置关系，来确定目标的位置。由于MLAT摆脱了GPS卫星基站移动性等因素的影响，理论上
精度可以达到米级，甚至亚米级。为此，在国际民航组织的先进场面活动目标导航与控制系统(Advanced Surface Movement Guidance&Control System，A-SMGCS)等相关规范中，MLAT被推荐为未来大型机场的必备设备，代表了未来民用航空监视技术的发展方向。
[0003] 由于MLAT系统的定位精度指标依赖于MLAT系统的布局，目前在MLAT系统在建设前往往针对MLAT系统的实际布局进行布站分析。但布站分析只是理论上的分析，无法在建设安装前对MLAT系统的性能进行全面的分析和测试。因此在实验室建立多点定位系统的实物仿真测试平台至关重要，它可以不受空间和时间等因素的限制，同时最大程度的模拟真实的系统运行环境。
发明内容
[0004] 为了解决实验室建立多点定位系统的实物仿真测试平台，同时最大程度的模拟真实的系统运行环境，评估多点相关定位系统的定位精度的问题。本发明提供了一种多点定位系统仿真测试方法，包括如下步骤：
[0005] 步骤1，根据真实电磁环境，建立3D物理模型，生成相应的模拟目标，并设定各地面站的仿真位置；
[0006] 步骤2，计算模拟目标实时的虚拟位置到各地面站的仿真位置的距离数值，得到仿真信号到不同的地面站的信号延时数值，并生成待发射的模拟报文内容；
[0007] 步骤3，向模拟目标发送控制命令，所述控制命令包括待发射的模拟报文内容，以及与模拟目标输出的各通道信号的延时时间(计算模拟目标到模拟各多点地面站的不同传输延时，因为光速是恒定的，所以各地面站收到模拟目标的模拟延时应该与模拟目标到各地面站模拟位置的距离成正比。通过计算，得到模拟目标到各待测地面站的延时时间)；模拟目标根据待发射的模拟报文内容产生待发射的二次雷达应答信号；多点定位系统的定位原理：首先多点定位系统包含多个观测站，且各站的位置信息已知。并且各站的时间通过GPS校时已经完全同步。此时出现一个待测目标，待测目标位置不知。该目标每隔一段时间(延时0.5秒)发送一次电磁信号，如果多点定位系统有三个以上的观测站观测到该目标发送的电磁信号，但是收到该电磁信号的时间可能是不一样的。(如果一样，则说明该目标到三个接收站的位置是相等的)通过计算各地面站的延时时间和位置信息，可以推导出该目标的理论位置。
[0008] 步骤4，模拟目标产生的二次雷达应答信号经过可调延时器，根据高精度时钟源和各通道(一个多点定位系统的地面站对应于一个通道)信号的延时参数调整发射信号的延时(高精度时钟源是3GHz高精度时钟源，其可产生稳定的3GHz电磁信号，通过FPGA的计数器，可以对各通道的
模拟信号进行延时调整)；
[0009] 步骤5，各地面站解调收到的经过不同延时后的二次雷达应答信号，并将信号与当前接收到雷达信号的时间戳上报至多点定位系统的中心处理站，中心处理站根据各地面站的仿真位置与各地面站收到同一模拟目标发送的同一报文的不同时间，计算模拟目标此时的位置(由多点定位系统即可得到模拟目标到各地面站的位置差，而各地面站的位置是已知的，从而得到根据同一模拟目标发送的同一报文的不同时间，计算模拟目标此时的位置)；
[0010] 步骤6，比对模拟目标的历史位置信息与中心处理站的计算结果，对各地面站的信号接收处理能
力进行测试评估。
[0011] 步骤1中，获取将要进行多点定位系统接收站布局的机场的地形数字高程模型和机场建筑结构数据，根据真实电磁环境，建立3D物理模型，生成相应的模拟目标，并设定各地面站的仿真位置(可以人为
指定模拟目标的运行轨迹，例如匀速直线运动，或者是匀速圆周运动)。
[0012] 步骤2包括：根据设定的轨迹，计算模拟目标的实时虚拟位置，并予以记录；同时根据模拟目标的虚拟位置到各地面站的仿真位置的距离差，得到信号的延时数值(模拟目标到各个地面站的延时值是模拟目标到各个地面站的模拟距离除以光速)。
[0013] 步骤4包括：处理机接收到测试数据后，通过FPGA的时间控
制模块，将模拟
数字信号转为原始模拟
电信号，并将信号发射到各延时器；各延时器进行指定时间的延时后，控制两个以上的发射机发射相应的二次雷达应答信号发射到不同的多点定位系统待测的地面站。所述处理机是控制FPGA的处理机(及
嵌入式计算机系统)，
硬件性能弱于普通计算机，但是体积小，同时能够提供PCI和网络
接口，网络接口用于与监控
软件进行信息交互。PCI接口用于与FPGA进行信息交互。所述测试数据是监控软件通过网络发送的模拟目标的各参数信息(各参数信息包括各通路应发的报文信息，以及相应的延时与信号幅度大小。
模拟器在收到这些信息后，将会从各通道，经过指定的延时发送相应的报文。并调整
输出信号的幅度)。
[0014] 步骤5包括：
[0015] 步骤5-1，设定模拟目标的位置坐标为(x,y,z)，最早探测到模拟目标的基站为主0
站，其余为副站，模拟目标到主站和副站的的距离差的真实值为ΔRi ，i＝1,2,…,M，M为能探测到所述模拟目标的基站数，主站的坐标为(x0,y0,z0)，第i个副站的坐标为(xi,yi,zi)，则定位方程为：
[0016]
[0017] 其中，R0表示模拟目标到主站的距离，Ri表示模拟目标到副站的距离；
[0018] 模拟目标到主站和副站的的距离差的测量值用ΔRi表示，则：
[0019] ΔRi＝cΔdi＝ΔRi0+cni＝Ri-R0+cni (2)
[0020] 式中：c为电波传播速度；Δdi是时差测量值；ni是测量时差时引入的噪声，设定ni为独立同分布的方差为σ2，期望值为零的高斯白噪声；
[0021] 步骤5-2，设：
[0022]
[0023]
[0024] 得到：
[0025]
[0026] 其中，ΔRM是模拟目标到主站和第M个副站的距离差的测量值， 是主站和所有副站的距离差的测量值的一维矩阵， 是模拟目标到所有副站的距离的测量值的一维矩阵，RM是模拟目标到第M个副站的距离的测量值， 是是模拟目标到主站的距离的测量值的一阶M阶矩阵，R0是模拟目标到主站的距离的测量值， 表示测量时差时，各副站引入的噪声的一阶矩阵，nM表示测量时差时，第M个副站引入的噪声；
[0027] 步骤5-3，考虑M>3时的情况，采用最大似然法估计模拟目标的位置坐标(x,y,z)。
[0028] 步骤5-3包括：ΔRi服从均值为(Ri–R0)，方差为σ2的高斯分布，因各测量值独立，则似然函数P(x,y,z)为：
[0029]
[0030] 求使似然函数最大的坐标值，从而得到(x,y,z)：
[0031]
[0032] 步骤6包括：根据中心处理站上报的模拟目标的位置，以及各地面站收到模拟目标发送的二次雷达应答信号的时间，对地面站接受处理信号的能力和时间同步能力进行评估。
[0033] 本发明提供的一种多点定位系统仿真测试方法，可以根据监控软件，调整各通道信号的发射延时时间。因此可在实验室环境内，模拟机场模拟目标的运动状态，从而达到对多点定位系统的基站设备进行测试的目的。便于基站功能的校验与测试。
[0034] 与
现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0035] 与实际系统相比，MLAT仿真测试系统的区别仅仅在于通过基站接收天线目标信号的过程，改为通过基站射频输入口直接连接信号发生器的输出。通过这样的改变，有利于在实验室环境下的安装部署，同时可以方便的实现对于MLAT系统的整机性能测试。
附图说明
[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0038] 图2为发射机信号流程图；
[0039] 图3为发射机发射的模拟仿真信号。
[0040] 图4为本发明方法流程图。
具体实施方式
[0042] 如图4所示，本发明提供了一种多点定位系统仿真测试方法，具体包括：
[0043] 第一步，按实际情况，通过监控软件(可以使用现有的监控软件)建立机场区域电磁环境模型。获取将要进行MLAT接收站布局的机场的地形数字高程模型、机场建筑(候机大楼、廊桥、跑道等)结构、材质与尺寸数据，磁环境接近的3D物理模型。生成相应的模拟目标，并根据各基站的模拟位置，计算到各基站的信号延时数值。
[0044] 第二步，将生成的信号发射内容转换为相应的二次雷达信号
波形。图3为产生模拟二次雷达信号。
[0045] 并通过功分器，将二次雷达信号和各通道的延时数值发送到不同通道的延时器。
[0046] 第三步，不同通道的延时器根据高精度时间信号和设定的延时数值，将二次雷达信号进行一定的延时后发射到不同的基站。
[0047] 第四步，多点定位系统基站计算模拟
飞行器向外
辐射二次雷达应答信号，该信号被模拟布设在机场场面及周边的地面接收站捕获。因为信号源距离各地面站的距离是不同的，因此到达各远端站的时间(Time Of Arrival，TOA)也不同。其中的时间差就是TDOA，它反映了信号源与各
站点之间的位置关系。由于地面站位置固定且已知，因此只要能获取准确的TDOA，目标的位置也就可以被准确地计算出来。理论上，若要定位场面目标需要至少3站同时捕获目标信号；定位空中目标需要至少4站同时捕获目标信号。
[0048] 设待定的辐射源位置为(x,y,z),它到主站(x0,y0,z0)和副站(xi,yi,zi)的距离差的真实值为ΔRi0，i＝1,2,…,M，那么定位方程为：
[0049]
[0050] 距离差的测量值用ΔRi表示，则：
[0051] ΔRi＝cΔdi＝ΔRi0+cni＝Ri-R0+cni (2)
[0052] 式中：c为电波传播速度；Δdi是时差测量值；ni是测量时差时引入的噪声，假设ni2
为独立同分布的方差为σ，期望值为零的高斯白噪声；
[0053] 设：
[0054]
[0055]
[0056] 得到：
[0057]
[0058] 考虑M>3时的情况，采用最大似然法估计辐射源坐标(x,y,z)；因为ΔRi服从均值为(Ri–R0)，方差为σ2的高斯分布，因各测量值独立，则似然函数P(x,y,z)为：
[0059]
[0060] 求使似然函数最大的坐标值，相当于求：
[0061]
[0062] 第五步，监控软件收到中心处理站转发的各基站接收报文的时间，可以对各基站的GNSS位置和信标接收能力、信号接收和解码能力、信息处理和输出能力、监控与维护能力、CRC校验能力进行测试评估。同时也可以根据中心处理站计算的仿真目标的位置信息与记录的仿真目标的位置信息进行比对，从而对中心处理站的处理容量、处理延时、数据
通信接口、连续工作能力、抗干扰抑制能力等进行多方面的测试。例如，监控软件仿真一个匀速运动的目标，可以根据该模拟目标的位置与各地面站的距离，推算出该目标到各地面站的延时。当模拟目标运动时则可以收到各地面站发送的时间记录信息。通过比对即可知道各地面站的报文时间戳是否存在问题。可以在给多个地面站的报文中引入时间偏差量，模拟干扰或者是时间同步故障，检验多点定位系统是否能够排查出存在偏差，在计算模拟目标位置的时候，将出问题的地面站排除出计算队列并指出该地面站存在问题。
[0063] 本发明还提供了一种多点定位系统仿真测试设备，包括处理机、FPGA、延时器、两个以上的发射机，所述处理机是控制FPGA的处理机(及嵌入式
计算机系统)，硬件性能弱于普通计算机，但是体积小，同时能够提供PCI和网络接口，网络接口用于与监控软件进行信息交互。PCI接口用于与FPGA进行信息交互。所述系统直接连接信号发生器，信号发生器的信号的处理流程图如图1所示。图2为发射机信号流程图。所述设备通过执行如下步骤完成仿真测试：
[0064] 步骤1，根据真实电磁环境，建立3D物理模型，生成相应的模拟目标，并设定各地面站的仿真位置；
[0065] 步骤2，计算模拟目标实时的虚拟位置到各地面站的仿真位置的距离数值，得到仿真信号到不同的地面站的信号延时数值，并生成待发射的模拟报文内容；
[0066] 步骤3，向模拟目标发送控制命令，所述控制命令包括待发射的模拟报文内容，以及与模拟目标输出的各通道信号的延时时间(计算模拟目标到模拟各多点地面站的不同传输延时，因为光速是恒定的，所以各地面站收到模拟目标的模拟延时应该与模拟目标到各地面站模拟位置的距离成正比。通过计算，得到模拟目标到各待测地面站的延时时间)；模拟目标根据待发射的模拟报文内容产生待发射的二次雷达应答信号；
[0067] 步骤4，模拟目标产生的二次雷达应答信号经过可调延时器，根据高精度时钟源和各通道(一个多点定位系统的地面站对应于一个通道)信号的延时参数调整发射信号的延时(高精度时钟源是3GHz高精度时钟源，其可产生稳定的3GHz电磁信号，通过FPGA的计数器，可以对各通道的模拟信号进行延时调整)；
[0068] 步骤4包括：处理机接收到测试数据后，通过FPGA的时间
控制模块，将模拟数字信号转为原始模拟电信号，并将信号发射到各延时器；各延时器进行指定时间的延时后，控制两个以上的发射机发射相应的二次雷达应答信号发射到不同的多点定位系统待测的地面站。
[0069] 步骤5，各地面站解调收到的经过不同延时后的二次雷达应答信号，并将信号与当前接收到雷达信号的时间戳上报至多点定位系统的中心处理站，中心处理站根据各地面站的仿真位置与各地面站收到同一模拟目标发送的同一报文的不同时间，计算模拟目标此时的位置(由多点定位系统即可得到模拟目标到各地面站的位置差，而各地面站的位置是已知的，从而得到根据同一模拟目标发送的同一报文的不同时间，计算模拟目标此时的位置)；
[0070] 步骤6，比对模拟目标的历史位置信息与中心处理站的计算结果，对各地面站的信号接收处理能力进行测试评估。
[0071] 本发明提供了一种多点定位系统仿真测试方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
