以国内某机场为例的场面多点定位系统布点选择

以国内某机场为例的场面多点定位系统布点选择

方嵘滨

中南空管局技术保障中心  广东广州  510000

摘要：场面多点定位技术（MLAT）是一种新兴的用于机场场面的一种新型监视技术。多点定位技术的原理在其他领域，如GPS定位、移动基站定位都有着广泛的应用。而在民航领域，场面多点定位技术作为高级场面引导与控制系统（A-SMGCS）的一种监视源，通过接收待定位目标发出的民航常用信号，如ADS-B报文、A/C模式雷达信号、S模式雷达信号等。一方面通过接收这些信号对机场场面中的移动目标，如航空器，车辆进行计算完成实时定位，另一方根据这些信号提供的地址码，航班号等信息在A-SMGCS中完成目标与计划的自动关联，提供给管制员使用。

目前我国对场面监视技术的应用主要几种在大型机场，使用的是场监一次雷达作为监视源。但是使用场监一次雷达作为场面监视的监视源，由于雷达的特性，面对大型机场场面复杂情况，如双跑道，三跑道，指廊较多等情况，一个雷达并不能对场面情况进行有效的监视，同时存在较多的盲区。并且用场监一次雷达作为监视源，其价格较高， 且一次雷达易受极端天气影响，在使用过程中是靠电磁波反射定位，无法获取目标其他信息。随着经济的发展，民航事业也在飞速发展，各中小机场对场面监视的需求越来越大，场面多点定位系统这一监视新技术在各中小机场开始作为主要的场面监视手段，在大型机场，场面多点定位系统是对场监一次雷达的重要补盲手段。场面多点定位系统较场监一次雷达来说，价格较为低廉，其覆盖区域取决与地面站的覆盖范围，面对场面复杂的情况，可以通过地面站的数量来减少盲区，同时通过增加地面站数量也能提高定位的精度，具有可扩展性。同时场面多点定位系统能接收航空器，车辆发出的报文或其他信息，实现目标与标牌的自动相关，减少了管制员的操作，提高了工作效率。    

本文从场面多点定位系统的原理入手，解释了场面多点定位的定位原理和决定场面多点定位精度的一些关键因素。完成对理论部分的分析后，联系实际，提出了在实际工作中对定位精度影响最关键的地方在于地面接收站的布点。

关键词：场面多点定位，信号到达时间差，几何精度因子

一、场面多点定位系统的关键技术

时钟同步技术，TOA检测技术，定位解算结束和优化布站技术是影响场面多点定位系统对目标定位准确性的关键因素。在实际应用过程中，由于选用的厂家设备均满足使用条件要求，在算法上，时钟架构选择上和信号到达时间检测方面的选择有所区别但在性能上提现出来的效果差异不大。然而几何精度因子（GDOP）是我们在设备安装过程中对多点定位精度起到直接影响的因素。本文先对几何精度因子的计算进行介绍，探讨对同一目标不同站点情况下GDOP值的差异。从理论总结出在实际安装应用过程中如何布置站点达到满足多点定位覆盖和精度要求。

二、站点布局对GDOP值的影响

经过相关研究显示，在由远端接收站组成的多边形范围内，其GDOP值远远小于在多变形范围外的GDOP值。当航空器位于远端接收站组成的多边形内时其定位可能区域范围比航空器位于远端接受站组成的的多边形外的定位区域要小。定位场面航空器位置最低要求是需要3个远端接收站，当增加一个远端接收站即可增加一条双曲线提高了定位精度。

同时根据文献可得出，当远端接收站点围绕目标以均匀夹角分布式后，GDOP能达到最优值。二维定位最优GDOP为，三维定位最优GDOP为，式中m为站点个数。下图给出远端接收站围绕目标均匀分布情况下不同站点数量下的GDOP仿真情况。

当目标位于远端接收站组成多边形内部时，可以得到较低GDOP值，同时增加远端接收站数量也能提高定位效果。

通过以上的分析结果，我们可以总结出在实际布站过程应遵循的原则：

在满足航空器和远端接收站视距条件的情况下，应尽量保证布站位置相对监视区域呈包围状态，且相邻远端接收站间的夹角越均匀越好。

直线型站点分布会弱化站点对GDOP的贡献度，且直线延长线上的GDOP明显较差，所以尽量避免多个站点呈直线分布。

在费用，物理条件和系统计算条件允许的情况下，增加远端接收站的数量可以提高定位精度。

三、国内某机场站点布局设计

通过对设备的安装条件进行分析后，我们需要进行对可能的站点位置进行考察。考察内容主要有如下几项：室外设备建设可行性（天馈），室内环境条件（温湿度、防尘），机柜摆放情况，现有供电能否满足设备安装情况，现有网络情况，现有防雷情况。总结出布局策略：外电、通讯等配置满足要求；跑到两端已有建筑物优先策略；高度较高的建筑物优先策略和站点等距策略。

根据对可能站点进行分析筛选后，最终选定南、北航向台，南、北下滑台，气象雷达站，机场指挥中心，南灯光站，航站楼南端1号登机桥旁岗亭这8个站点作为远端接收站点。塔台作为参考基准站点。

完成站点的预选址后，我们对站点先进行精度仿真分析和覆盖分析。对于站点的精度分析，根据GDOP值的计算，按照需求在机动区（跑道、滑行道），活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域，精度需要达到7.5m。我们对预选取的远端接收站点进行4点的GDOP仿真计算，来验证我们根据实际情况的取点是否满足方案需求。

为方便仿真分析，我们将图3-1的中心位置设置为原点，在图中用十字表示，如下图3-1所示。根据各个站点根据WGS84的坐标值进行精度仿真分析。仿真的目的首先是确认我们的预设站点位置满足工程需求，其次是对第四章内容的一个验证，最后是联系实际，确认我们站点布局的合理性。

图3-1将图中十字设为原点示意图

第一个仿真，我们对RSX1，RXS2，RXS3，RXS4，位于上方的4个站点进行仿真分析，仿真结果如下图3-2所示。通过上一节的总结，我们布点的一般原则有布站位置相对监视区域呈包围状；直线型布站会弱化站点对GDOP的贡献度。而我们通过对仿真结果进行分析，可以看出，当4个站点几乎呈直线分布式，GDOP值很大并且上升很快，结合实际地图看一看出，当只有RSX1，RXS2，RXS3，RXS4工作时，无法满足需求区域定位精度小于7.5m的要求。通过第一个仿真验证了上一章直线型布站会弱化站点对GDOP的贡献度这一布点经验。

3-2 RSX1，RXS2，RXS3，RXS4的GDOP仿真

    第二个仿真，我们对RSX5，RXS6，RXS7，RXS8，位于下方的4个站点进行仿真分析，仿真结果如下图3-3所示。与3-2相对比，RX5站点相对于其他三个站点的位置不在一条直线上，活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域需求位置稍微呈包围状，因此在活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域定位精度满足小于7.5的要求。但由于机动区（跑道、滑行道）附近并没有站点进行覆盖，因此机动区（跑道、滑行道）处的GDOP值不满足小于7.5的要求，且GDOP值上升很快。这组仿真同样证明了直线型布站的缺点。

3-3 RSX5，RXS6，RXS7，RXS8的GDOP仿真

    第三个仿真，我们对RSX1，RXS3，RXS6，RXS8，这4个对机动区（跑道、滑行道），活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域呈包围状的站点进行精度仿真分析，仿真结果如下图3-4所示。本次仿真选取的4个站点，满足布站应遵循的一般规律：布站位置相对监视区域呈包围状；直线型布站会弱化站点对GDOP的贡献度。同上面两个仿真结果相对比可以看出，本次布站的仿真，在机动区（跑道、滑行道），活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域的定位精度均小于7.5m，GDOP值增大缓慢。仿真结果与第四章总结内容相符，验证了本文第四章的内容。同时在多点定位设计应用中，实际是使用8站完成多点定位，在站点不出现故障的情况下，站点越多越能提高定位精度。通过本次仿真一方面证明了合适的布站方式对GDOP有很大的影响，另一方面也初步验证了我们对站点布局设计具有合理性。

3-4 RSX1，RXS3，RXS6，RXS8的GDOP仿真

    第四个仿真，我们对RSX1，RXS2，RXS7，RXS8，该仿真主要目的是按照建设发展规划地图左下部分会建设T2航站楼，RXS3，RXS4，RXS5三个站点无法对活动区和航站楼指廊进行覆盖。所以我们此次站点布局设计要考虑到未来的建设发展进行长远性的考虑并通过仿真验证缺少左上角三个站点时，剩余的站点能否满足活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域处的定位精度小于7.5m的要求。针对未来可能出现的建设带来的影响做一个预估。根据仿真结果如图3-5所示。在机动区（跑道、滑行道），活动区（机动区+机坪），航站楼指廊区域的精度要求仍然满足小于7.5m的需求。但在靠近施工区域即坐标-1000m范围处不满足精度要求。

3-5 RSX1，RXS2，RXS7，RXS8的GDOP仿真

对于覆盖分析，由于场面多点定位系统远端接收站的覆盖分析的原理是基于信号是视距传播范围，由于国内某机场场面较为简单，为单跑道机场，场内无建筑遮挡，所以在需求的机动区（跑道、滑行道），活动区（机动区+机坪），航站楼指廊等区域均满足4重覆盖的要求。

五、总结

本文对场面多点定位的精度起到直接影响。同时给出并讨论GDOP的具体计算公式。根据航空器与远端接收站的不同位置关系，远端接收站布置的不同数量，远端接收站布置时采用不同的形状和间距等情况下的GDOP分布进行分析和总结，得出了在实际布站过程中应遵循的原则，在实际应用中起到知道作用，提高多点定位精度。然后我们对国内某机场场面多点定位站点进行设计并进行初步仿真验证站点设计的合理性。