CN109188355A - 一种多点定位***接收天线优化及最优布站方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及民用航空领域中多点定位技术领域，尤其涉及一种多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量、接收天线定向性能的方法。本发明从多点定位***接收天线进行优化，采用不同的定向天线抑制多径干扰，由获取的详细数据建立与真实环境接近的机场区域3D物理模型，采用基于射线追踪法、几何一致绕射理论仿真电磁信号在机场环境中的传播的情况，最后结合遗传算法及机场环境、MLAT***布局、接收天线定向性能获得多目标最优解。本发明提高了仿真的电磁参数结果可靠性，提供了更加精确的MLAT***覆盖分析，能够预测电磁传播，优化站点布局，提高接收信号的信噪比，增强多点定位***的定位识别能力。

Description

一种多点定位***接收天线优化及最优布站方法
技术领域
本发明涉及民用航空领域中多点定位技术领域，尤其涉及一种多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量、接收天线定向性能的方法。
背景技术
基于到达时差(Time Difference of Arrival，简称TDOA)的多点定位技术是一种不同于传统雷达的新型定位监视技术，与传统雷达相比具有定位原理直观清晰、站点布局灵活易控、定位精度随站点布局分布均匀等独特优点，使其被国际民航组织推荐作为“先进的场面活动引导和控制***”的机场场面监视技术。
多点定位技术可划分为场面多点定位(跑道/滑行道监视、站坪监视)与广域多点定位(航路/进近监视、高度监视、平行跑道监视)两大类。在相对狭窄、建筑物众多，飞机密集，地理环境与电磁环境复杂的机场区域，多径干扰下的目标信号严重影响信号的有效接收。多点定位***接收天线因机场安全及其他因素限制，其位置多位于机场廊桥顶端，接收位置与航站楼距离近，多径信号功率强，与直达信号到达接收天线的时差小，多径信号在接收天线上的叠加，引起信号脉冲形状失真和码间干扰，导致定位精度产生较大误差，甚至无法被***识别。多径干扰严重时，目标信号到达时间(Time of Arrival，简称TOA)测量误差过大，导致多点定位TDOA定位方程组无解，无法实现对目标有效定位，出现丢点现象。机场复杂电磁环境中的多径干扰，是直接影响多点定位性能的关键因素，是多点定位***迫切需要解决的实际问题。
公开(公告)号CN103901397A公开了一种复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方法，主要负责多点定位***复杂实际场面环境下TDOA到目标定位位置的汇算以及定位位置的自检输出功能。主要原理是通过判断chan氏多点定位算法两步位置估计残差样本是否符合正常噪声水平下的概率分布来对定位结果进行后续处理与取舍操作。所述专利只通过对位置的样本残差估计判定是否符合正常噪声水平对站点进行取舍，而未从信道传输的原始根源上降低噪声。公开(公告)号CN104833953A公开了一种基于TDOA和航迹双跟踪模块***架构的机场非视距信道环境下的多点定位监视***和方法，所述专利通过TDOA跟踪处理生成校正后的TDOA信息，通过航迹跟踪处理生成校正后的位置信息。但所述专利只适用于非视距信道环境下的多点定位监视***，通过航迹跟踪辅助校正TDOA信息，无法从电磁信号在信道传输的原始根源上解决多点定位***中非视距干扰及多径干扰问题。公开(公告)号CN104965401A公开了一种多点定位相关监视***的到达时间测量方法及***，在多点定位相关监视***提供的***基准时钟下，对于接收到的目标应答信号进行A/D采样量化；对A/D采样量化后的数字信号进行差分匹配滤波；对差分匹配滤波后的信号进过零点检测；在检测门限内采用过零点检测技术获得目标应答信号的达到时间。在有效提高多点定位相关监视***的定位精度及降低硬件成本要求的前提下，达到提高到达时间的估精度、减少***测量时间误差的目的。但是所述专利只采用了差分匹配滤波的软件滤波的方式，对信道中干扰抑制作用有限。因此上述所有专利没有从根源上解决民航多点定位***中复杂电磁环境下多径干扰的问题。
公开(公告)号CN101706569A公开了一种多点定位***的覆盖精度评估方法和装置，实现了在非视距严重的情况下对多点定位***的覆盖精度的有效评估，使得用户可以获取到各个远端接收站的安置几何分布对多点定位***的精度的影响，可以对多点定位***的接收机几何布站进行指导。但在复杂电磁环境中，电磁信号在不同结构不同尺寸的建筑物上会产生反射、折射、绕射等情况，仅通过坐标数据是无法进行多径干扰下多点定位***覆盖精度的有效评估，且所述专利未对接收站天线优化方面进行多点定位接收机布站考虑。
发明内容
为了解决多径干扰严重情况下对多点定位***接收性能预测及评估的问题和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量、接收天线定向性能的问题。本发明利用定向天线的定向性能以及前后抑制比实现的“空间滤波”功能，在接收机最前端抑制多径干扰，解决了民航多点定位***中复杂电磁环境下多径干扰的问题；基于射线追踪法以及几何一致绕射理论，实现了民航多点定位***在机场的三维建模，解决了多点定位***受多径干扰情况下进行预测以及评估的问题；结合遗传算法及机场环境、多点定位(Multilateration，简称MLAT)***布局、接收天线定向性能，解决了民航多点定位***中接收站位置、数量、接收天线定向性能的最优解的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
首先针对电磁信号，在信道传输的根源上解决民航多点定位***中复杂电磁环境下多径干扰的问题。本发明从多点定位***接收天线进行优化，针对多径信号与直达信号到达方向不同的情况，可以对多点定位接收站采用不同的定向天线。定向天线因其在空间上的定向辐射性能，可以使其主波束指向期望的信号方向，而旁瓣以及背瓣指向干扰方向，通过定向天线的主瓣宽度以及前后抑制比提高了期望信号的接收功率，并抑制多径信号接收功率，起到“空域滤波”的作用，从而提高接收信号的信噪比，增强多点定位***的定位识别能力。定向天线的使用同时也减轻了后端信号处理的负担，从接收信号的源头抑制多径干扰。
针对民航多点定位***中多径干扰预测及评估的问题，本发明通过获取机场区域的地形数字高程模型、机场建筑结构尺寸和材质以及其他机场环境数据，由获取的详细数据建立与真实环境接近的机场区域3D物理模型，并采用基于射线追踪法、几何一致绕射理论仿真电磁信号在机场环境中的传播的情况，该方法对于复杂的城市、郊区、室内以及混合室内外环境或者特定模型的电磁波的传播和信道特性可以提供高效准确的预测。射线追踪法是一种通用的传播建模工具，可用于求解高频区域的Maxwell方程，计算路径损耗、到达角和时间延迟。相比于传统经验模型与理论模型较差的通用性，射线追踪法借助计算机程序求出较为精确的数值解，采用射线追踪法的高频近似方法对计算机内存要求很少，计算速度快，解决了时域有限差分、有限元、矩量法为代表的等电磁计算软件对电波传播环境远远大于电磁波波长(电大尺寸)的计算问题时的内存不足的硬件需求和仿真时间过长无法获得解析解等问题。以往几何光学场不能计算阴影区域的场，计算阴影边界附近的场也是不准确的，几何一致绕射理论因其对电磁波绕射问题提供了较为准确的计算方法，所以修正了几何光学不能计算阴影区域场的缺点。通过反射系数以及散射特性进行电场和磁场的近似计算，利用电场和实际接收机天线的性能参数进行接收功率、路径损耗、到达时延等参数的计算，对于超电大尺寸的电磁仿真问题提供了一个良好的解决方案。
针对民航多点定位***中接收站位置、数量、接收天线定向性能的最优解的问题，本发明结合遗传算法及机场环境、MLAT***布局、接收天线定向性能获得多目标最优解。遗传算法是一种基于群体进化的计算模型，它通过群体的个体之问繁殖、变异、竞争等方法进行的信息交换优胜劣汰，从而一步步地逼近问题的最优解。对个体的遗传操作主要通过选择(繁殖)、交叉和变异这三个基本的遗传算了来实现。根据MLAT定位***定位要求以及机场接收站安装的限制区域等来提出约束条件，建立自适应函数，通过遗传算法迭代若干次直到迭代结果满足自适应函数以及约束条件，即可找出机场区域所有接收站的最佳布局位置与接收天线的定向性能与布站数量。
本发明的有益效果是：
实现了机场区域电磁环境的3D物理模型建立，模型的建立依靠精确的数字地形模型与准确的机场建筑如机场候机大楼、跑道、廊桥、塔台等结构尺寸数据与材质，真实电磁环境接近的模型使仿真的电磁参数结果可靠性大大提高。
采用了射线追踪法进行电大尺寸电磁仿真，解决了电磁计算软件对电大尺寸计算问题时的内存不足的硬件问题和仿真时间过长的问题，同时几何一致绕射理论方法对电磁波绕射问题提供了较为准确的计算方法。以往MLAT***覆盖分析中光学射线所能覆盖的区域即为接收有效区域，而忽略了阴影区域电磁波绕射问题，相比利用是否存在光学的视距传播来分析MLAT***覆盖的方法，本专利能够提供更加精确的MLAT***覆盖分析，以及预测电磁传播，优化站点布局，合理设置接收天线定向性能等功能。
本方法在MLAT***接收站中采用定向天线，在接收机最前端抑制多径干扰，提高了接收信号的信噪比，增强了多点定位***的定位识别能力。
附图说明
图1为多径干扰下的S模式信号；
图2为经过定向天线抑制后S模式信号；
图3为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
对多点定位接收站采用不同的定向天线可以从源头抑制多径干扰。例如若在S模式信号中混叠了图1中的多径信号，该多径信号为直达信号幅值3dB，延时约为700ns，若接收天线主瓣方向接收直达信号，多径信号从天线背瓣方向接收，定向天线的前后抑制比为20dB，则接收的信号如图2所示，多径干扰获得了有效的抑制，信号已***间串扰，能够更加精确地对前导脉冲进行阈值检测，提高多点定位TOA估计的精度与识别能力。
本发明要实现三个目的：解决民航多点定位***中复杂电磁环境下多径干扰问题；解决民航多点定位***中多径干扰预测及评估的问题；解决民航多点定位***中接收站位置、数量、接收天线定向性能的最优解的问题。其中，解决多点定位***多径干扰问题，需要利用多径干扰预测与评估来判断多径干扰对MLAT***影响是否消除，评估结果为多径干扰抑制效果提供数据支撑。而本发明的第三个目的：解决民航多点定位***中接收站位置、数量、接收天线定向性能的最优解问题，是在实现前两个目的的后实现的。
如图3所示，具体实现过程如下：
第一步，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，建立与真实电磁环境接近的3D物理模型。
第二步，设置有效的发射位置与接收位置。发射位置均匀分布在所要评估的MLAT***的识别能力区域中，发射位置可依据需要设置。接收位置往往受机场运行安全等因素限制，需要结合实际以及评估的接收区域，设置接收位置。
第三步，改变接收天线的定向性能。现有的MLAT***接收站因考虑覆盖范围，所以均采用水平全向接收天线，而技术方案中已经论证过在接收站更换定向天线能获得更佳的接收效果，其中需要考虑的因素为定向天线辐射的主瓣角度，天线辐射的水平方向主瓣的角度可以设置为0至360°，天线的主瓣角度会影响多径信号的抑制效果与接收天线对发射区域的覆盖范围，需要在下一步评估不同主瓣宽度的定向接收天线MLAT接收性能。
第四步，机场电磁信号电磁仿真。发射区域内的各个发射点依次发射相同功率且模式相同的信号，如S模式，电磁信号在机场3D模型中传播，通过射线追踪法与几何一致绕射理论判断信号的反射、折射、绕射等过程，并且在接收天线获取发射信号的接收功率、路径损耗、到达时延参数。
第五步，判断多径信号对MLAT***干扰程度。根据发射位置与接收位置的距离，可以计算出收发位置之间的直达信号所需时间，判断出直达信号，接着计算多径信号在直达信号与各个多径信号的幅值差异与相位差异，若多径信号幅值大于直达信号幅值50％以上或多径信号与直达信号时延大于0.5us(S模式信号单个码元持续时间为0.5±0.05us)，则认为受多径信号影响较为严重，回到第三步，改变定向天线主瓣宽度，重新仿真，若多径信号与直达信号幅值、时延差异满足要求，则可认为该接收天线性能满足MLAT***识别条件，达到了“空间滤波”的目的，在所有满足要求的定向接收天线中，选择使主瓣宽度最大，以尽可能满足更广的覆盖率。
第六步，提出约束条件，找出MLAT***接收站选址限制条件及优化的目标。MLAT***的接收站位置选址往往受机场运行安全及接收站安装施工安全等多方面限制，因此，需在模型中限定接收天线设置的区域。如何在限制的区域中选取站点的位置是需要考虑的问题之一；如何在不同接收站设置不同接收天线的定向性能(如全向天线、180°定向天线、120°定向天线、90°定向天线等)是问题之一；同时，尽可能少的接收站数量也是目标之一，越多的站点个数可以提高MLAT***的覆盖精度和识别能力，但随之而来的是高额的成本，因此，找出满足MLAT***定位覆盖能力和精度、识别能力等要求下数量最少的站点布局方案也是目标之一。
第七步，根据将要采用的算法建立自适应函数。自适应函数用于判别算法进行迭代后的结果，同时，为MLAT***中多径信号对直达信号的影响程度提供量化的指标来判断，因此，需要结合将要使用的算法建立自适应函数。此处结合遗传算法建立式(1)，式(1)的函数值越小表征其受多径信号影响越小，根据实际MLAT***精度与识别能力要求进行设置。
式中n多径信号个数，Pi为第i条多径信号的接收功率，ti为第i条多径信号的TOA，Pd为直达信号的接收功率，ti为直达信号的TOA，Δtmax为直达信号与多径信号最大允许的到达时差。
第八步，机场电磁环境模型计算机仿真。通过算法如遗传算法迭代出接收站的数量、位置、以及接收天线的定向性能，再将参数代入电磁环境模型中，采用基于射线追踪法、几何一致绕射理论仿真电磁信号在机场环境中的传播的情况，获取其直达信号与多径信号的接收功率与到达时间等参数，将获取的参数代入自适应函数计算，若大于自适应函数要求值，则继续仿真迭代，若函数值小于要求值，则迭代结束，当前接收站的选址、数量、定向性能则为目标布局方案。
以上所述均是本发明优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的技术原理的前提之下，还可以做出若干的替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征包括以下步骤：
第一步，建立与真实电磁环境接近的3D物理模型；
第二步，设置有效的发射位置与接收位置；
第三步，改变接收天线的定向性能；
第四步，机场电磁信号电磁仿真；
第五步，判断多径信号对MLAT***干扰程度；
第六步，找出MLAT***接收站选址限制条件及优化的目标；
第七步，根据将要采用的算法建立自适应函数；
第八步，机场电磁环境模型计算机仿真，选择目标布局方案。
2.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第一步中，需要获取将要进行MLAT接收站布局的机场的地形数字高程模型、机场建筑结构、材质与尺寸数据。
3.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第二步中，发射位置均匀分布在所要评估的MLAT***的识别能力区域中，发射位置可依据需要设置，接收位置需要结合实际以及评估的接收区域，设置接收位置。
4.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第三步中，需要考虑的因素为定向天线辐射的主瓣角度，天线辐射的水平方向主瓣的角度可以设置为0至360°，天线的主瓣角度会影响多径信号的抑制效果与接收天线对发射区域的覆盖范围，需要在第四步中评估不同主瓣宽度的定向接收天线MLAT接收性能。
5.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第四步中，发射区域内的各个发射点依次发射相同功率且模式相同的信号，电磁信号在机场3D模型中传播，通过射线追踪法与几何一致绕射理论判断信号的反射、折射、绕射过程，并且在接收天线获取发射信号的接收功率、路径损耗、到达时延参数。
6.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第五步中，可以根据发射位置与接收位置的距离，计算出收发位置之间的直达信号所需时间，判断出直达信号，接着计算多径信号在直达信号与各个多径信号的幅值差异与相位差异，若多径信号幅值大于直达信号幅值50％以上或多径信号与直达信号时延大于0.5us，则认为受多径信号影响较为严重，回到第三步，改变定向天线主瓣宽度，重新仿真，若多径信号与直达信号幅值、时延差异满足要求，则可认为该接收天线性能满足MLAT***识别条件，达到了“空间滤波”的目的，在所有满足要求的定向接收天线中，选择使主瓣宽度最大，以尽可能满足更广的覆盖率。
7.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第六步中，MLAT***的接收站位置选址往往受机场运行安全及接收站安装施工安全等多方面限制，需在模型中限定接收天线设置的区域。
8.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第七步中，自适应函数用于判别算法进行迭代后的结果，同时，为在MLAT***中多径信号对直达信号的影响程度提供量化的指标来判断。
9.根据权利要求1所述的多点定位***多径干扰预测及评估方法和针对接收站所处不同机场环境而优化接收站位置、数量接收天线定向性能的方法，其特征在于，第八步中，通过算法迭代出接收站的数量、位置、以及接收天线的定向性能，再将参数代入电磁环境模型中，采用基于射线追踪法、几何一致绕射理论仿真电磁信号在机场环境中的传播的情况，获取其直达信号与多径信号的接收功率与到达时间，将获取的参数代入自适应函数计算，若大于自适应函数要求值，则继续仿真迭代，若函数值小于要求值，则迭代结束，当前接收站的选址、数量、定向性能则为目标布局方案。
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