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基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究

第五瑶光 宫峰勋

第五瑶光, 宫峰勋. 基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究[J]. 全球定位系统, 2023, 48(4): 49-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023072
引用本文: 第五瑶光, 宫峰勋. 基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究[J]. 全球定位系统, 2023, 48(4): 49-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023072
DIWU Yaoguang, GONG Fengxun. Research on joint TOA estimation algorithm based on baseband mode S signal[J]. GNSS World of China, 2023, 48(4): 49-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023072
Citation: DIWU Yaoguang, GONG Fengxun. Research on joint TOA estimation algorithm based on baseband mode S signal[J]. GNSS World of China, 2023, 48(4): 49-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023072

基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究

doi: 10.12265/j.gnss.2023072
基金项目: 科技部重点研发计划(2018YFC0809500)
详细信息
    作者简介:

    第五瑶光:(1997—),女,硕士,研究方向为多点定位和S模式信号到达时间提取技术

    宫峰勋:(1965—),男,硕士,教授,研究方向为电磁兼容、民航通信、监视系统及多元数据融合等

    通讯作者:

    宫峰勋 E-mail: fxgong@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: P228.4;TN911.23

Research on joint TOA estimation algorithm based on baseband mode S signal

  • 摘要: 针对广域多点定位系统中接收信号信噪比(signal to noise ratio, SNR)低导致到达时间(time of arrival, TOA)提取不准确的问题,提出了一种匹配滤波结合非相干积累的联合TOA估计算法,该算法能够有效降低匹配滤波法在低SNR下TOA估计的均方根误差(root mean square error, RMSE). 联合算法通过对二次雷达驻留时间内接收的应答信号的匹配滤波输出做非相干积累,在最大值点处标记时间戳进行TOA估计,利用能量累积原理提高SNR,从而使得估计精确度得以提升. 仿真结果表明:该算法可在−15 dB SNR,53 MHz采样频率及9个积累信号时,达到24.302 ns的TOA估计精确度. 所提联合TOA估计算法具有高精确度与高稳健性的特点,能够在−15~0 dB SNR 将估计精确度提升至25 ns以下,为提取低SNR S模式信号TOA进而提升广域多点定位精确度提供了一种有效的方法.

     

  • 图  1  S模式应答信号形式

    图  2  S模式应答信号前导脉冲模型

    图  3  被动式多点定位示意图

    图  4  雷达扫描过程示意图

    图  5  前导脉冲匹配滤波输出

    图  6  非相干积累的信号噪声功率比提升效果

    图  7  前导脉冲经匹配滤波和非相干积累后的输出

    图  8  联合TOA估计算法流程图

    图  9  信号经匹配滤波和联合算法估计TOA的精确度(40 MHz)

    图  10  信号经匹配滤波和联合算法估计TOA的精确度(100 MHz)

    图  11  SNR与最少非相干积累信号数目的关系

    图  12  采样频率与最少非相干积累信号数目的关系

    图  13  信号经匹配滤波和联合算法估计TOA的精确度(53 MHz)

    图  14  匹配滤波TOA估计误差分布

    图  15  联合算法TOA估计误差分布

    表  1  飞机与雷达参数

    参数取值
    飞机巡航速度828 km/h
    天线波束宽度2.7°
    天线转速10 r/min
    脉冲重复频率200 Hz
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    表  2  不同S模式信号分类

    S模式信号形式DF字段内容
    二次雷达全呼叫应答11ICAO地址
    二次雷达选择呼叫应答4,5,20,21ICAO地址、飞机代码、
    高度、数据链路
    ADS-B17,18,19ICAO地址、飞机代码、
    ADS-B信息、高度
    TCAS0,16ICAO地址、高度、空/空协同
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    表  3  SNR与非相干积累信噪功率比提升效果的关系

    SNR${R_{ {\text{SNPF} } } }/{R_{ {\text{SNPM} } } }$
    >0 dB≈2.5${N_{{\text{ncoh}}}}$
    −23~0 dB1~2.5${N_{{\text{ncoh}}}}$
    <−23 dB≤1
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    表  4  联合算法误差分布

    TOA估计算法信号数目/个主要误差分布/ns
    匹配滤波1−3600~3800
    联合算法2−1000~1100
    9−80~80
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  • [1] CHAN Y T, LEE B H, INKOL R, et al. Estimation of pulse parameters by autoconvolution and least squares[J]. IEEE transactions on aerospace and electronic systems, 2010, 46(1): 363-374. DOI: 10.1109/TAES.2010.5417168
    [2] D'AMICO A A, MENGALI U, TAPONECCO L. Energy-based TOA estimation[J]. IEEE transactions on wireless communications, 2008, 7(3): 838-847. DOI: 10.1109/TWC.2008.060545
    [3] 谭钏章, 李宏伟, 樊昌周. 基于相关累积的雷达信号到达时间估计算法[J]. 弹箭与制导学报, 2018, 38(1): 161-164. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2018.01.037
    [4] 王洪, 刘昌忠, 汪学刚, 等. S 模式前导脉冲检测方法[J]. 电子科技大学学报, 2010, 39(4): 486-489. DOI: 10.3969/j.issn.1001-0548.2010.04.002
    [5] 曾丽丽, 陈梦娇, 徐自励, 等. 机场站坪区域中多点定位系统检测率的提升[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2021, 19(3): 391-397. DOI: 10.11805/TKYDA2020680
    [6] 张尉, 何康. 空管二次雷达[M]. 北京: 国防工业出版社, 2017.
    [7] 周旋. 基于TDOA的民航多点定位算法研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2018.
    [8] 檀倩倩. 数字阵列雷达波束驻留调度技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2021.
    [9] 陈林凤, 任文龙. S模式新技术在航管二次雷达中的应用[J]. 电子测试, 2020(20): 65-67. DOI: 10.3969/j.issn.1000-8519.2020.20.024
    [10] 王亚涛. 空管二次雷达S模式询问机目标捕获与监视实现方案[J]. 电讯技术, 2010, 50(7): 71-75. DOI: 10.3969/j.issn.1001-893x.2010.07.015
    [11] ZHOU Y D, GANG X, DU Y L, et al. An adaptive sampling VB-IMM based on ADS-B for TCAS data fusion with benefit analysis[J]. Journal of aeronautics, astronautics and aviation, 2017, 49(1): 11-24. DOI: 10.6125/16-1014-907
    [12] 曹雅茹. 基于差分匹配滤波器的TOA提取与评估研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2020.
    [13] 程林. 低信噪比条件下的雷达信号检测技术研究[D]. 北京: 中国舰船研究院, 2015.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-31
  • 网络出版日期:  2023-08-22

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