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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

    通信作者:

    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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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-31
  • 网络出版日期:  2023-08-22

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