基于ads-b信号的广域多站时间同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多点时差定位中广域多站时间同步领域，具体为一种广域多站共同接 收空中的ADS-B信号，筛选出合适的批次，利用打上的时间戳和ADS-B报文中飞机的位置信 息，评估出广域多站间时间基准差并进行同步的方法。 二、
【背景技术】
[0002] 在无源定位领域，多点时差定位以其定位精度高，覆盖范围广，组网简单方便、抗 干扰能力强等诸多优点成为一种最主要的多点定位方式，无论在民用、还是军事上都有广 泛的应用。基于时差的多点定位最关键的技术是多站间的精确时间同步，这是整个定位系 统能否有效工作的基本前提。在站间距不是很大的情况下，可以通过物理连接（如光纤） 的方式进行时间同步，而在站间距较大的情况下，这样的做法不论从成本、施工难度还是风 险上都不是一个好的选择，而且还只能针对固定多站。一般的做法是，增加一个已知位置的 固定发射站，用于多站间的同步。这种方法较物理连接同步法有较大优势，可以实现灵活的 广域同步，并不限于固定多站。但增加一个发射站用于同步的劣势不仅体现在增加架设及 维护成本上，同时在军事应用上失去了无源定位隐蔽性的优点，在日益紧张的电磁频谱利 用上也很难做到完全的电磁兼容。另外，广域多站还常采用GPS共视来实现时间同步，这种 方式的同步精度在几十纳秒，使得定位精度大大受限，且基于GPS系统的方法受制于别国， 在非常时期的可用性将不能保证。寻求一种在不增加同步发射站、不受制于他国系统的情 况下实现精确的广域多站时间同步的机制将具有重要意义。
[0003] 在目前的空域中，航线遍布，每天都有数以万计的飞机在飞行，除了大洋上空几乎 找不到一片以几十公里为半径的圆形区域内没有飞机飞过。所有的飞机都向外辐射电磁信 号，大多数（以后会更多）的商用飞机都安装有ADS-B系统，以1090ES数据链主动播报自 身的位置。这是利用ADS-B信号进行多站时间同步的前提条件。多站通过实时接收空域中 的ADS-B信号、打上时间戳，并构建出信号传输模型和误差模型，经过合理选择某些批次的 数据来计算时间基准差，最后对辅站的时间基准进行修正，实现多站的精确时间同步。这种 基于ADS-B信号的广域多站时间同步方法大大降低了架设和运营成本、提高了系统的安全 性和隐蔽性，在经济和军事上都有着十分巨大的意义。 三、
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种利用空中已有ADS-B信号对广域多站进行精确时间同 步的方法，用以在不增加系统复杂度的情况下，提高多站时间同步的精度。本发明要求待同 步的辅站与中心站对ADS-B信号的接收空域有交集，以保证在辅站与中心站进行时间同步 时有共视的装有ADS-B的飞机。
[0005] 本发明提供一种利用空中已有ADS-B信号对广域多站进行精确时间同步的方法， 其中包括：
[0006] (1)广域多站接收ADS-B信号并打上本地时间戳，将打上本地时戳的报文通过原 有信道传送到中心站；
[0007] (2)选择出待同步的辅站和中心站都接收到的ADS-B报文，对其按ICAO号进行分 批，选取在同一段航线上有一去一回数据的批次；
[0008] (3)对在（2)中选出的批次数据根据位置报文数量、连续性、导航精度等级三个参 数进行综合评估，根据评估结果进行优先级排序；
[0009] (4)选择出满足要求的一组数据（包含至少一个批次的数据）；
[0010] (5)将（4)中各批次的数据根据ADS-B信号传输模型及误差模型计算中心站与某 个待同步辅站之间的时间基准差的样本，并根据（3)中的优先级排序设置各批次数据计算 出的时间基准差样本的权值；
[0011] (6)根据（5)中的时间基准差和权值，估计出此待同步辅站和中心站的时间基准 差；
[0012] (7)根据（6)中的结果得到对相应辅站的时间基准修正量，在中心站进行数据处 理时，对来自相应辅站的时戳信息都加上这个修正量，以统一到中心站时间基准；
[0013] (8)其他辅站按照（5)?（7)步骤逐一同步到中心站，完成多站时间同步。
[0014] 本发明在现有广域多站系统基础上，增加 ADS-B接收功能，将装有ADS-B系统的飞 机纳入到系统中进行建模，解算出辅站与主站的时差，实现广域多站的时间同步，有效解决 了广域多站时间同步困难及同步精度不高的问题，具有巨大的军事价值和经济效益。 四、
【附图说明】
[0015] 图1为本发明待同步辅站与中心站时间同步流程图
[0016] 图2为本发明ADS-B信号传输图
[0017] 图3为本发明时间基准差计算模型示意图 五、 具体实施方法
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明的技术方案进行清楚完整地描述。由于对实施例的阐述是具体的，不能涵盖本 发明的所有实施例，本领域普通技术人员在没有作出创新性劳动的前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0019] 图1为本发明所述待同步辅站与中心站时间同步流程图。待同步辅站与中心站各 自接收空域中的ADS-B信号，分别打上各站的本地时间戳，通过原有数据通道将带有时戳 的ADS-B报文发送给中心站。在中心站对来自各辅站的ADS-B报文进行数据来源标记，以 区分来自于那个接收站。对它们共同接收的ADS-B报文按照ICAO号进行分批，并筛选出在 同一段航线上有一来一回数据的批次。对筛选出的批次根据位置报文数量、报文连续性及 ADS-B系统的导航精度进行数据质量评估，根据评估结果进行优先级排序。判断是否有满足 要求的批次，如果有则将数据代入时差计算模型中计算出各待同步辅站与中心站的时间基 准差，如果没有满足要求的批次，则继续等待更多数据的录取。当得到所有待同步辅站与中 心站的时间基准差（估计值），在中心站进行数据处理时，对来自相应辅站的时间戳加上相 应的修正量，实现所有辅站的时间基准都同一到中心站的时间基准上，完成多站时间同步。
[0020] 图2为本发明所述ADS-B信号传输图。装有ADS-B的飞机按照一定周期向外广播 自身的位置、速度等信息。当某条ADS-B位置报文同时被所有接收站所接收并打上各站本 地时间戳，可设此条ADS-B报文在UTC时间tQ从机载天线广播了出去，站1 (假设站1为中 心站）在L时刻收到此条报文，站2在12，......，站M在tM时刻收到此条报文，而站1、站 2、……、站M的时间基准与标准UTC时间的差分别为Λ ?\、Λ T2、……、Δ ΤΜ，飞机在发送 此条报文时的位置可以从报文中获取，所有接收站的位置已知，那么可以得到报文发送时， 飞机与各站的距离分别为Dp D2、……、DM，那么可以得到：
[0021]
【主权项】
1. 基于ADS-B信号的广域多站时间同步方法，其特征在于利用空中已有的带有飞机自 身位置的ADS-B信号对广域多站进行精确时间同步的方法，具体为： (1) 广域多站接收ADS-B信号并打上本地时间戳，将打上本地时戳的报文通过原有线 路传送到中屯、站； (2) 选择出待同步的辅站和中屯、站都接收到的ADS-B报文，对其按ICAO号进行分化选 取在同一段航线上有一去一回数据的批次； (3) 对在（2)中选出的批次数据根据位置报文数量、连续性、导航精度等级=个参数进 行综合评估，根据评估结果进行优先级排序； (4) 选择出满足要求的一组数据（包含至少一个批次的数据）； (5) 将（4)中各批次的数据根据ADS-B信号传输模型及误差模型计算中屯、站与某个待 同步辅站之间的时间基准差的样本，并根据（3)中的优先级排序设置各批次数据计算出的 时间基准差样本的权值； (6) 根据巧）中的时间基准差和权值，估计出此待同步辅站和中屯、站的时间基准差； (7) 根据化）中的结果得到对相应辅站的时间基准修正量，在中屯、站进行数据处理时， 对来自相应辅站的时戳信息都加上该个修正量，W统一到中屯、站时间基准； 做其他辅站按照妨?（7)步骤逐一同步到中屯、站，完成多站时间同步。
2. 根据权利要求1所述的基于ADS-B信号的广域多站时间同步方法，其特征在于：所 述的时间基准差计算的基本思想为通过得到飞机与接收站的距离W及接收站打上的时间 戳来反推出两个站之间的时间基准差。
3. 根据权利要求1所述的误差模型，其特征在于；通过利用某架飞机在某位置一来一 回的数据来降低由固定发送时延引起的估计误差；通过在某段航线上的多个数据来降低由 定位误差和随机发送时延引起的估计误差。
4. 根据权利要求1所述的基于ADS-B信号的广域多站时间同步方法，其特征在于：本 发明并不限制待同步辅站的数量，理论上可W为任意多个站进行时间同步。
【专利摘要】本发明公开了一种基于ADS-B信号的广域多站时间同步方法。待同步辅站和中心站同时接收携带飞机位置信息的ADS-B信号，并打上本地时间戳。通过建立计算时间基准差的基本模型和误差模型，得到利用打上时戳的ADS-B位置报文进行广域多站时间同步的方法以及降低同步误差的优化方法。对获取的ADS-B数据进行分批、筛选和质量评估，选取满足要求的数据代入模型进行计算，得到辅站与中心站的时间基准差，最后在中心站进行数据处理时对其进行修正，以完成所有辅站和中心站的时间同步。本发明在没有增加广域多站定位系统的复杂度的情况下，利用现有已知信号源对任意数量的多站系统进行精确的时间同步，具有重要的实用价值。
【IPC分类】H04L7-04
【公开号】CN104618088
【申请号】CN201410576649
【发明人】唐小明, 张涛, 金林, 朱洪伟, 李洪高
【申请人】烟台三航雷达服务技术研究所有限公司, 中国人民解放军海军航空工程学院
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年10月16日