DE102010018111B4 - Multilateration method for locating transponder-equipped aircraft - Google Patents
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Abstract
Multilaterationsverfahren zur Lokalisierung von mit Transpondern ausgestatteten Luftfahrzeugen, mit folgenden Verfahrensschritten:
• mindestens vier räumlich verteilte Empfangssensoren empfangen das Transpondersignal des zu lokalisierenden Luftfahrzeugs;
• die Empfangssensoren ermitteln unabhängig voneinander die Signalempfangszeit des Transpondersignals,
• die Empfangsensoren übertragen den Signalinhalt und die Signalempfangszeit des Transpondersignals an eine Zentrale, in der durch Zusammenführen der Signalempfangszeiten der Empfangssensoren eine Lokalisierung des Luftfahrzeugs vorgenommen wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Empfangssensoren die Signalempfangszeit des Transpondersignals durch Korrelation des empfangenen Signals mit einem daraus synthetisch generierten Signal gleichen Inhalts ermitteln.Multilateration method for locating transponder-equipped aircraft, comprising the following method steps:
• at least four spatially distributed reception sensors receive the transponder signal of the aircraft to be located;
• the receiver sensors independently determine the signal reception time of the transponder signal,
The reception sensors transmit the signal content and the signal reception time of the transponder signal to a control center in which a localization of the aircraft is carried out by combining the signal reception times of the reception sensors;
characterized in that
the receiving sensors determine the signal reception time of the transponder signal by correlating the received signal with a signal of the same content generated synthetically therefrom.
Description
Die Erfindung betrifft ein Multilaterationsverfahren zur Lokalisierung von mit Transpondern ausgestatteten Luftfahrzeugen.The invention relates to a multilateration method for locating transponder-equipped aircraft.
Die aktuelle zivile und militärische Luftlage basiert überwiegend auf dem Einsatz teurer Radarsysteme mit Reichweiten > 100 km. Als Alternative hierzu sind Multilaterationssysteme in der Lage, mit Hilfe einer größeren Anzahl von einfachen Empfangssensoren die Position von mit Transpondern ausgestatteten Luftfahrzeugen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen und bieten daher gegenüber Radarsystemen für verschiedene Anwendungen ein deutlich günstigeres Preis/Leistungsverhältnis. Systeme mit eigenem Sender, welcher die Transponder der zu detektierenden Objekte selbst abfragt, sind dabei besonders effizient. Wegen möglicher Abschattungen, Abfragekonflikten und Täuschungsmöglichkeiten können aktive Systeme jedoch nicht überall eingesetzt werden. Passive Systeme, die vorhandene Sekundärradare oder den ”Broadcast Modus” der Transponder (ADS-B) ausnutzen, werden daher alternativ oder zusätzlich zu aktiven Systemen verwendet.The current civil and military air situation is based mainly on the use of expensive radar systems with ranges> 100 km. Alternatively, multilateration systems are able to determine the position of transponder-equipped aircraft with high accuracy with the aid of a larger number of simple receiver sensors and therefore offer a significantly better price / performance ratio than radar systems for various applications. Systems with their own transmitter, which interrogates the transponder of the objects to be detected itself, are particularly efficient. However, active systems can not be used everywhere because of possible shadowing, query conflicts and deceptive possibilities. Passive systems exploiting existing secondary radars or the "broadcast mode" of the transponders (ADS-B) are therefore used alternatively or in addition to active systems.
Bekannte Multilaterationssysteme lokalisieren ein Luftfahrzeug über Laufzeitdifferenzen beim Empfang des Transpondersignals durch mehrere im Raum verteilte Sensoren. Auszüge der von den einzelnen Sensoren empfangenen und bereits hochfrequent abgetatsteten Transpondersignale werden an eine Zentrale übertragen. In der Zentrale werden die Laufzeitdifferenzen durch Korrelation der digitalisierten Empfangssignale mit großer Genauigkeit ermittelt.Known multilateration systems locate an aircraft over transit time differences when receiving the transponder signal by multiple sensors distributed in space. Excerpts of the transponder signals received by the individual sensors and already high-frequency scanned are transmitted to a control center. In the center, the transit time differences are determined by correlation of the digitized received signals with great accuracy.
Die Übertragung der empfangenen Transpondersignale von den Empfangssensoren an die Zentrale erfordert eine hohe Bandbreite. Es ergeben sich somit hohe Kosten sowie Einschränkungen bei der Dislozierung der Sensoren. Versucht man andererseits, durch Datenkompression die Bandbreite zu verringem, kann es zu Verlusten hinsichtlich der Genauigkeit kommen.The transmission of the received transponder signals from the receiving sensors to the central station requires a high bandwidth. This results in high costs and restrictions in the deployment of the sensors. On the other hand, attempting to reduce bandwidth by compressing data may result in loss of accuracy.
Die
Die
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Multilaterationsverfahren zu schaffen, das einerseits eine noch genauere Lokalisierung ermöglicht und dabei zusätzlich wesentlich geringere Anforderungen sowohl an die Kommunikation zwischen Sensoren und Zentrale als auch an die spezielle Art der Auslösung des Transpondersignals stellt. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.The object of the invention is to provide a multilateration method which, on the one hand, enables even more accurate localization and, in addition, makes substantially lower demands both on the communication between sensors and control center and on the special type of triggering of the transponder signal. This object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Empfangszeiten (TOA) des Transpondersignals lokal, d. h. bei dem jeweiligen Empfangssensor, hochgenau, insbesondere im Bereich von einigen ns, ermittelt. Dies erfolgt, in dem das empfangene Signal mit einem synthetisch erzeugten Signal korreliert wird. Das synthetische Signal entspricht dabei genau dem Signal, das ein Sender generieren würde, um den Signalinhalt zu übermitteln. An die Zentrale muss nur noch die so ermittelte hochgenaue Empfangszeit und der dekodierte Signalinhalt übertragen werden.According to the present invention, the reception times (TOA) of the transponder signal are determined locally, i. H. at the respective receiving sensor, highly accurate, in particular in the range of a few ns determined. This is done by correlating the received signal with a synthetically generated signal. The synthetic signal corresponds exactly to the signal that would be generated by a transmitter to transmit the signal content. Only the high-precision reception time and the decoded signal content determined in this way must be transmitted to the control center.
Das erläuterte passive Verfahren kann bei Bedarf um den Einsatz eines Senders ergänzt werden, um damit die Aussendung der Transpondersignale am zu lokalisierenden Luftfahrzeug auszulösen. Der Einsatz des vom Multilaterationssystem selbst kontrollierten Senders kann z. B. in Detektionslücken sinnvoll sein, in denen ansonsten keine Abdeckung durch ein Abfrageradar bestünde. Weiterhin kann durch Einsatz eines Senders ein eigenständiges System zur Luftlageerstellung geschaffen werden. Als Sender bietet sich insbesondere ein Sekundärradar-Sender an, der aufgrund seines einfachen Aufbaus und der geringen Anforderungen an die Sendeantenne sehr kostengünstig ist. Die geringen Anforderungen an die Antenne ergeben sich dabei insbesondere dadurch, dass auf den Empfangsteil gänzlich verzichtet wird.If necessary, the described passive method can be supplemented by the use of a transmitter in order to trigger the transmission of the transponder signals on the aircraft to be located. The use of the Multilaterationssystem self-controlled transmitter can, for. B. be useful in detection gaps in which otherwise no cover would consist of a Abfrageradar. Furthermore, by using a transmitter an independent system for air attitude creation can be created. As a transmitter, in particular, a secondary radar transmitter offers, which is very inexpensive due to its simple structure and the low demands on the transmitting antenna. The low requirements for the antenna arise in particular by the fact that the receiving part is completely dispensed with.
Die erfindungsgemäße Messung der Signalempfangszeit lokal beim den einzelnen Empfangssensoren ermöglicht deren Bestimmung mit hoher Genauigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit genauer und leistungsfähiger als herkömmliche passive Systeme, in denen die empfangenen Signale zur Bestimmung von Laufzeitdifferenzen zusammengeführt werden.The measurement according to the invention of the signal reception time locally at the individual receiving sensors enables their determination with high accuracy. The method according to the invention is thus more accurate and more efficient than conventional passive systems in which the received signals are combined to determine propagation time differences.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert lediglich eine geringe Übertragungsbandbreite. Die Empfangsensoren benötigen nur eine sehr einfache Antenne und können sehr kompakt mit geringem Stromverbrauch realisiert werden. Ausgestattet mit z. B. einer UMTS-Karte, können sie problemlos disloziert werden. Eine landesweite Installation auf Mobilfunkmasten wäre zum Beispiel ebenfalls möglich.The method according to the invention requires only a low transmission bandwidth. The reception sensors require only a very simple antenna and can be realized very compact with low power consumption. Equipped with z. As a UMTS card, they can easily be dislocated. A nationwide installation on mobile masts would also be possible, for example.
Durch die Bestimmung von absoluten Sende- und Empfangszeiten ergeben sich (über die Bestimmung von Laufzeitdifferenzen hinausgehende) zusätzliche Informationen über die Entfernung vom Empfangssensor zum zu lokalisierenden Luftfahrzeug. Absolute Sende- und Empfangszeiten können ab einer Anzahl von Empfängern > 3 bestimmt werden, wobei die Genauigkeit mit steigender Anzahl der Empfänger zunimmt. Damit ergeben sich zusätzliche, hochwertige Informationen über die direkte Entfernung des Senders zu den einzelnen Empfängern zum Sendezeitpunkt. Bildlich gesprochen stehen den herkömmlichen Systemen auf der Basis von Laufzeitdifferenzen Schnitte von Hyperbeln bzw. Hyperboloiden für die Lokalisation zur Verfügung. Das Prinzip der lokalen Korrelation stellt nun zusätzliche Kugelflächen zur Schnittbildung bereit. Durch die vollständige Auswertung aller Informationen ergibt sich im Vergleich zu den herkömmlichen Multilaterationssystemen eine erhöhte Ortsgenauigkeit.The determination of absolute transmission and reception times results in additional information about the distance from the reception sensor to the aircraft to be located (going beyond the determination of propagation time differences). Absolute transmission and reception times can be determined from a number of receivers> 3, whereby the accuracy increases with increasing number of receivers. This results in additional, high-quality information about the direct distance of the transmitter to the individual receivers at the time of transmission. Figuratively speaking, the conventional systems on the basis of transit time differences cuts of hyperbolas or hyperboloids available for localization. The principle of local correlation now provides additional spherical surfaces for cutting. The complete evaluation of all information results in an increased position accuracy compared to the conventional multilateration systems.
Durch die lokale Korrelation mit dem synthetisch generierten Signal entfällt die Korrelation der Antennensignale von unterschiedlichen Standorten zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz (TDOA). Die Anforderungen zum Betrieb der passiven Empfänger werden dadurch gegenüber den herkömmlichen Sensoren drastisch gesenkt. Hierdurch ergeben sich hohe logistische Vorteile bei der Dislozierung und beim Betrieb der Sensoren.Due to the local correlation with the synthetically generated signal, the correlation of the antenna signals from different locations for determining the transit time difference (TDOA) is eliminated. The requirements for the operation of the passive receiver are thereby drastically reduced compared to the conventional sensors. This results in high logistical advantages in the deployment and operation of the sensors.
Ein erfindungsgemäßes Multilaterationssystem, welches nach dem Prinzip der lokalen Korrelation arbeitet, bietet in den Komponenten ”Sensoren” und ”Kommunikation mit den Sensoren” gegenüber einem herkömmlichen Multilaterationssystem bei gleicher Systemleistung einen großen Kostenvorteil.A multilateration system according to the invention, which operates on the principle of local correlation, offers a great cost advantage in the components "sensors" and "communication with the sensors" compared with a conventional multilateration system with the same system performance.
Im Vergleich zu den bekannten Radarsystemen zur Luftlagedarstellung benötigt ein System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur vergleichsweise geringen Erstellungs- und Unterhaltungsaufwand, und hat ein entsprechend günstiges Preis/Leistungsverhältnis.Compared to the known radar systems for air situation display requires a system for the application of the method according to the invention only comparatively low creation and maintenance costs, and has a correspondingly favorable price / performance ratio.
Ein konkretes System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der
Das Transpondersignal an dem zu lokalisierenden Luftfahrzeug kann z. B. durch vorhandene Sekundärradare oder im Rahmen des ”Broadcast Modus” der Transponder (ADS-B) ausgelöst werden. Optional kann es auch durch den systemeigenen Sender S ausgelöst werden, was weiter unten noch näher erläutert werden wird. Die Empfangssensoren E1–E4 sind in der Lage, verschiedene Transpondersignaltypen, wie z. B. Mode S, Mode 3a, Mode C usw. zu erkennen, diese zu dekodieren und zu synthetisieren. Das eingehende Signal wird hochfrequent digitalisiert, in einem Register gespeichert und dekodiert. Die Digitalisierungsfrequenz liegt im GHZ – Bereich (insbesondere > 2 GHZ) und ist mit der lokalen Uhr synchronisiert. Nach erfolgreicher Dekodierung und Ermittlung der Transponder-Kennung sowie der zusätzlichen Dateninhalte des Transpondersignals wird synthetisch genau das empfange Signal generiert. Das synthetische Signal wird mit derselben Abtastfrequenz digitalisiert wie das empfangene Signal. Das digitalisierte synthetische Signal wird bezüglich seiner Amplitude an das digitalisierte empfangene Signale angepasst und mit dem digitalisierten empfangenen Signal verglichen und so lange in der Zeitachse verschoben, bis die Übereinstimmung maximal ist. Bei maximaler Übereinstimmung entspricht der Abtastzeitpunkt des ersten Bytes des zum synthetischen Signal passenden Empfangssignals exakt dem gesuchten Empfangszeitpunkt. Bei einer Abtastfrequenz von 1 GHZ ist somit theoretisch eine Messgenauigkeit von 1 ns entsprechend einer Längenmessgenauigkeit von 30 cm erreichbar.The transponder signal on the aircraft to be located can, for. B. by existing secondary radar or in the context of the "broadcast mode" of the transponder (ADS-B) are triggered. Optionally, it can also be triggered by the native transmitter S, which will be explained in more detail below. The reception sensors E1-E4 are capable of different types of transponder signal, such. B. Mode S, Mode 3a, Mode C, etc. to recognize, decode and synthesize. The incoming signal is high-frequency digitized, stored in a register and decoded. The digitizing frequency is in the GHZ range (in particular> 2 GHZ) and is synchronized with the local clock. After successful decoding and determination of the transponder identifier and the additional data contents of the transponder signal, the received signal is synthetically generated exactly. The synthetic signal is digitized at the same sampling frequency as the received signal. The digitized synthetic signal is amplitude matched to the digitized received signal and compared to the digitized received signal and shifted in the time axis until the match is maximum. At maximum coincidence, the sampling time of the first byte of the received signal matching the synthetic signal corresponds exactly to the desired reception time. At a sampling frequency of 1 GHz, theoretically, a measurement accuracy of 1 ns corresponding to a length measuring accuracy of 30 cm can be achieved.
Mit einer Abtastfrequenz von 1 GHZ lässt sich das empfangene Signal mindestens auf ca. 10 ns genau mit dem generierten Signal korrelieren. Mit einem für die beschriebenen Anwendungen geeigneten Systemausbau können z. B. bis zu 50 verschiedene Signale pro Sekunde auf die beschriebene Art ausgewertet werden.With a sampling frequency of 1 GHZ, the received signal can be correlated with the generated signal for at least 10 ns. With a suitable system for the described applications system expansion z. B. up to 50 different signals per second can be evaluated in the manner described.
Nach erfolgreicher Auswertung wird die Signalinformation zusammen mit der auf mindestens 10 ns genauen Zeitmarke (d. h. der ermittelten Signalempfangszeit) mit einer Verzögerung < 2 s an die Datenfusionszentrale TK, DV geschickt. In der Datenfusionszentrale werden die Informationen zusammen mit der Sensorposition ausgewertet und zusätzlich zu eventuell ebenfalls vorliegender Radarinformationen bei der Aktualisierung der Luftlage berücksichtigt. Die Datenfusionszentrale wertet zu jedem Transpondersignal, das von mehreren Empfangssensoren E1–E4 geliefert wird, die Laufzeitdifferenz aus. Unter günstigen Voraussetzungen (ausreichende Anzahl von empfangenen Signalen vom selben Transponder) können durch Datenfusion die genauen Transmittersendezeiten ermittelt werden. Sofern dies gelingt, können daraus direkte Signallaufzeiten ermittelt – und für die noch genauere Aktualisierung der Flugspuren verwendet werden.After successful evaluation, the signal information is sent to the data fusion center TK, DV together with the timestamp (ie the signal reception time) which is accurate to at least 10 ns with a delay of <2 s. In the data fusion center, the information is evaluated together with the sensor position and taken into account in addition to possibly also present radar information when updating the air position. The data fusion center evaluates the transit time difference for each transponder signal that is supplied by several receiver sensors E1-E4. Under favorable conditions (sufficient number of received signals from the same transponder) the exact transmitter transmission times can be determined by data fusion. If successful, direct signal propagation times can be determined from this - and used for even more accurate updating of the flight lanes.
Durch Einsatz eines Senders S, bevorzugt eines Sekundärradar-Senders, kann die Aussendung des Transpondersignals durch das System selbst ausgelöst werden, so dass sich ein vollständig autarkes Lokalisierungssystem ergibt. Dies kann vorteilhaft sein, wenn sich Detektionslücken zwischen den Abdeckungsbereichen mehrerer Abfragesysteme (Radarsysteme) ergeben. Auch für das Ausleuchten von kritischen Zonen mit hoher Verkehrsdichte können solche zusätzlichen Sender installiert werden. In diesen Fällen sollte der Sender in der Lage sein, Transponder in einem Bereich von z. B. ca. 50–100 km anzusprechen.By using a transmitter S, preferably a secondary radar transmitter, the transmission of the transponder signal can be triggered by the system itself, so that there is a completely self-sufficient localization system. This can be advantageous if there are detection gaps between the coverage areas of several interrogation systems (radar systems). Such additional transmitters can also be installed for illuminating critical zones with high traffic density. In these cases, the transmitter should be able to transmit transponders in a range of e.g. B. about 50-100 km to address.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren mit systemeigener Fähigkeit zur Abfrage der Transponder ergibt sich z. B. für die Lokalisierung von Luftfahrzeugen im Bereich von Flughäfen. Das Multilaterationssystem wird dabei, ausgestattet mit einem aktiven Abfragesender, als autarkes Einzelsystem ohne kooperierende Radarsysteme betrieben. In dieser Konfiguration kann es je nach Dichte und Anzahl der Empfänger bis zum hochgenauen Anflugskontrollsystem und zusätzlich zur Kontrolle der Bewegung der Luftfahrzeuge am Boden verwendet werden. Wegen der einfachen Installation und der geringen Kommunikationsanforderungen bietet es auch in dieser Konfiguration Vorteile gegenüber den bereits etablierten Systemen.Another application for the inventive method with native ability to query the transponder results z. B. for the localization of aircraft in the area of airports. The Multilaterationssystem is operated, equipped with an active query transmitter, as a self-sufficient single system without cooperating radar systems. In this configuration, depending on the density and number of receivers, it can be used up to the highly accurate approach control system and in addition to controlling the movement of the aircraft on the ground. Because of its ease of installation and low communication requirements, it also offers advantages over already established systems in this configuration.
Zusammengefasst ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren große Vorteile bei den Kommunikationsanforderungen zwischen Sensor und Zentrale sowie eine verbesserte Ausnutzung von Mehrfachbeobachtungen zur Erhöhung der Ortungsgenauigkeit.In summary, the inventive method over conventional methods great advantages in the communication requirements between the sensor and the central office and improved utilization of multiple observations to increase the tracking accuracy.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131026 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: EADS DEUTSCHLAND GMBH, 85521 OTTOBRUNN, DE Effective date: 20140916 |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |