CN100381835C

CN100381835C - 基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法

Info

Publication number: CN100381835C
Application number: CNB2005100955367A
Authority: CN
Inventors: 吴乐南; 何峰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: CN1776448A

Abstract

基于数字广播电视信号的无线电组合定位导航方法是一种将DTV的地面和卫星广播信号相融合以提高定位性能的空间-地面组合定位导航方法。通过接收多个空间坐标已知的民用数字电视地面发射台和/或数字电视广播卫星与导航卫星的信号，确定接收者空间位置；该方法是建立在无线电信号广播发射系统上，同时接收多种无线广播系统和观测多个发射源，以形成多种无线定位系统组合的系统结构和定位导航模式，得出组合定位系统导航解；本发明提出同时观测地面和空间两种无线定位系统，来构成一种全新工作模式的组合导航系统。

Description

基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法

技术领域

本发明是一种通过接收多个空间坐标已知的民用数字电视地面发射台和/或数字电视广播卫星的信号，即可确定接收者的空间位置的方法，属于数字电视广播与无线电导航定位的复合技术领域。

背景技术

同时接收多个已知空间坐标和时间基准的无线电发射源的辐射信号，可以确定接收端用户所在的地理位置，即经度、纬度和高程(海拔高度)。而把无线电发射源设置在各种轨道卫星上的定位系统，例如：美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的伽利略(Galileo)系统、俄罗斯的GLONASS系统以及我国的“北斗”定位系统等，更凭借着广域覆盖的巨大优势，将无线电定位技术发展到一个新的高度。目前此类系统正从GPS时代向全球卫星导航系统(GNSS)时代发展。

但是，GPS之类的卫星定位技术仍存在许多缺点：GPS卫星从约20000公里高空向地面发射信号，由于多径效应、GPS卫星轨道误差、电离层延迟效应等会产生定位误差；GPS技术在市区内的定位概率为60％，而在室内的定位概率为零，因此使用GPS技术进行紧急救援定位困难；GPS技术定位实时性差，它在冷启动时需耗时30s或更长时间才能完成初始化和搜星工作，进而转入正常导航定位工作模式会贻误紧急救援工作；由于对GPS采用选择可用性(SA)政策，在特殊情况下使用GPS卫星定位会受到干扰。

随着超大规模集成电路(VLSC)工艺的进步，基于电缆或卫星传输的数字电视(DTV)系统已在全球范围广为使用。DTV的地面广播系统也已开始大规模建设，在全球不同区域逐渐形成以各自广播标准为基础的数字电视和数字声音广播网。用户接收端除了能接收到有效的数字视频音频信息外，还可利用数字广播的载波和数字码流测定从发射塔到接收端的距离等空间参数，实现无线电定位。经论证在美国大陆采用美国电视标准委员会(ATSC)制式的DTV信号进行定位，误差可在1m量级。我国的DTV/HDTV广播的地面传输标准尚未最后确立，采用欧洲的数字视频广播地面传输(DVB-T)标准或我国自己的标准都有可能。但是，只要是数字化无线传输的广播电视信号，都可用于定位。

不过，这一思路不适合于在海洋、沙漠、岛屿及其它接收不到DTV地面广播信号的地点定位，而基于卫星广播发送的DTV信号可以弥补此不足。因此，如果能恰当地将基于DTV地面广播信号定位的系统与来自DTV广播卫星(当然也可以是GPS之类的导航卫星)的信号进一步组合，就可望得到更高的定位精度，同时也能增强系统的可靠性和适应性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可以利用DTV广播系统的基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法，是一种将DTV的地面和卫星广播信号相融合以提高定位性能的空间-地面组合定位方法。

技术方案：

1.测距原理

作为数据信息、音频和视频多媒体流的数字广播系统，需要在发射端进行基于帧(或称之为符号)的信息编码、调制工作，以便在用户端能够接收连续的数据帧，在满足高数据率和实时接收信息的条件下，保证信息的准确性，满足系统的纠错需求。这也是数字化信息传输的本质所决定的，数据信息和多媒体信号都是基于包或块的数据流，需要一个打包发送和解包接收的过程，而数字广播系统中需要的是固定时间和长度的连续帧传输。为保证实时性和抗信道衰落干扰，一般无线数字广播系统每帧持续时间小于ms级，多数在几百us范围内。

为了更好地识别数据帧头，系统在发射端都会加上可以识别的同步字符，甚至提高其发射功率来确保准确的帧同步。当数字广播接收机收到一个数据广播帧时，系统希望准确检测出该数据帧头的时间，其误差由信道干扰、系统钟差和接收机噪声等因素决定；同时可以准确得到每一数据帧的编号，由此计算出该帧发射时的系统时间。因此不难测量出每一帧在发射端和接收端的传播时间，得到两者间的伪距测量值。

2.伪距数学模型

数字广播定位系统通过测量广播数据帧传播时间来计算出发射站和接收机之间的视距，由于相对应的观测量中包含时钟误差、多径干扰等误差项，所以将其称之为伪距，两次观测量的差值称之为Δ伪距。

假设一个排定传输顺序的数据帧发射时间为t_T(sys)，被接收到的时间为t_R(sys)，在没有信道干扰的情况下，其传播时延为：

τ＝t_R(sys)-t_T(sys) (1)

以上所有对时间的测量值都是基于系统标准时系，不存在时钟误差。而在现实系统中，整个系统中存在各种误差干扰，需要对上式进行修正，并将发射时间测量值和接收时间测量值分别变换到发射站和接收机时系，可得下式：

τ+δt_D＝(t_R-δt_R)-(t_T-δt_T) (2)

式中t_R，δt_R，t_T，δt_T，δt_D分别为接收机时钟测量得到接收时间、接收机时钟相对于系统时间的偏差、发射时发射站时钟时间、发射站时钟相对于系统时间的偏差、系统受多经干扰延迟和机收机噪声等的等效延迟偏差。

整理(2)式得到伪距观测量：

ρ＝c(t_R-t_T)＝cτ+c(δt_R-δt_T+δt_D)＝r+cδt_R+δr (3)

式中ρ，c，r，δr分别为伪距观测量、真空中光速、发射端和接收端之间的视距即几何距离、和其他距离误差等效值。

3.定位原理

DTV信号定位采用伪距法。这里的伪距是指数字广播发射机天线至接收机天线信号之间的几何距离加上各种系统误差，即第1节定义的伪距测量值。如图1所示，位置计算可以在用户终端实现。终端要测量每一个视距范围发射机的伪距，三个发射机的伪距足以解决使用者的经度、纬度和时钟偏差，DTV发射机的位置数据可以储存在用户终端或通过广播数据得到。为了计算用户端的精确位置，必须知道同步码传输的时限。但它不像基于卫星定位的情况，发射站的位置是不变的，不需要频繁地更新。

定位系统所要确定的系统状态一般为系统动态特性和系统时钟误差项，即：空间位置、速度、加速度和时钟偏差和时钟漂移。系统状态为：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{P}}_{R} \\ {\overset{\cdot}{V}}_{R} \\ {\overset{\cdot}{A}}_{R} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & I & 0 \\ 0 & 0 & I \\ 0 & 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} P_{R} \\ V_{R} \\ A_{R} \end{matrix}] - - - (4)

[\begin{matrix} δ {\overset{\cdot}{t}}_{R} \\ δ {\overset{\cdot}{t}}_{R} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} δ t_{R} \\ δ {\overset{\cdot}{t}}_{R} \end{matrix}] - - - (5)

式中[P_RV_RA_R]^T，分别为系统位置、速度加速度三维坐标矢量以及接收时钟偏差和漂移矢量。

通过以上系统方程可以解算出所需系统的动态特性与时钟误差，这里可以应用多种解法，例如：闭合解、线性迭代、卡尔曼滤波等。

4.组合导航

基于DTV信号定位，无需改变数字电视台的设备，而且不像GPS，其信号不受发射机多普勒效应和电离层传播延迟的影响；由于DTV信号的高能量、低占空比，使信号处理的要求最低；定位精度可达1m量级；该定位技术所提供的设备比GPS技术所要求的更廉价、低速和低功率；该技术利用相当庞大的DTV基础设施来定位无线设备，比当前可供选择的任何一种方案都更经济有效。因此，借鉴DTV定位技术和我国的DTV传输体制、广播制式建立中国具有自主权的定位系统，非常必要。

随着这些技术的发展与普及，可以衍生出各种组合定位技术，本发明提出：

1)地面DTV定位与GPS定位构成组合定位/导航系统；

2)地面DTV定位与卫星DTV定位构成组合定位/导航系统；

3)地面DTV定位与卫星DTV定位再加上GPS定位构成组合定位/导航系统。

其中：

系统“1)”可以结合地面DTV定位与GPS定位二者的优点；

系统“2)”可以完全脱离对于GPS卫星(或其它专用导航卫星)的依赖，因而安全性最好，具有国防价值；

系统“3)”的安全性、灵活性和定位精度可以最高，但系统也最复杂。

组合导航的优势在于发挥定位子系统各自的优势，取长补短，以获取更高的定位精度，同时提高整个系统的健壮性。但是这在另一方面增加了系统的成本和复杂度。一般构成组合导航系统的各子系统采用不同原理的定位模型，各自提供的原始观测量具有相当各异的物理含义，同时测量单位和量程也很不一致，这都增加了导航方程的组合与解算的复杂度，同时降低了解算精度。

本发明提出的导航模式和思路，即同时观测两种(或多种)无线电定位系统，来构成一种全新工作模式的组合定位导航系统。

本发明通过接收多个空间坐标已知的民用数字电视地面发射台和/或数字电视广播卫星与导航卫星的信号，确定接收者空间位置；该方法是建立在无线电信号广播发射系统上，同时接收多种无线广播系统和观测多个发射源，以形成多种无线定位系统组合的系统结构和定位导航模式，得出组合定位系统导航解；系统的工作步骤为：

1)接收信号：射频部分通过天线接收到无线信号，然后将接收信号下变频为中频信号；

2)通过模拟/数字变换完成中频信号的数字化和采样任务；

3)在数字信号处理器内完成信号的同步跟踪、解调和解码任务，建立信号载波和码同步跟踪回路；

4)将数字电视系统广播数据帧的时间间隔作为系统观测的基本时间单位，排定以数据帧间隔或其倍数作为观测间隔，确定观测时间序列；

5)已预先排定的观测序列时间定时从同步跟踪环路模块提取出一个数字电视发射源的原始伪距观测值，以及通过解调和解码后的数据得到该发射源标识和空间坐标信息；

6)重复步骤5)观测跟踪所有在有效测量范围内的数字电视发射站和卫星；将所有得到的信息送入定位解算方程，即从接收跟踪环路提取得到各发射源，即包括数字电视地面和卫星的伪距值和发射源空间坐标值，计算出最终接收天线的空间位置坐标，并换算为接收系统的定位信息：包括位置、速度和加速度，这些信息为基本导航定位信息；如果由于接收环境的影响在该观测时间点无法直接得到基本导航定位信息，可以通过辅助手段从其他导航设备或系统最近一次有效组合导航解外推作为该观测时间点的基本导航定位信息；

7)测量随后各个数字电视数据广播同步帧接收时刻，得到属于该观测时间点所有有效同步帧头的伪距信息；

8)以步骤6)得到的基本导航定位信息，依次代入步骤7)中的伪距信息和接收时间信息，完成基于顺序双滤波器平滑算法的计算，最终输出系统最优组合导航定位信息。

对每个观测时间点，需要对各个广播发射源同步帧进行非同步测量，其测距模式是等观测时间点不等时间间隔测量各无线观测值，即对同一预定观测时间点所涉及的时间段进行多次非同步测量，而不是一次同步测量。

定位导航模式构成方式为：一、独立定位，在每一观测时间点只采用一种确定的定位系统，并独立非同步测量属于该观测点的观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解；二、联合定位，在每一观测时间点采用多种定位系统，并独立非同步测量属于该观测点的各定位系统观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解；三、主辅协作定位，在每一观测时间点以一种定位系统为主，并独立非同步测量属于该观测点的主定位系统观测数据以及其他辅定位系统的部分观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解。

组合定位导航系统中进行导航解平滑处理的方法即顺序双滤波器平滑算法是通过使用前向和后向两个滤波器，首先从观测时间点起始点开始对接下来属于该时间点所属范围内的不同时刻观测值顺序依次进行前向滤波，在完成该时间点所涉及到的最后一个观测值后依次进行反向滤波，并最终在该时间点起始处结束反向滤波计算从而得到该时间点的平滑导航解。

有益效果：

1)由于两种无线定位系统提供类似的观测量，所以可组合成不同的工作方式，实现各自独立定位、联合定位或主辅协作定位等多种导航工作方式。

2)由于两种定位系统都是测量无线信号，所以在整体构成上可共用一些功能模块，例如射频接收前端、中频与基带处理等，以降低系统造价。

3)存在的系统误差，例如：时钟误差、接收干扰等，在组合导航方程解算中可一致对待，同时解算出或差分相减掉，以提高定位精度。

作为该种组合导航的一个实际应用就是上述基于卫星定位和基于地面数字广播电视发射网构成的组合定位/导航系统。这种系统除了具有以上三个优点外，还具有自己独特的优势：卫星导航提供覆盖优势，增强系统可用性；地面数字广播定位提供信号质量保证，增强系统的鲁棒性。

将该技术和卫星定位技术进行有效的结合，构成一种全新的导航定位模式，即卫星辅助的地面数字电视广播信号导航定位系统。这种新的定位模式突出了两种定位技术各自的优势，用前者信号延时短和接收信噪比高的优势来弥补后者在这些方面的不足，产生出更优化的定位精度，同时增强系统的可靠性和适应性。

附图说明

图1是数字广播信号定位系统构架示意图。

具体实施方式

组合定位导航的优势就是要发挥各子系统的优势，取得最优的导航状态解。本发明提出的这种全新的导航定位模式，即卫星辅助的地面数字电视广播信号导航定位系统不仅可以组合导航，还能满足两子系统单独提供导航信息，在一子定位系统不能提供观测值时，整个系统能依据自适应观测值计算导航解。

整个系统的组建可以划分为两大部分：发射和接收。发射部分是建立在已建成的DTV地面广播信号发射台和DTV广播卫星基础上的。首先为不同发射源分配不同的系统标识码(ID)，再将发射源的空间坐标、发射时间和标识码等信息进行信道编码，最后通过DTV数字广播系统实现信号发射。

接收部分是该发明的主要部分。接收部分整个系统的构建是建立在软件无线电技术之上。其工作流程如下：

1)首先前端的射频部分通过天线接收到无线信号，然后根据需接收信号(地面广播信号或卫星信号)所在的频段将其下变频为中频信号，这时有用信号的带宽随不同的DTV系统会有所不同，但一般在几十MHz范围内，因此选择需接收的各种制式发射系统的最大带宽作为系统工作带宽，并由此确定下变频的中心频率。

2)然后通过模拟/数字(A/D)变换完成接收信号的数字化和采样任务，接下来的所有步骤通过数字信号处理的方式完成。

3)其后在数字信号处理器(DSP)内完成信号的同步跟踪、解调和解码任务，建立信号载波和码跟踪同步跟踪回路。

4)定时从同步跟踪环路模块提取出系统的原始伪距观测值，通过解调和解码后的数据得到发射源标识和空间坐标等信息。

5)同时观测跟踪多个DTV发射站和卫星，通过步骤4)得到的信息送入伪距解算方程，即从接收跟踪环路提取得到各发射源(包括DTV数字地面和卫星)的伪距值，计算出最终接收天线的空间位置坐标，并换算为接收系统的定位信息：包括位置、速度和加速度等。

6)由于机收机所处的地理位置不同引起接收环境的改变，同时地面发射站和卫星与接收机也会随着两者之间相对空间位置的关系而变化，这些都会直接影响接收机接收各发射源信号的强度与质量，使得有效接收星座图发生变化，有时只能接收到一种类型的发射信号，在极端情况下在短时间只能接收到一个发射源的信号甚至没有信号。这就需要启用组合导航的优势来平滑或推算定位信息。详细过程如下所述。

一般的组合导航系统在协调观测时间时是直接对原始观测值或初始值进行插值计算得到在系统协调的观测时间点时的值，由于原始观测值是发射信号从发射源到接收源动态传播的非线性映射，由直接观测值插值计算得到定位结果将会产生较大的导航误差。而本发明提出的计算思想是对不同发射源的观测值分别计算，最后将各导航解进行平滑处理到系统协调观测点，具体使用的方法就是顺序双滤波器平滑算法(Sequential Dual Filter Approach toSmoothing，简称为SDF)。其基本运行步骤如下：

1)确定观测时间。由于地面数字电视广播所发射的数据帧长是等时的，并且是可以推算或直接确定其发射时间的，所以可以将发射每一帧的时间间隔作为系统观测的时间单位，所有的观测时间以其为基本单位，构成观测历元序列。这样接收机就可以预先排定以数据帧间隔或其倍数作为观测间隔，输出组合导航解。

2)得到基本导航定位信息。组合导航系统在每一观测点首先得到从以上工作步骤5)(或是从其他导航设备，例如GPS机收机)得到的基本导航定位信息，由于各种原因得不到基本导航定位信息时，以上一次有效组合导航解或初始导航资料外推到该观测点作为基本导航定位信息。

3)测量原始观测量。在每一观测点起始时一个DTV数字广播数据帧刚刚发射。这种情况是在理想状况下发生的。实际上由于发射站和接收机都存在时钟偏差，观测时间与发射时间之间存在偏差。同时由于存在传播延时，组合导航系统将在其后的一个不确定但可以测定的时间点观测到数据同步帧头；这种同步帧头随着接收机和各发射站的距离不同，将会在随后的不同时刻观测到。

4)SDF解算。接下来系统就可以使用这些观测值进行SDF计算，并将最后一个输出的SDF平滑值，即数据帧发射时的时间点的后向滤波值作为组合导航输出解。这样系统可以做到等时间间隔输出导航解，并且是最优系统状态估计值。

Claims

1.一种基于数字广播电视信号的无线电组合定位导航方法，其特征在于通过接收多个空间坐标已知的民用数字电视地面发射台和/或数字电视广播卫星与导航卫星的信号，确定接收者空间位置；该方法是建立在无线电信号广播发射系统上，同时接收多种无线广播系统和观测多个发射源，以形成多种无线定位系统组合的系统结构和定位导航模式，得出组合定位系统导航解；系统的工作步骤为：

1).接收信号：射频部分通过天线接收到无线信号，然后将接收信号下变频为中频信号；

2).通过模拟/数字变换完成中频信号的数字化和采样任务；

3).在数字信号处理器内完成信号的同步跟踪、解调和解码任务，建立信号载波和码同步跟踪回路；

4).将数字电视系统广播数据帧的时间间隔作为系统观测的基本时间单位，排定以数据帧间隔或其倍数作为观测间隔，确定观测时间序列；

5).已预先排定的观测序列时间定时从同步跟踪环路模块提取出一个数字电视发射源的原始伪距观测值，以及通过解调和解码后的数据得到该发射源标识和空间坐标信息；

6).重复步骤5)观测跟踪所有在有效测量范围内的数字电视发射站和卫星；将所有得到的信息送入定位解算方程，即从接收跟踪环路提取得到各发射源，即包括数字电视地面和卫星的伪距值和发射源空间坐标值，计算出最终接收天线的空间位置坐标，并换算为接收系统的定位信息：包括位置、速度和加速度，这些信息为基本导航定位信息；如果由于接收环境的影响在该观测时间点无法直接得到基本导航定位信息，可以通过辅助手段从其他导航设备或系统最近一次有效组合导航解外推作为该观测时间点的基本导航定位信息；

7).测量随后各个数字电视数据广播同步帧接收时刻，得到属于该观测时间点所有有效同步帧头的伪距信息；

8).以步骤6)得到的基本导航定位信息，依次代入步骤7)中的伪距信息和接收时间信息，完成基于顺序双滤波器平滑算法的计算，最终输出系统最优组合导航定位信息。

2.根据权利要求1所述的基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法，其特征在于：对每个观测时间点，需要对各个广播发射源同步帧进行非同步测量，其测距模式是等观测时间点不等时间间隔测量各无线观测值，即对同一预定观测时间点所涉及的时间段进行多次非同步测量，而不是一次同步测量。

3.根据权利要求1所述的基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法，其特征在于定位导航模式为下面三种之一：一、独立定位，在每一观测时间点只采用一种确定的定位系统，并独立非同步测量属于该观测点的观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解；二、联合定位，在每一观测时间点采用多种定位系统，并独立非同步测量属于该观测点的各定位系统观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解；三、主辅协作定位，在每一观测时间点以一种定位系统为主，并独立非同步测量属于该观测点的主定位系统观测数据以及其他辅定位系统的部分观测数据，应用顺序双滤波器平滑算法计算导航解。

4.根据权利要求1所述的基于数字广播电视信号的无线电组合定位方法，其特征在于组合定位导航系统中进行导航解平滑处理的方法即顺序双滤波器平滑算法是通过使用前向和后向两个滤波器，首先从观测时间点起始点开始对接下来属于该时间点所属范围内的不同时刻观测值顺序依次进行前向滤波，在完成该时间点所涉及到的最后一个观测值后依次进行反向滤波，并最终在该时间点起始处结束反向滤波计算从而得到该时间点的平滑导航解。