CN101702827B - Toa定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TOA定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法。该定位方法包括步骤：发射带定位信息的多载波数字电视信号，定位信息包括发射端的二维或三维坐标位置信息和定位数据，定位数据为已知序列；对接收到的多载波数字电视信号进行时域帧同步，从而得到传输时延粗估计值；截取定位数据，利用TOA定位估计方法计算得到传输时延细估计值，进而得到接收端与发射端间距离的估计值；求出接收端与多个发射端之间距离的估计值之后，根据距离的估计值及二维或三维坐标位置信息利用定位算法计算得到用户所在位置的二维或三维位置信息及二维或三维速度信息。本发明算法简单、定位更新速度快、系统兼容性强、适用范围广，能实现精确定位。

Description

TOA定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法

技术领域

本发明涉及无线数字传输领域，特别涉及一种TOA定位的估计方法及基于该估计方法的精确定位方法。

背景技术

随着军事及民用上对无线精确定位的需求的迅速增加，无线定位技术近年来收到广泛的关注并取得了长足的进步和发展。美国的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、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(请参见文献[1]E.D.Kaplan，C.Hegarty，“Understanding GPS：Principlesand Applications，Second Edition，”Boston，USA：Artech HousePublishers，2005)，凭借着广域覆盖的巨大优势，将无线电定位技术推向一个新的高度。

但是，卫星定位系统仍存在许多缺点，比如：卫星从约2万公里的高空向地面发射信号，由于多径效应、卫星轨道误差、电离层延迟效应等会产生定位误差；卫星定位技术在市区内的定位概率不高，而在室内和地下停车场等场景下的定位概率几乎为零，因此使用卫星定位技术很难进行紧急救援定位；卫星定位实时性较差，首次定位可能需要10分钟左右甚至更长的时间才能完成初始化和搜星并进而转入正常导航定位工作模式，会贻误紧急救援工作；卫星定位系统通常也会受到一些军事或者政治目的限制，如美国政府对GPS采用SA(Selective Availability，选择可用)政策，在特殊情况下使用GPS卫星定位会受到干扰。此外，昂贵的卫星接收设备对于大多数普通民用用户而言是难以接受的。

另一方面，地面数字电视广播系统已开始在全球大规模建设，在国际上已经颁布了三种地面数字电视传输标准：美国ATSC(AdvancedTelevision Systems Committee，高级电视系统委员会)数字电视标准采用了单载波调制，而欧洲DVB-T标准和日本ISDB-T(Integrated ServiceDigital Broadcasting-Terrestrial，地面综合业务数字广播)都采用了基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术的多载波调制技术。我国已于2006年8月颁布了《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》地面数字电视国家强制标准DTMB，并于2007年8月1日开始实施。目前，中国DTMB标准已经在大陆部分地区及香港、澳门等地区取得了成功应用，将很快形成一个覆盖全国的网络，同时DTMB正积极进军海外，具有广阔的市场应用前景。

随着地面数字电视的广泛运用，数字电视产生的增值服务也将越来越受到人们的关注。在2008年出台的DVB-T2(Digital VideoBroadcasting-Terrestrial 2，第二代欧洲地面数字电视标准)中就采用了物理层管道等技术提供除广播以外的其他多种业务。直接利用现有的数字电视网络基础设施进行无线定位也越来越得到人们的关注，已有文献报道，基于美国数字电视标准ATSC的无线定位精度可达1米量级，而基于欧洲标准DVB-T的无线定位也可达到类似的精度。与卫星定位相比，数字电视信号不受卫星多普勒效应和电离层传播延迟的影响，数字电视信号本身还具备一定的室内接收能力，因此市区定位概率高，还可满足室内定位要求，同时数字电视信号的码率远远高于GPS的C/A码，因此定位的实时性大大增强，而且信号处理复杂度小、功耗低，此外还可利用现有的地面数字电视基础设施，无需改变就可以直接用于无线定位。因此，研究基于数字电视信号的精确定位技术，对于提升数字电视标准的价值、提供低成本全天候精确三维导航定位信息等都具有非常重要的意义。

欧洲的DVB-T标准、日本的ISDB-T标准和中国的DTMB标准都采用多载波传输技术。目前，利用多载波信号进行无线定位的方法主要分为两类：一类是基于符号定时同步的算法及其改进算法，其中性能较好的一种方法是Mensing在文献[2]C.Mensing，S.Plass，and A.Dammann，“Synchronization Algorithms for Positioning with OFDMCommunications Signals，”in Proc.4th Workshop on Positioning，Navigation and Communication(WPNC’07)，Mar.2007，pp.205-210.中提出的算法，定位精度大约为3米，但算法非常简单，复杂度仅为o(N)，其中N为用于定位的观测数据长度；另一类则是基于谱估计中的高分辨率算法，该类算法具有较高的定位精度，如MUSIC(Multiple Signal Classification)算法(请参见文献[3]X.Li，K.Pahlavan，“Super-resolution TOA Estimation with Diversity for IndoorGeolocation，”IEEE Trans on Wireless Communications，，vol.3，no.1，pp.224-234，Jan.，2004.)的定位精度大约是2米、ML(Maximum Likelihood)算法(请参见文献[4]Voltz，P.J.，Hernandez，D.，“Maximum likelihoodtime of arrival estimation for real-time physical location tracking of802.11a/g mobile stations in indoor environments，”in Proc.IEEEPosition Location and Navigation Symposium(PLANS’04)，April，2004，pp.585-591)的精度是0.5米、MP(Matrix Pencil)算法(请参见文献[5]T.J.S.Khanzada，A.R.Ali，A.S.Omar，“Time Difference of ArrivalEstimation using Super Resolution Algorithms to Minimize DistanceMeasurement Error for Indoor Positioning Systems，”in Proc.IEEEInternational Conference on Multitopic Conference(INMIC’08)，Dec.，2008，pp.443-447)的精度则可达0.2米，但该类算法复杂度比较高，一般在o(N3)数量级。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种TOA定位的估计方法及基于该估计方法的算法简单、定位更新速度快、系统兼容性强、适用范围广的精确三维定位的方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种TOA定位的估计方法，包括以下步骤：先将包含于多载波数字电视信号中的时域的定位数据变换到频域，然后利用已知的频域定位数据去除其相位信息，对该结果进行延时自相关计算，并对求出的延时自相关序列进行差分运算，最后对所得的差分序列取相位求平均，从而得到多载波数字电视信号的传输时延细估计值，其中，所述定位数据为已知的序列。

所述已知的序列为m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种，或者上述各序列中的一种经逆傅里叶变换到时域后得到的序列。

所述定位数据位于多载波数字电视信号的信号帧中已有的保护间隔或者数字信号帧的帧体中。

本发明还提供了一种定位方法，其基于上述TOA定位的估计方法进行定位，所述定位方法包括步骤：

S1，发射带有定位信息的多载波数字电视信号；所述定位信息包括发射端的二维或三维坐标位置信息和定位数据，所述定位数据为已知的序列；

S2，对接收到的所述多载波数字电视信号进行时域帧同步，获取帧号信息和本帧信号的起始时刻，从而得到传输时延粗估计值；

S3，截取所述定位信息中的定位数据，利用上述TOA定位的估计方法计算得到传输时延细估计值，并利用传输时延估计值计算得到接收端与发射端之间距离的估计值；

S4，求出接收端与多个发射端之间距离的估计值之后，利用所述距离的估计值以及所述二维或三维坐标位置信息利用定位算法计算得到用户所在位置的二维或三维位置信息以及二维或三维速度信息。

所述三维坐标位置信息插入在可扩展的多载波数字电视系统中的系统信息中发射，所述系统信息至少包括保护间隔长度、数据调制方式、编码方式和发射分集标识符。

在所述步骤S2中，接收端利用相邻数字电视信号帧的保护间隔的相同/相似性或者该保护间隔结构本身的相同/相似性，通过相关峰检测的方法完成时域帧同步，从而得到传输时延粗估计值。

所述三维速度信息通过相邻两帧或多帧的时间内获得的三维定位信息计算得到。

所述二维速度信息通过相邻两帧或多帧的时间内获得的二维定位信息计算得到。

所述三维位置信息包括用户所在位置的经度、纬度和高度。

所述二维位置信息包括用户所在位置的经度和纬度。

上述技术方案具有如下优点：

1)定位精度高：仿真结果表明，利用OFDM信号帧中的循环前缀进行相关峰检测从而实现定位的方法，其精度一般只有几米。基于OFDM信号的超分辨率定位方法如MUSIC法、ML法以及MP法具有较高的定位精度，一般可达分米量级。而本发明的方法，定位精度可以达到厘米量级，完全可以满足一般的商用定位需求。

2)实现复杂度低：利用OFDM信号帧中的循环前缀进行相关峰检测从而实现定位的方法具有很低的复杂度，只有o(N)，其中N为定位数据的长度，这里为循环前缀的长度。但这种方法的定位精度较差。基于OFDM信号的超分辨率定位方法具有较高的定位精度，但这类算法的复杂度较高，如MUSIC法在每次迭代过程中需要N³+N²次乘法，ML法需要9N³次乘法，MP法的复杂度也在o(N³)量级。而本发明的方法，其复杂度为o(N log₂N)，远低于超分辨率算法的复杂度。

3)定位更新速度快：当采用普通数字电视信号帧中的保护间隔作为定位数据时，由于保护间隔在每一信号帧中均存在，且信号帧的持续时间通常为几百微秒，因此定位信息可以每帧更新一次，定位更新速度非常快，因此定位的实时性大大增强，完全可以满足实时救援等应用的需求；当通过在已有的数字电视信号帧中插入一些定位帧来实现定位时，定位更新的速度与插入定位帧的频率成正比，可根据实际系统的需求来灵活选取插入定位帧的频率；

4)系统兼容性强：本发明的方法中，当采用普通数字电视信号帧中的保护间隔作为定位数据时，可以完全不用修改已有的数字电视基础设施和数字电视信号的结构和形式，仅需要在可扩展的系统信息中增加本发射塔的三维坐标信息即可，因而与现有数字电视网络具有最大的兼容性；

5)适用范围广：与卫星定位相比，数字电视信号不受发射机多普勒效应和电离层传播延迟的影响，数字电视信号本身还具备较强的室内接收能力和移动接收能力，因此市区定位概率高，还可满足室内定位要求，同时带有定位功能数字电视终端将进入普通老百姓家庭，人们无需采用专门的定位设备就可以达到实时定位的目的，因而具有非常广的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的定位方法流程图；

图2为示出本发明实施例中定位数据所处位置的一种方式的示意图；

图3为示出本发明实施例中定位数据所处位置的另一种方式的示意图；

图4为本发明实施例中进行TOA频域细估计的方法流程图；

图5为本发明实施例中进行传输时延估计的示意图；

图6为本发明实施例中基于TOA法进行用户定位的示意图；

图7为本发明实施例中基于TDOA法进行用户定位的示意图；

图8为本发明实施例的定位方法与现有技术的几种典型定位方法的定位精度对比结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

依据本发明实施例的利用多载波数字信号进行精确三维定位的方法，其步骤如图1所示，包括：数字电视发射塔发射带有定位信息的多载波数字电视信号；接收端首先进行时域帧同步后找到多载波数字电视信号帧的起始位置，并通过解调普通的数字电视信号帧或者系统信息获得发射塔的二维或三维坐标信息，然后接收端在频域进行信号传输时延细估计，从而得到精确的传输时延值将该传输时延值转换为数字电视发射塔与接收端之间的伪距，用户通过测量获得接收端与多个数字电视发射塔之间的伪距后，便可求解出该用户所在的二维或三维位置信息，并可以通过相邻两帧或多帧的定位信息或者该用户的二维或三维速度信息。

本实施例中，在数字电视网络的信号发射端，数字电视信号中的定位信息包括两种：发射机本身三维坐标的位置信息以及用于接收机进行传播时延估计的定位数据。

其中，位置信息可以作为数字电视系统中系统信息的一部分，插入在可扩展的系统信息中(多载波数字电视系统中的系统信息包括保护间隔长度、数据调制方式、编码方式、发射分集标识符等)，其具体可以是：位置信息通过专门的系统信令符号来发送，比如在类似于DVB-T2中的P1符号中包含发射塔的位置信息；或者位置信息分散在数字电视信号帧中周期性重复发送，比如在类似于DTMB中的TPS中包含发射塔的位置信息。

定位信息中的定位数据是已知的多载波数据，其可以是：时域上具备特定特征的序列，如m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列等，或者其他任何形式的已知序列；或者是频域上具备上述特定特征的已知序列通过IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅立叶逆变换)到时域后的序列。

对于定位信息中的定位数据所处的位置，其可以是位于信号帧结构中的保护间隔中；或者位于信号帧结构中的帧体中，该定位数据与普通的数字电视信号帧一样，需要在其前面加上保护间隔，从而构成一个数字电视定位帧；为了最大限度地保持已有数字电视系统不变，本实施例中选择前一种方式，即定位数据位于信号帧结构中的保护间隔中。

在数字电视网络的接收端，首先对接收到的多载波数字电视信号进行时域帧同步，帧同步后获取帧号信息和本帧信号的起始时刻，从而获得TOA(time of arrival，到达时间)定位法时域粗估计。帧同步可以利用相邻数字电视信号帧的保护间隔的相似性，通过检测相关峰的方法获取帧同步；也可以利用数字电视信号帧的保护间隔结构中本身的相似性(比如保护间隔为两个重复的时域或者频域序列，或者保护间隔本身带有时域循环前缀)，通过检测相关峰的方法获取帧同步；还可以利用本地序列与接收序列的相关峰来获取。

在数字电视网络的接收端，接收机还需要利用多载波定位数据在频域进行传播时延细估计，以获取精确的传输时延估计。上述定位方法所基于的TOA定位的估计方法具体为：先将时域定位数据变换到频域，然后利用已知的频域定位数据去除其相位信息，对其结果进行延时自相关计算，并对求出的延时自相关序列进行差分运算，最后对所得的差分序列取相位求平均，从而得到传输时延细估计值。具体算法如下：

利用所述定位数据计算得到传输时延细估计值，利用传输时延估计值计算得到接收端与发射端之间距离的估计值的步骤具体为：

若所述定位数据位于多载波数字电视信号的信号帧中已有的保护间隔中，该定位数据的频域信号表示为{d(k)}_k＝0 ^N-1(已知信号)，其中N为定位数据的长度，该频域信号对应的时域的多载波数字电视信号为：

$s\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}d\left(k\right)\·e^{j2\mathrm{\π}{f}_{k}t}$

其中f_k为第k个子载波对应的频率；

该时域的多载波数字电视信号经过传输时延τ₀后得到的接收信号r(t)为：

$r\left(t\right)=s(t-{\mathrm{\τ}}_0)+n\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}d\left(k\right)\·e^{j2\mathrm{\π}{f}_k(t-{\mathrm{\τ}}_0)}+n\left(t\right)$

其中，n(t)为方差为σ²高斯白噪声，传输时延τ₀用采样时间间隔T归一化表示为 $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{T}={\mathrm{\θ}}_I+{\mathrm{\θ}}_F,$ θ_I表示整数个采样间隔，θ_F表示分数个采样间隔；

在数字电视网络的接收端，接收机首先对接收到的多载波数字电视信号采样常规方法进行时域帧同步，帧同步后获取帧号信息和本帧信号的起始时刻，从而获得TOA时域粗估计值

由于时域粗估计的精度一般有一个或多个采样间隔，所以必须进行细估计得到分数个采样间隔的时延估计。

接收机在帧同步后截取接收信号中的时域定位数据，并通过傅立叶变换(FFT)将时域数据转换到频域，然后利用已知的频域定位数据进行精确的TOA频域细估计值

具体步骤如下：

接收信号r(t)经过快速傅立叶变换FFT之后，第k个子载波上的频域信号R(k)为：

$R\left(k\right)=d\left(k\right)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k{\mathrm{\θ}}_F}+n^{\′}\left(k\right),0\≤k\≤N-1$

其中n′(k)为噪声；

将定位数据的频域信号d(k)的共轭d^*(k)乘以R(k)，以去除信号d(k)本身的相位信息：

$W\left(k\right)=d^{*}\left(k\right)\·R\left(k\right)=A\·e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k{\mathrm{\θ}}_F}+n^{\′\′}\left(k\right),0\≤k\≤N-1$

其中，[·]^*表示取共轭，A＝|d(k)|²为信号d(k)的能量，不失一般性，我们假设A＝1。n″(k)＝n′(k)d^*(k)是与n′(k)具有相同统计特性的噪声项。简单起见，下面的数学推导中将省去该噪声项。

对上式中的W(k)进行L位延时自相关，以去除子载波序号k的影响：

$Z\left(L\right)=\underset{k=0}{\overset{N-L-1}{\mathrm{\Σ}}}W\left(k\right)\·W^{*}(k+L)=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}L{\mathrm{\θ}}_F},1\≤L\≤$

然后对得到的序列Z(L)进行差分运算，从而得到如下的差分序列：

$D\left(L\right)=Z^{*}\left(L\right)Z(L+1)=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{\mathrm{\θ}}_F}$

对差分序列D(L)的相位取平均：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_F=\frac{N}{2\mathrm{\π}(N/2-1)}\underset{L=1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left[D\left(L\right)\right]$

则得到发射端与接收端之间的距离的估计值

的计算公式为

$\hat{R}={\widehat{\mathrm{\τ}}}_0\·c=({\widehat{\mathrm{\θ}}}_I+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_F)\·T\·c$

其中

为数字电视发射塔与接收机之间真实距离R的估计值，由于估计值存在一定的偏差，所以我们称之为伪距，c＝3×10⁸(m/s)是光速。

接收端在获取精确的传输时延估计后，将传输时延转换为数字电视发射塔与接收端之间的伪距，由于估计值存在一定的偏差，所以我们称之为伪距。通过多个伪距来确定用户所在的位置，从而实现用户位置的定位，其具体步骤可以是：用户通过TOA法来实现定位，即通过几个圆的交点求出用户的位置。如图6所示，用户u位于与数字电视发射塔s₁距离为

的圆上，同时位于与数字电视发射塔s₂距离为

的圆上以及与数字电视发射塔s₃距离为

的圆上，则三个圆的交点即为用户u的准确位置；或者用户通过TDOA(time difference ofarrival，到达时间差)定位法来实现定位，即将得到已求得的不同发射塔发射的数字电视信号的到达时间先转换为信号的到达时间差，并将该时间差等效为距离差，然后利用与两个固定发射塔距离差为某一常数的点位于以这个两个发射塔为焦点的双曲线上这一特点，通过两条或多条双曲线的交点来确定用户的位置。图7给出了利用TDOA法确定用户位置的示意图。

当接收端在获取了几个不同的伪距后，用户可以通过多个伪距来确定用户所在的空间位置，从而实现定位，其具体实施方式可以是：

用户利用与四个数字电视发射塔之间的伪距

和四个数字电视发射塔的三维坐标信息s_i＝(x_i，y_i，z_i)(其中i＝1，2，3，4)来确定用户的三维坐标信息u＝(x_u，y_u，z_u)和时间偏差t_u，这四个未知数可通过以下四个方程联立求解：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{R}}_1=\sqrt{{(x_1-x_u)}^2+{(y_1-y_u)}^2+{(z_1-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\\ {\hat{R}}_2=\sqrt{{(x_2-x_u)}^2+{(y_2-y_u)}^2+{(z_2-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\\ {\hat{R}}_3=\sqrt{{(x_3-x_u)}^2+{(y_3-y_u)}^2+{(z_3-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\\ {\hat{R}}_4=\sqrt{{(x_4-x_u)}^2+{(y_4-y_u)}^2+{(z_4-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\end{array}\right.---\left(1\right)$

或者：用户利用与三个数字电视发射塔之间的伪距和三个数字电视发射塔的三维坐标信息s_i＝(x_i，y_i，z_i)(其中i＝1，2，3)来确定用户的二维坐标信息u＝(x_u，y_u)和时间偏差t_u，这三个未知数可通过以下三个方程联立求解：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{R}}_1=\sqrt{{(x_1-x_u)}^2+{(y_1-y_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\\ {\hat{R}}_2=\sqrt{{(x_2-x_u)}^2+{(y_2-y_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\\ {\hat{R}}_3=\sqrt{{(x_3-x_u)}^2+{(y_3-y_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于式(1)和(2)所述的非线性方程组，其解法可以是：采用闭合形式解、基于线性化的迭代法或者卡尔曼滤波法。

在用户获得上述定位信息后，接收端还可以通过相邻两帧或多帧时间里获得的定位信息，求得用户的二维或者三维速度矢量v：

$v=\frac{u_j-u_k}{t_j-t_k}$

其中j，k表示不同的信号帧帧号，二者可以相邻，也可以相隔多帧，t_j，t_k则表示对应帧的起始时刻。

由以上实施例可以看出，本发明所提出的TOA频域细估计的方法，其主要的复杂度在于计算延时自相关序列{Z(L)}_L＝1 ^N/2，直接计算该序列需要

次乘法，为了降低该方法的复杂度，可以通过M＝2N点FFT/IFFT变换一次得到整个延时自相关序列。该运算过程包括两次M点FFT运算、M点乘法运算以及一次M点IFFT运算，故一共需要 $\frac{3}{2}M{\log }_{2}M+M=3N{\log }_{2}N+5N$ 次乘法运算。

图8示出了对本发明所提出的定位的方法的精度进行计算机仿真实验的结果。图中的[2]、[3]、[4]、[5]分别表示背景技术中提到的文献[2]、[3]、[4]、[5]。仿真实验中定位数据的长度为1024的频域格雷互补序列，系统的采样时钟为20MHz。定位的精度用伪距的RMSE(root mean square error，均方根误差)来衡量，RMSE的定义为：

$\mathrm{RMSE}\left(\hat{R}\right)=\sqrt{\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{R}}_k-R)}^2}$

其中

表示对真实距离R的第k次估计结果，K为观察估计结果的总次数。

为了与现有基于多载波信号的定位方法的精度进行对比，仿真结果中同时给出了其他几种典型的多载波定位方法的精度。同时，为了评估本发明所提出方法的定位精度，仿真结果中同时给出了利用N点数据进行时延估计的理论CRLB(Cramér-Rao lower bound，克拉美-罗下限)：

$\mathrm{CRLB}\left(\hat{R}\right)=\frac{6}{\mathrm{\γ}{N}^2(N-1)}$

其中， $\mathrm{\γ}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{A}^2/2{\mathrm{\σ}}^2$ 为信噪比，A＝|d(k)|²为信号d(k)的能量，σ²为高斯白噪声n(t)的方差。

从图8的仿真结果可以看出，对于多载波信号的定位方法，基于超分辨率的算法的定位精度明显比基于相关峰检测的定位算法精度高，而本发明所提出的定位方法，其精度高于上述两类算法。例如，当信噪比E_b/N₀为20dB时，Mensing法(请参见背景技术中所提到的文献[2])是基于相关峰检测这类算法中精度较高的方法，其定位精度约为3.5米，而基于超分辨率算法的这类算法中，MP法具有较高的精度，其定位的精度为0.22米，而本发明所提出的定位方法的精度为0.018米，达到了厘米量级的定位精度。图8的仿真结果还表明，本发明所提出的定位算法在低信噪比时的估计性能也仅仅只有较小的损失，而在E_b/N₀大于8dB时则几乎接近理论下界。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种TOA定位的估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：先将包含于多载波数字电视信号中的定位数据经过传输时延后得到的接收信号变换到频域，将上述变换得到的频域信号乘以定位数据的频域信号的共轭以去除定位数据的频域信号本身的相位信息，对该结果进行延时自相关计算，并对求出的延时自相关序列进行差分运算，最后对所得的差分序列取相位并求平均，从而得到多载波数字电视信号的传输时延细估计值，其中，所述时域的定位数据为已知的序列；

所述已知的序列为m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种，或者上述各序列中的一种经逆傅里叶变换到时域后得到的序列。

2.如权利要求1所述的TOA定位的估计方法，其特征在于，所述时域的定位数据位于多载波数字电视信号的信号帧中已有的保护间隔或者数字信号帧的帧体中。

3.一种精确定位方法，其基于权利要求1～2之任一项所述的TOA定位的估计方法进行定位，其特征在于，所述定位方法包括步骤：

S1，发射带有定位信息的多载波数字电视信号；所述定位信息包括发射端的二维或三维坐标位置信息和定位数据，所述定位数据为已知的序列，所述已知的序列为m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种，或者上述各序列中的一种经逆傅里叶变换到时域后得到的序列；

S2，对接收到的所述多载波数字电视信号进行时域帧同步，获取帧号信息和本帧信号的起始时刻，从而得到传输时延粗估计值；

S3，截取所述定位信息中的定位数据，利用权利要求1～2之任一项所述的TOA定位的估计方法计算得到传输时延细估计值，并利用所述传输时延粗估计值与传输时延细估计值之和计算得到接收端与发射端之间距离的估计值；

S4，求出接收端与多个发射端之间距离的估计值之后，根据所述距离的估计值以及所述二维或三维坐标位置信息使用定位算法计算得到用户所在位置的二维或三维位置信息以及二维或三维速度信息。

4.如权利要求3所述的精确定位方法，其特征在于，所述三维坐标位置信息插入在可扩展的多载波数字电视系统中的系统信息中发射，所述系统信息至少包括保护间隔长度、数据调制方式、编码方式和发射分集标识符。

5.如权利要求3所述的精确定位方法，其特征在于，在所述步骤S2中，接收端利用相邻数字电视信号帧的保护间隔的相同/相似性或者该保护间隔结构本身的相同/相似性，通过相关峰检测的方法完成时域帧同步，从而得到传输时延粗估计值。

6.如权利要求3所述的精确定位方法，其特征在于，所述的二维位置信息包括用户所在位置的经度、纬度，所述的三维位置信息包括用户所在位置的经度、纬度、高度。

7.如权利要求3所述的精确定位方法，其特征在于，所述二维或三维速度信息通过相邻两帧或多帧的时间内获得的二维或三维定位信息计算得到。

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