CN102012499A - 基于中国地面数字电视单频网的定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位方法及系统，解决了定位处理中伪距测量、区分发射塔的问题。该方法包括步骤：S1.在发射端将传输参数信令(TPS)信号时分复用；S2.接收机将接收到的时域训练序列与本地伪随机噪声(PN)序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计；S3.将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得各发射塔发送信号的整数倍和小数倍时延估计；S4.根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号传输时延进而获得来自各发射塔的信号之间的传输时延差，计算伪距差，利用双曲线交点定位接收机。本发明的方法最大程度地兼容了原有地面数字电视系统，且定位精度较高。

Description

基于中国地面数字电视单频网的定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，尤其涉及一种基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位方法及系统。

背景技术

目前已有的利用卫星进行的导航定位的手段，如美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，还有已研制成功投入使用的或正在研制的，如俄罗斯的全球导航卫星系统(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE，GLONASS)、欧盟的伽利略全球定位系统(GALILEO)，以及中国的北斗卫星导航系统。其中美国的GPS系统是现在全球定位系统中最为常见和最为成熟的，该系统历时16年、耗资130亿美元建成，由24颗卫星组网。全球很多国家都在使用这个系统，GPS系统可用于定位、导航、测量和授时等各种用途，尤其是可以进行全天候的、实时的三维定位。目前GPS星座的精确性在米级。随着下一代卫星在轨数量的增加，GPS IIF卫星的精确性将是其上一代的两倍。因此，多数GPS IIF卫星进入太空之后，将可以为地面接收机提供更高的精度。

但卫星信号传输很远的距离，接收信号的强度很弱，很容易受到干扰，在室内或地下室，很难完成定位。此外，电离层的干扰以及卫星高速运动造成的多普勒效应等多种因素也导致了定位精度的降低。

工作在较低频率的地面数字电视系统则没有GPS的上述困扰，因为其接收信号功率比GPS的要高40dB，覆盖范围可达几十公里，这就使得利用地面数字电视系统定位成为卫星定位有力的辅助和补充手段。电视发射塔位置固定，接收机不用实时更新位置信息，而且也没有GPS中卫星高速运动产生的多普勒频移；同时，由于是地面传输，信号不会受到电离层的各种不利影响。这些优点可以降低基于数字电视信号的定位系统的设计难度，降低定位算法的信号处理复杂度。

其中，中国的地面数字电视标准，比欧洲的DVB-T(地面数字视频广播)接收门限低2dB，接收灵敏度大幅提高，因而更大的区域可以被覆盖到；且采用了快速信道估计技术，使得用于系统同步和信道估计的时间缩短很多，有利于缩短定位耗时；其时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)信号可以被充分利用来完成定位功能。

多载波形式的正交频分复用(OFDM)信号在抗多径效应方面有着天然的优势，而且实现复杂度很低，因此在无线广播和通信领域如DVB-T、IEEE 802.11a/g、802.11n、WiMAX、UWB、LTE等都得到了广泛的应用，被认为是下一代无线网络中的物理层核心技术。因此，以OFDM为基础的无线定位技术在近年来引起了广泛的研究兴趣，已有为数不多的文献研究了基于OFDM信号的定位问题。最新的文献表明，利用OFDM信号进行定位的方法主要有两类，一类是传统的基于定时同步算法进行相关运算，另一类是基于现代频谱估计技术的多信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)、最大似然(Maximum Likelihood，ML)等算法。前者受制于采样率，精度不高；后者有较高精度，但复杂度也高。

中国现有地面数字电视广播系统的TDS-OFDM信号区别于一般循环前缀频分复用(CP-OFDM)的突出特点就是，前者是时频域处理相结合的技术，后者是纯频域处理的技术，此独特之处为联合时频域进行定位提供了有利条件。

在中国地面数字电视传输标准中，TDS-OFDM信号帧体中的传输参数信令(TPS)，目前为止一直被用于为每信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号星座映射模式、低密度校验编码(LDPC)的码率、交织模式信息、或帧体信息模式等，以此来辅助解调帧体中的数据，获得数字电视节目。低阶调制、内容少而固定、多载波、以及所在子载波位置固定等等这些特点，使得TPS的用途可以进一步扩展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：提供一种受到的定位干扰小、定位耗时短、且定位精度高的定位方法及系统。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种基于中国地面数字电视单频网的定位方法，该方法包括步骤：

S1.在发射端将传输参数信令TPS信号时分复用；

S2.接收机将接收到的时域训练序列与本地伪随机噪声PN序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计；

S3.将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得来自各发射塔的信号的整数倍和小数倍时延估计；

S4.根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号的传输时延，进而获得来自各发射塔的信号之间的传输时延差，计算伪距差，利用双曲线交点定位接收机。

其中，发射塔位置预存在接收机内或预置在帧体内随信号发送，接收机接收到信号后，在进行原有的电视节目数据恢复处理的同时进行定位。

其中，在步骤S1中，时分复用方法具体为，在一个信号帧中，只有一个发射塔发送TPS信号，其它发射塔在所述TPS对应的位置发送0；在下一个信号帧中，另一个发射塔发送TPS信号，其它发射塔在所述TPS对应的位置发送0；在一个信号帧中，接收机只接收到来自一个发射塔的TPS信号。

其中，在步骤S2中，将相关运算获得的所有整数倍时延初估计与首个信号的整数倍时延比较，得到整数倍差分时延的初估计。

其中，步骤S2中，在得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计之前，利用获得的信号接收和发射时间来辅助得出来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围，包括步骤：

接收机从任一时刻t_r开始，检测信号帧的到达时间，经过时间θ_mT_s的检测确认信号帧的起始位置，并获得所述信号帧的帧号；

根据所述帧号获得所述信号帧的发射时间t_s；

由检测开始时刻及所述检测时间得到所述信号帧的到达时间，并根据所述发射时间，由τ′_m，d＝t_r+θ_mT_s-t_s获得来自各发射塔的信号的传输时延τ′_m，d；

由τ′_m，d/T_s辅助获得来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围。

其中，在步骤S3中得到所述整数倍时延估计的步骤包括：

S3.11对接收到的信号补偿步骤S2的相关运算得到的首个整数倍时延后，得到含有整数倍差分时延以及小数倍时延的接收信号；

S3.12从步骤S3.11得到的所述接收信号中根据TPS所在的位置提取接收到的TPS信号，并将解调判决后的TPS看成已知的频域导频，用接收到的TPS信号除以已知导频，从而得到简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS信号；

S3.13根据步骤S3.12得到的所述接收到的TPS所在帧的帧号，根据TPS的时分复用信息来区分当前接收到的TPS来自哪个发射塔；

S3.14对于与各发射塔对应的TPS信号，对相邻子载波上的TPS信号进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，得到对应来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计；

S3.15将步骤S2的相关运算获得的整数倍差分时延初估计结果中与步骤S3.14得到的来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计最接近的值作为最终结果，在此值的基础上加上步骤S2的相关运算获得的首个相关峰的整数倍时延，从而得到来自各发射塔的信号的整数倍时延估计。

其中，在步骤S3中得到所述小数倍时延估计的步骤包括：

S3.21对步骤S3.12所述简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS补偿步骤S3.15中所得到的整数倍差分时延；

S3.22将步骤S3.21中所述的补偿后的整数倍差分时延的TPS信号在频域上等分为两部分，分别位于数字电视频谱的两端，将这两部分TPS按照一一对应的关系进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，从而得到对应来自各发射塔的信号的小数倍时延估计。

其中，在步骤S4中，从接收到的TPS信号的相位信息中提取传输时延。

其中，在步骤S4中，定位接收机的方法为：利用传输时延差计算伪距差进行双曲线交点定位；或直接利用传输时延确定伪距，建立方程组，将接收机位置以及发射塔与接收机的公共时钟误差均作为未知量进行求解。

本发明还提供了一种基于中国地面数字电视单频网的定位系统，该系统包括：时分复用模块，用于在发射端将传输参数信令TPS信号时分复用；相关模块，用于将接收到的时域训练序列与本地伪随机噪声PN序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计；频域处理模块，用于将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得来自各发射塔的信号的整数倍和小数倍时延估计；定位模块，用于根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号的传输时延及传输时延差，并定位接收机。

(三)有益效果

本发明的方法及系统在保证中国地面数字电视系统的基本框架的前提下，可区分数字电视单频网中不同的发射塔，得到不同发射塔与接收机之间的精确的距离差，从而实现基于中国地面数字电视单频网的无线定位系统方案。首次利用TDS-OFDM信号本身的时频二维特性——PN序列良好的自相关特性、TPS信号的多载波特性，并将TPS时分复用后看作正交的频域导频，进行时频二维联合定位，将中国地面数字电视广播系统拓展为同时兼有时域和频域训练符号的系统，受到的定位干扰小、定位耗时短、且定位精度高的定位方法及系统。同时也可以将这一思路运用到中国地面数字电视广播系统的同步、信道估计等处理中，且本发明的创新思路也可以应用到具有类似特征的序列符号和系统中，以及系统的同步、信道估计等处理中。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的基于中国地面数字电视单频网的定位方法流程图；

图2为基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位拓扑图；

图3为TDS-OFDM信号帧结构；

图4为在中国地面数字电视视频网中各发射塔时分复用TPS信号的示意图；

图5为中国数字电视底面广播信号的复帧结构；

图6为利用TDS-OFDM信号帧结构和自然时间同步的特性来辅助估计传输时延范围的示意图；

图7为在中国地面数字电视单频网中区分来自不同发射塔的信号的示意图；

图8(a)接收机内TDS-OFDM信号原有处理的基带框图；

图8(b)接收机内在TDS-OFDM信号原有处理基础上进行定位的基带框图。

具体实施方式

对于本发明所提出的基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位方法及系统，现结合附图和实施例详细说明。

本发明的方法及系统在保证中国地面数字电视系统的基本框架的前提下，可区分数字电视单频网中不同的发射塔，得到不同发射塔与接收机之间的精确的距离差，从而实现基于中国地面数字电视单频网的无线定位系统方案。如图1所示，依照本发明一种实施方式的基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位方法，包括步骤：

S1.在发射端将TPS信号时分复用。

在单频网内，各发射塔在同一时间用同一频率发送相同信号，发射塔之间保持绝对的时间同步。为达到首次将TPS信号用作定位的目的，在发射端将TPS进行时分复用，某一信号帧中，单频网中只有某一发射塔发送TPS信号，其他发射塔在TPS对应的位置发送0；在下一信号帧中，另一发射塔发送TPS，其余发射塔发送0，依次类推。在某一信号帧中，用户接收机只接收到来自某一特定发射塔的TPS。而各发射塔位置已知，可以作为已知信息存储在接收机中，或预置在帧体内随信号发送。接收机接收到TDS-OFDM信号后，在进行原有的电视节目数据恢复处理的同时，完成定位步骤。

S2.接收机将接收到的时域训练序列与本地PN序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计，并获取信号帧的帧号。将获得的所有整数倍时延初估计，再与首个信号的整数倍时延比较，形成整数倍差分时延的初估计。

利用接收机中基于滑动相关的定时同步算法可以得到发射塔发送信号的整数倍时延初估计，也可以在得到初估计之前，利用获得的信号接收和发射时间来辅助得出来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围，包括以下步骤：

接收机从任一时刻t_r开始，检测信号帧的到达时间，经过一段时间θ_mT_s的检测后确认信号帧的起始位置，并获得所述信号帧的帧号；

根据所述帧号获得所述信号帧的发射时间t_s；

由检测开始时刻及所述检测时间得到所述信号帧的到达时间，并根据所述发射时间，由τ′_m，d＝t_r+θ_mT_s-t_s获得来自各发射塔的信号的大致传输时延τ′_m，d；

由τ′_m，d/T_s辅助获得来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围。

S3.将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得各发射塔发送信号的整数倍和小数倍时延估计；

上述频域处理中得出信号整数倍时延部分步骤包括：

S3.11对接收到的信号补偿步骤S2的相关运算得到的首个整数倍时延后，得到含有整数倍差分时延以及小数倍时延的接收信号；

S3.12从步骤S3.11得到的接收信号中根据TPS所在的位置提取接收到的TPS信号，并将解调判决后的TPS看成已知的频域导频，用接收到的TPS信号除以已知导频，从而得到简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS信号；

S3.13根据步骤S3.12得到的所述接收到的TPS所在帧的帧号，根据TPS的时分复用信息来区分当前接收到的TPS来自哪个发射塔；

S3.14对于与各发射塔对应的TPS信号，对相邻子载波上的TPS信号进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，得到对应来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计；

S3.15将步骤S2的相关运算获得的整数倍差分时延初估计结果中与步骤S3.14得到的来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计最接近的值作为最终结果，在此基础上加上步骤S2的相关运算获得的首个相关峰的整数倍时延，从而得到来自各发射塔的信号的整数倍时延估计。

上述频域处理得出小数倍时延部分步骤包括：

S3.21对步骤S3.12所述简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS补偿S3.15中所得到的整数倍差分时延；

S3.22将步骤S3.21中所述的补偿后的整数倍差分时延的TPS信号在频域上等分为两部分，分别位于数字电视频谱的两端，将这两部分TPS按照一一对应的关系进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，从而得到对应来自各发射塔的信号的小数倍时延估计。

S4.经过了时频二维处理后，合并整数倍和小数倍时延，乘上抽样间隔时间得出完整传输时延估计，进而获得来自各发射塔信号之间的差分传输时延估计，计算伪距差，利用双曲线交点定位来定位接收机。定位接收机可利用各发射塔之间的伪距差进行双曲线交点定位实现，也可以直接利用传输时延估计算出的伪距形成方程组，将接收机位置以及发射塔与接收机的公共时钟误差均作为未知量进行求解。

以下以具体的实施例来说明本发明的定位方法。如图2所示为基于中国地面数字电视单频网的利用TDOA进行定位的拓扑图。在单频网内，将来自多个发射塔的下行TDS-OFDM信号，经处理获得伪距差后进行定位。本实施例中涉及的TDS-OFDM信号，其帧结构如图3所示。在本实施例的时频二维联合定位方法流中，在步骤S1，各发射塔发送时分复用TPS，其复用情况如图4所示。在发射端将TPS进行时分复用，某一信号帧中，单频网中只有某一发射塔发送TPS信号，其他发射塔在TPS对应的位置发送0；在下一信号帧中，另一发射塔发送TPS，其余发射塔发送0，依次类推。在某一信号帧中，用户接收机只接收到来自某一特定发射塔的TPS。时分复用TPS可定义如下：

其中

表示第i信号帧中，第m个发射塔中第k个子载波上的TPS，M为发射塔的个数，Ψ＝[0，1，...，Q]∪[Δ，Δ+1，...，Δ+Q]表示TPS所在的子载波序号集合。在中国地面数字电视标准中，Q＝17，Δ＝3762。由式(1)可知，当接收机知道当前帧号i时，再由TPS时分复用情况就知道当前接收到的TPS是来自于哪个发射塔。

各发射塔位置已知，可以作为已知信息存储在接收机，或预置在帧体内随信号发送。无需对中国地面数字电视系统做改变；且接收机接收到TDS-OFDM信号后，在进行原有的电视节目数据恢复处理的同时，完成定位步骤，并不影响原来数字电视节目的接收。

接收到的信号帧格式如图5所示，是一种4层结构。帧结构顶层为日帧，以一个公历自然日为周期进行重复，时长24小时，由1440个分帧构成。分帧定义为480个超帧，时长1分钟。超帧定义为一组信号帧，时长125毫秒，8个超帧为1秒，这样便于与定时系统(如GPS)校准时间。帧结构的基本单元是信号帧，由帧头和帧体两部分组成，其中帧头有三种模式，PN420、PN595、PN945，每种模式对应的帧体长度和超帧的长度都保持不变。由上述可知，帧结构与自然时间保持同步。获得了帧号，就可以知道此帧发射时间；同时，由于一帧只有一个发射塔可以发送TPS，也就知道了此帧对应哪个发射塔。

在步骤S2中，接收机将本地PN序列p(n)，与接收到的信号r(n)进行相关

$\mathrm{Corr}\left(d\right)=\underset{n=0}{\overset{N_p-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(n-d)p\left(n\right)---\left(2\right)$

其中N_p是PN序列的长度，r^*(n)表示r(n)的复共轭，Corr(d)表示滑动距离为d时的相关结果。由于训练序列本身具有良好的自相关特性，当本地训练序列p(n)与接收训练序列r(n)对齐时，将会得到一个非常尖锐的相关峰。因此，相关峰出现的位置为：

d_m＝θ_m，I，0≤m≤M-1    (3)

在得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计之前，也可以利用获得的信号接收和发射时间来辅助得出来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围。从任一个时刻t_r开始，检测信号帧的到达时间，经历了θ_mT_s(检测时间)后出现相关峰，由此确认信号帧的起始位置，并获得此帧的帧号；利用TDS-OFDM信号的帧结构与自然时间严格同步的特点，依据帧号得出此帧的发射时间t_s；如图6所示，为利用TDS-OFDM信号帧结构和自然时间同步的特性来辅助估计整数倍时延的示意图所示，由检测开始时刻和检测时间得到到达时间，和发射时间一起得出各发射塔信号大致传输时延：

τ′_m，d＝t_r+θ_mT_s-t_s          (4)

其中，m表示发射塔编号。又因为有传播时间

τ_m，d＝(θ_m，I+θ_m，F)·T_s    (5)

其中，θ_m，I为整数倍时延，θ_m，F为小数倍时延；当τ′_m，d和τ_m，d误差相差不多时，τ′_m，d/T_s，获得大致的归一化传输时延，进而可以辅助获得来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围。

在补偿首个相关峰对应的整数倍时延θ_0，I后，接收到的IDFT频域信号变为

$Y_k=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(H_{m,k}{X}_{m,k}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{\mathrm{k\θ}}_{m,F}}\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{m,I}}+V_k---\left(6\right)$

其中

是第m发射塔的传输时延θ_m，I与θ_0，I之间的差值。

然而，式(2)中得到的相关峰个数在多径情况下通常大于发射塔个数，因此用户无法区分不同的发射塔。此外，具有相同TOA的不同发射塔所对应的相关峰有可能会重叠在一起(比如接收机位于两个发射塔之间)，此时接收机也无法进行区分。为了解决这些问题，可以利用前面提到的时分复用的TPS。

由于TPS进行了时分复用，那么在第i个信号帧所接收到的TPS信号

可以表示为

其中

表示第i帧的信号频域响应。

TPS信号为每信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号星座映射模式、LDPC的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。系统中预设了64种不同的系统信息模式，6比特的系统信息采用扩频技术变换为32比特长的系统信息矢量，采用I、Q相同的4QAM映射成32个复符号，在其前面再加4个复符号(同样采用I、Q相同的4QAM调制)作为数据帧体模式的指示，形成具有36个符号的TPS信号。在发射端，TPS信号与数据符号复用后，36个符号分布在头部，在帧体数据处理时，经过频域交织和IDFT，其中频域交织有两次交织，第一次将36个符号近乎均匀地穿插在帧体剩下的3744个数据符号中，第二次交织又将分散的符号相对集中起来，形成头尾各18个符号，同时两次交织都涉及到数据符号，所以在接收机频域解交织之前，36个符号分成两组，每组18个符号分别在帧体头部和尾部，如图2中TDS-OFDM信号帧的时频结构所示。去掉帧头后，剩下的OFDM符号中，每个符号因位置不同而受信道影响不同。

在步骤S3中，将TPS看作频域导频，那么第m个发射塔所对应的TPS接收信号就可以简化为：

$R_k=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{m,I}+{\mathrm{\θ}}_{m,F})}+W_k,k\∈\mathrm{\Ψ}---\left(8\right)$

这里为了简便起见，省去了帧号上标i，W_k＝V_k/(H_m，kP_m，k)为噪声项。

为了区分式(2)中得到的多个相关峰，整数倍差分时延

可由下式估计得到：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{m,I}=\frac{N}{2}\arg \{\underset{k=0}{\overset{Q-2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k^{*}{R}_{k+1}+\underset{k=\mathrm{\Δ}}{\overset{\mathrm{\Δ}+Q-2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k^{*}{R}_{k+1}\},0\≤m\≤M-1,---\left(9\right)$

其中arg{x}表示复数信号x的相位。

由于TPS经过了时分复用，接收机在每个信号帧只能接收到来自某一个发射塔的TPS，因此经过M个信号帧后，接收机通过式(9)可以获得M个整数倍差分时延θ_m，I，的估计值。将这些估计值与式(2)最邻近的值对应，即可得到第m个发射塔的整数倍时延估计：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{m,I}=d_0+<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m,I},{\{d_m-d_0\}}_{m=0}^{M-1}>,0\&le;m\&le;M-1,---\left(10\right)$

这里表示集合

中与θ_m，I最相近的元素，如图7所示。

在补偿了式(9)所得的整数倍差分时延θ_m，I后，接收机中与第m个发射塔对应的TPS可表示为：

$R_k=e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}{\mathrm{k\&theta;}}_{m,F}}+W_k,k\&Element;\mathrm{\&Psi;}.---\left(11\right)$

于是，小数倍时延θ_m，F的估计可以根据下式得到：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{m,F}=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;\&Delta;}}\arg \left\{\underset{k=0}{\overset{N-1-\mathrm{\&Delta;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_k^{*}{R}_{k+\mathrm{\&Delta;}}\right\}.---\left(12\right)$

在步骤S4中，第m个和第n个发射塔与用户接收机之间的距离差为：

${\hat{D}}_{m,n}={\hat{D}}_m-{\hat{D}}_n=({\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{m,I}+{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{m,F}-{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{n,I}-{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{n,F})T_{s}c,---\left(13\right)$

其中c＝3×10⁸为光速，

和

分别表示第m个和第n个发射塔与接收机之间的距离。

由于TPS的时分复用，接收机知道当前信号中的TPS是由哪个发射塔发送过来的，因此式(13)中所得的距离差所对应的发射塔也是已知的。在数字电视单频网中，发射塔的位置固定不变，可以预先存储在接收机中，或预置在帧体内随信号发送，因此接收机可以得到不同发射台的位置信息及其对应的TDOA。最后，发射塔的位置信息及其对应的TDOA信息将直接用于图1所示的双曲线定位。

整个定位过程只是在接收机内TDS-OFDM信号进行原有的电视节目数据恢复处理的同时，完成定位步骤，如图8(a)-8(b)所示的接收机内TDS-OFDM信号原有处理以及在此基础上进行定位的基带对比所示。

对PN序列和TPS信号的时、频域二维处理，充分利用了TDS-OFDM信号的时频二维特性，可以比只用时域精度高、比只用频域复杂度低；并且对TPS的时分复用，可以简单快捷地区分发射塔，实现完整的定位功能；而且无需对中国地面数字电视系统现有信号和设备作改变，在最大兼容程度的基础上，实施较高精度的定位。

本发明还提供了一种基于中国地面数字电视单频网的时频二维联合定位系统，该系统包括：时分复用模块，用于在发射端将TPS信号时分复用；相关模块，用于将接收到的时域训练序列与本地PN序列相关，得到各发射塔发送信号的整数倍时延的初估计；频域处理模块，用于将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得各发射塔发送信号的整数倍和小数倍时延估计；定位模块，用于根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号的传输时延及传输时延差，并定位接收机。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.在发射端将传输参数信令TPS信号时分复用；

S2.接收机将接收到的时域训练序列与本地伪随机噪声PN序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计；

S3.将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得来自各发射塔的信号的整数倍和小数倍时延估计；

S4.根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号的传输时延，进而获得来自各发射塔的信号之间的传输时延差，计算伪距差，利用双曲线交点定位接收机。

2.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，发射塔位置预存在接收机内或预置在帧体内随信号发送，接收机接收到信号后，在进行原有的电视节目数据恢复处理的同时进行定位。

3.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S1中，时分复用方法具体为，在一个信号帧中，只有一个发射塔发送TPS信号，其它发射塔在所述TPS对应的位置发送0；在下一个信号帧中，另一个发射塔发送TPS信号，其它发射塔在所述TPS对应的位置发送0；在一个信号帧中，接收机只接收到来自一个发射塔的TPS信号。

4.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S2中，将相关运算获得的所有整数倍时延初估计与首个信号的整数倍时延比较，得到整数倍差分时延的初估计。

5.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，步骤S2中，在得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计之前，利用获得的信号接收和发射时间来辅助得出来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围，包括步骤：

接收机从任一时刻t_r开始，检测信号帧的到达时间，经过时间θ_mT_s的检测确认信号帧的起始位置，并获得所述信号帧的帧号；

根据所述帧号获得所述信号帧的发射时间t_s；

由检测开始时刻及所述检测时间得到所述信号帧的到达时间，并根据所述发射时间，由τ′_m，d＝t_r+θ_mT_s-t_s获得来自各发射塔的信号的传输时延τ′_m，d；

由τ′_m，d/T_s辅助获得来自各发射塔的信号的整数倍时延的范围。

6.如权利要求4所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S3中得到所述整数倍时延估计的步骤包括：

S3.11对接收到的信号补偿步骤S2的相关运算得到的首个整数倍时延后，得到含有整数倍差分时延以及小数倍时延的接收信号；

S3.12从步骤S3.11得到的所述接收信号中根据TPS所在的位置提取接收到的TPS信号，并将解调判决后的TPS看成已知的频域导频，用接收到的TPS信号除以已知导频，从而得到简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS信号；

S3.13根据步骤S3.12得到的所述接收到的TPS所在帧的帧号，根据TPS的时分复用信息来区分当前接收到的TPS来自哪个发射塔；

S3.14对于与各发射塔对应的TPS信号，对相邻子载波上的TPS信号进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，得到对应来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计；

S3.15将步骤S2的相关运算获得的整数倍差分时延初估计结果中与步骤S3.14得到的来自各发射塔的信号的整数倍差分时延估计最接近的值作为最终结果，在此值的基础上加上步骤S2的相关运算获得的首个相关峰的整数倍时延，从而得到来自各发射塔的信号的整数倍时延估计。

7.如权利要求6所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S3中得到所述小数倍时延估计的步骤包括：

S3.21对步骤S3.12所述简化的含有整数倍差分时延和小数倍时延的接收到的TPS补偿步骤S3.15中所得到的整数倍差分时延；

S3.22将步骤S3.21中所述的补偿后的整数倍差分时延的TPS信号在频域上等分为两部分，分别位于数字电视频谱的两端，将这两部分TPS按照一一对应的关系进行共轭相乘、取和、及提取相位处理，从而得到对应来自各发射塔的信号的小数倍时延估计。

8.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S4中，从接收到的TPS信号的相位信息中提取传输时延。

9.如权利要求1所述的基于中国地面数字电视单频网的定位方法，其特征在于，在步骤S4中，定位接收机的方法为：利用传输时延差计算伪距差进行双曲线交点定位；或直接利用传输时延确定伪距，建立方程组，将接收机位置以及发射塔与接收机的公共时钟误差均作为未知量进行求解。

10.一种基于中国地面数字电视单频网的定位系统，其特征在于，该系统包括：

时分复用模块，用于在发射端将传输参数信令TPS信号时分复用；

相关模块，用于将接收到的时域训练序列与本地伪随机噪声PN序列相关，得到来自各发射塔的信号的整数倍时延的初估计；

频域处理模块，用于将解调判决后的TPS看作正交频域导频进行处理，获得来自各发射塔的信号的整数倍和小数倍时延估计；

定位模块，用于根据所述整数倍和小数倍时延估计，得到信号的传输时延及传输时延差，并定位接收机。

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