基于數(shù)字電視無線廣播信號的定位模型和系統(tǒng)分析

張必成

（國家新聞出版廣電總局北京地球站 102206）

基于數(shù)字電視無線廣播信號的定位模型和系統(tǒng)分析

張必成

（國家新聞出版廣電總局北京地球站 102206）

本文通過對數(shù)字電視（DTV）無線廣播信號定位模型和系統(tǒng)的可行性和必要性的科學(xué)分析，提出了基于幀同步的數(shù)字電視無線廣播的定位原理，在此基礎(chǔ)上對其定位測距的特性進(jìn)行了科學(xué)的分析，即在一個歷元異步順序中就可以幾個或者多個測距的觀測值。同時，將相關(guān)偽距的觀測以及載波多普勒積分模型推導(dǎo)出來，然后確定了數(shù)學(xué)電視無線廣播新號的定位模型，即觀測和狀態(tài)模型，它在一定程度上對于獨立定位或者組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的顯著有效提高具有非常重要的意義，極大地彌補了傳統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不足與缺陷。

數(shù)字電視；無線廣播信號；定位；模型和系統(tǒng)

1 基于數(shù)字電視無線廣播信號定位系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

所謂定位系統(tǒng)主要是指同時接收空間中的多個已知坐標(biāo)以及時間基準(zhǔn)的無線電發(fā)射源所發(fā)射的輻射信號，在一定程度上就能將接收端用戶所在的具體地理位置確定下來，然后在空間的各種軌道衛(wèi)星上設(shè)置無線電發(fā)射源的定位系統(tǒng)，如美國的GPS，我國的北斗定位系統(tǒng)等，其覆蓋范圍非常大，在很大程度上已經(jīng)將無線電定位系統(tǒng)的發(fā)展提升到另一個新的高度。但是，類似GPS、“北斗”這樣的定位系統(tǒng)存在著許多缺陷與不足，如GPS技術(shù)主要采用的是可選擇性技術(shù)，在特殊情況下使用會受到不同程度的干擾；在市區(qū)內(nèi)的定位概率高，大約在60%左右，但是在室內(nèi)的定位概率為0；極易受多徑效應(yīng)、衛(wèi)星軌道誤差以及電離層延遲效應(yīng)的影響，故而衛(wèi)星從2000km的高空向地面發(fā)射信號會產(chǎn)生一定的定位誤差等。基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)存在著上述多方面的不足，近年來，隨著超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，依靠衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視無線廣播信號已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到世界范圍內(nèi)。目前，該定位系統(tǒng)在大規(guī)模的建設(shè)當(dāng)中，并且已經(jīng)在全球不同區(qū)域內(nèi)逐漸形成了以數(shù)字電視或者聲音廣播為基礎(chǔ)的廣播標(biāo)準(zhǔn)，用戶端不僅可以能夠成功接收到有效的消息，如數(shù)字音頻或視頻，并且能夠利用無線進(jìn)行定位。

2 數(shù)字電視無線廣播信號定位原理

2.1 定位原理和測距方法

目前，距離測量定位法是最主要和應(yīng)用非常廣泛的定位方法，定位時需要已知參考點與實際被側(cè)物之間的距離，其測量的方法主要有：①能量衰減測量法，即用已知電磁波的發(fā)射強度，來對剛接收到的電磁波強度進(jìn)行測量，從而推測出已知參考點與電磁波發(fā)射終端的實際距離。電磁波在空間的傳播過程中，在多種因素的共同影響下其能量呈現(xiàn)衰減的狀態(tài)，因此該方法的精度并不高。②傳播時間測量法，即利用已知電磁波的傳播速度，而電磁波的傳播時間往往與傳播距離成正比，因此需要對時鐘的精度、多徑效應(yīng)稍加注意?，F(xiàn)階段，這種測量方法的應(yīng)用最為普遍。

2.2 偽距數(shù)學(xué)模型

基于數(shù)字電視無線廣播信號定位系統(tǒng)主要是通過對廣播數(shù)據(jù)幀的實際傳播時間進(jìn)行測量，以此來對發(fā)射機和接收機之間的距離進(jìn)行計算。但是由于測量受時鐘誤差和多徑干擾等眾多誤差項的影響，故將其稱之為偽距，連續(xù)兩次的觀測量之間的差值成為△偽距。然而，數(shù)字電視無線廣播信號定位系統(tǒng)主要采用的是偽距法，這里的偽距主要指的是由數(shù)字廣播信號發(fā)射機天線到接收機信號之間的幾何距離以及系統(tǒng)誤差等。

3 數(shù)字電視無線廣播信號定位模型

數(shù)字信息以視頻和音頻等形式在進(jìn)行編碼和調(diào)制之后由數(shù)字電視發(fā)射機再以無線廣播信號的形式傳播出去，并且在調(diào)制的過程中主要采用正交頻分復(fù)用的形式。與此同時，數(shù)字電視接收機借助一定的載波跟蹤環(huán)恢復(fù)載波，利用數(shù)據(jù)碼進(jìn)行碼跟蹤。數(shù)字廣播的電視信號并不是嚴(yán)格根據(jù)專門的無限定位系統(tǒng)設(shè)計的，因此并不能向其他系統(tǒng)一樣通過對載波的跟蹤完成捕獲碼的相關(guān)任務(wù)，但是它有特有的基于數(shù)據(jù)幀的編碼功能，一方面對于數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性以及實時性的顯著提高具有非常重要的作用，另一方面，為數(shù)字電視廣播信號的定位系統(tǒng)對信號的捕獲、追蹤、提取和延時傳播提供重要的手段，從而極大地彌補了載波和碼跟蹤系統(tǒng)的缺陷與不足。此外，數(shù)字電視無線廣播信號定位模型主要有觀測方程和狀態(tài)方程兩種。

4 定位的具體流程

數(shù)字電視無線廣播信號定位主要包括定位建立準(zhǔn)備、計算和更新階段。

（1）定位建立和準(zhǔn)備階段。主要是先從數(shù)據(jù)庫中對當(dāng)?shù)貐^(qū)域的先驗數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，即發(fā)射載頻、臺制式以及地理坐標(biāo)等，然后進(jìn)行初始位置的設(shè)定工作和同步時序的建設(shè)工作，從而為準(zhǔn)確定位做好充足的準(zhǔn)備。

（2）定位計算階段。首先要對已經(jīng)接收到的信息進(jìn)行科學(xué)的處理，一般利用信道均衡算法以及調(diào)用信號進(jìn)行估計，然后從中將第一徑分量提取出來，即視距傳播靠近的。同時，基于無線信道有一定的復(fù)雜性，特別是在鬧市區(qū)，一個時段內(nèi)無線信道都有可能受到遮擋作用的影響，視距從根本上講是不存在的，為此就必須利用非視距的算法對視距進(jìn)行識別和重構(gòu)，從而為估計后面的參數(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。然后再利用恰當(dāng)?shù)乃惴▽λ惴ㄟM(jìn)行重新估計，由此得出時間量，再通過乘以無線電波的速度將偽距確定下來，緊接著就可以利用調(diào)用定位的算法將當(dāng)前位置準(zhǔn)確的計算出來。

（3）定位更新階段。憑借各方面的運動信息便可以對當(dāng)前位置與實際情況是否相符準(zhǔn)確的判斷出來，若不符合便將當(dāng)前值舍去，重新進(jìn)行計算，然后再根據(jù)實際情況的需要決定是否要繼續(xù)定位。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文對數(shù)字電視無線廣播信號定位系統(tǒng)產(chǎn)生的背景進(jìn)行了簡單的介紹，隨著超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，依靠衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視無線廣播信號已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到世界范圍內(nèi)。然后從定位原理和測距方法以及偽距數(shù)學(xué)模型對數(shù)字電視無線廣播信號定位原理和模型進(jìn)行了系統(tǒng)化的科學(xué)分析，指出模型主要包括觀測方程和狀態(tài)方程兩種，最后從定位建立和準(zhǔn)備階段、定位計算階段以及定位更新階段對定位的具體流程進(jìn)行了簡單的分析?？偠灾?，目前，該定位系統(tǒng)在大規(guī)模的建設(shè)當(dāng)中，并且已經(jīng)在全球不同區(qū)域內(nèi)逐漸形成了以數(shù)字電視或者聲音廣播為基礎(chǔ)的廣播標(biāo)準(zhǔn)，用戶端不僅可以能夠成功接收到有效的消息，如數(shù)字音頻或視頻，并且能夠利用無線進(jìn)行定位。

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2016-10-20