基于數(shù)字電視廣播信號(hào)的高精度定位方法

王仲豪

摘要：主要提出一種利用地面數(shù)字廣播信號(hào)進(jìn)行高精度定位的方法。該方法基于時(shí)域上PN信號(hào)的互相關(guān)和分?jǐn)?shù)倍延遲的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谠摲椒ǎ覀冞M(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法在標(biāo)準(zhǔn)信道下只需要很低的復(fù)雜度就可以達(dá)到最高約0.25米的定位精度，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：定位；數(shù)字廣播信號(hào)；數(shù)字電視地面廣播；到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.096

1背景與簡(jiǎn)介

到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)（TDOA，Time Difference of Arrival），是一種無(wú)線定位技術(shù)。不同于使用絕對(duì)時(shí)間定位的技術(shù)，TDOA技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)發(fā)射基站的信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)接收臺(tái)的位置，降低了時(shí)間同步要求。

基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)，是通過(guò)廣義互相關(guān)來(lái)提取不同地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，從而確定定位接收機(jī)的位置。由于TDOA定位技術(shù)的精度直接取決于測(cè)得時(shí)間差的精度，因此基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)的精度絕大部分取決于通過(guò)廣義互相關(guān)提取到的時(shí)間差的精度。但是由于廣義互相關(guān)提取到的時(shí)間差是表現(xiàn)在整數(shù)倍的采樣周期延遲上的，因此對(duì)于離散的數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，廣義互相關(guān)提取時(shí)間差技術(shù)僅僅能精確的得到整數(shù)倍采樣周期的延遲，而表現(xiàn)在信號(hào)相位上的小數(shù)倍時(shí)間延遲并不能簡(jiǎn)便且精確的檢測(cè)出來(lái)。這種提取時(shí)間差的誤差限制導(dǎo)致基于地面數(shù)字電視廣播的TDOA定位技術(shù)無(wú)法達(dá)到很高的精度。

在研究中，我們發(fā)現(xiàn)地面數(shù)字電視廣播信號(hào)的幀頭由PN序列構(gòu)成，幀頭信息不隨發(fā)送的數(shù)據(jù)改變而改變；將接收到的信號(hào)與已知的構(gòu)成幀頭的PN序列進(jìn)行相關(guān)，并利用PN序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，通過(guò)檢測(cè)相關(guān)峰的峰值的相對(duì)位置，就可以估計(jì)出不同的地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)所發(fā)射出的電視信號(hào)到達(dá)定位接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差。利用PN相關(guān)的方法能檢測(cè)出整數(shù)倍采樣周期的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，而利用分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器可以檢測(cè)出不同地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)信號(hào)到達(dá)定位接收機(jī)的分?jǐn)?shù)倍到達(dá)時(shí)間差，從而得到更為精確的距離信息。

2方法與實(shí)現(xiàn)

2.1數(shù)字電視信號(hào)的格式

在本文中，我們采用的是數(shù)字電視地面廣播格式（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting）的信號(hào)作為T(mén)DOA定位的基礎(chǔ)信號(hào)。該信號(hào)的結(jié)構(gòu)由超幀組成，每一個(gè)超幀都是由信號(hào)幀組成。信號(hào)幀作為超幀結(jié)構(gòu)的基本單元，由4200個(gè)符號(hào)組成，包含420個(gè)符號(hào)的幀頭和3780個(gè)符號(hào)的幀體，幀頭和幀體部分的符號(hào)帶寬都是7.56MHz。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在DTMB數(shù)字廣播系統(tǒng)中，廣播信號(hào)會(huì)從N個(gè)數(shù)字信號(hào)發(fā)射站發(fā)出。信號(hào)將沿著信道被接收器接受，并且理論上只會(huì)受到噪聲和多徑的干擾。

如圖1所示，接收機(jī)在接收信號(hào)后，首先將接收地面數(shù)字電視廣播信號(hào)由射頻轉(zhuǎn)為中頻并采樣取得離散信號(hào)，傳輸給基于相關(guān)的分?jǐn)?shù)倍時(shí)延TDOA檢測(cè)裝置與信噪比估計(jì)裝置。將離散信號(hào)與本地已知構(gòu)成幀頭的PN序列進(jìn)行相關(guān)處理，得到它們的互相關(guān)結(jié)果。利用PN序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，TDOA檢測(cè)裝置能檢測(cè)出整數(shù)倍采樣周期的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，并利用分?jǐn)?shù)倍時(shí)延檢測(cè)器的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器檢測(cè)出不同地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)信號(hào)到達(dá)定位接收機(jī)的分?jǐn)?shù)倍到達(dá)時(shí)間差。信噪比估計(jì)裝置，通過(guò)對(duì)接收到的信噪比進(jìn)行估計(jì)，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器參數(shù)，將計(jì)算得到的補(bǔ)償值傳輸給接收機(jī)位置計(jì)算裝置。接收機(jī)位置計(jì)算裝置利用TDOA算法處理各個(gè)時(shí)間差并將位置坐標(biāo)輸出。同時(shí)由于噪聲會(huì)對(duì)到達(dá)時(shí)間差的估計(jì)精度帶來(lái)負(fù)面的影響，系統(tǒng)根據(jù)信噪比估計(jì)裝置檢測(cè)出的電視信號(hào)信噪比SNR來(lái)自適應(yīng)地對(duì)時(shí)間延遲差的偏差進(jìn)行補(bǔ)償校正，提高檢測(cè)精度。

如圖2所示，在基于相關(guān)的分?jǐn)?shù)倍時(shí)延TDOA檢測(cè)裝置中有獨(dú)立的模塊分別相關(guān)和分離電視信號(hào)，并檢測(cè)與合并電視信號(hào)的時(shí)間延遲。依據(jù)該檢測(cè)結(jié)果，接收機(jī)位置計(jì)算裝置將使用TDOA算法處理各個(gè)時(shí)間差并得到位置輸出，并且根據(jù)信噪比估計(jì)裝置檢測(cè)出的電視信號(hào)信噪比SNR來(lái)自適應(yīng)地對(duì)檢測(cè)偏差進(jìn)行補(bǔ)償校正，以提高檢測(cè)精度。

信號(hào)在信道中傳播的過(guò)程中擁有了時(shí)間延遲，這樣的時(shí)間延遲會(huì)體現(xiàn)在信號(hào)上并且可以通過(guò)自相關(guān)提取出來(lái)。由于地面數(shù)字電視廣播信號(hào)的幀頭是由預(yù)設(shè)的PN序列構(gòu)成的，因此可以在接收機(jī)將接收到的信號(hào)與本地的已知的構(gòu)成幀頭的PN序列同時(shí)送入相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)處理，就可以得到它們的互相關(guān)結(jié)果，而由于本身PN序列的自相關(guān)特性，包含PN序列的接受信號(hào)與送入相關(guān)器的PN序列會(huì)因?yàn)槠涔餐腜N序列而產(chǎn)生相關(guān)峰值，由于時(shí)間延遲會(huì)對(duì)信號(hào)中的PN序列產(chǎn)生延遲，那么得到的相關(guān)峰值也會(huì)產(chǎn)生位移和變形，這反映了信號(hào)的傳播時(shí)延。接收機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)分處不同坐標(biāo)的發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)的相關(guān)處理就可以得到信號(hào)到達(dá)不同接收機(jī)的傳播時(shí)延，由于絕對(duì)時(shí)延的不易檢測(cè)，因此使所有發(fā)射機(jī)保持時(shí)鐘同步就可以得到不同信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)間延遲差值，將時(shí)間延遲差值換算為距離并通過(guò)坐標(biāo)的幾何關(guān)系就可以得到接收機(jī)的坐標(biāo)完成定位。時(shí)間延遲差值由可以直接讀出的整數(shù)倍采樣周期的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差和不能直接讀出的分?jǐn)?shù)倍采樣周期的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差構(gòu)成。

由于地面數(shù)字電視廣播信號(hào)的相關(guān)峰值隨時(shí)間延遲具有的非線性的特性，使用線性的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器并不能提取出精確的小數(shù)倍延遲。因此如圖2所示，系統(tǒng)在檢測(cè)得到距離信息之前增加一個(gè)半整數(shù)延時(shí)估計(jì)模塊，通過(guò)人為的增加半整數(shù)倍的時(shí)間延遲，只取有較強(qiáng)線性的小數(shù)倍延遲區(qū)間作為檢測(cè)區(qū)間，將所有的小數(shù)倍延遲約束在線性較強(qiáng)的部分，就可以得到更精確的分?jǐn)?shù)倍時(shí)間延遲，最后再將檢測(cè)出的整數(shù)倍延時(shí)和分?jǐn)?shù)倍延時(shí)進(jìn)行合并即可。

2.3仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

對(duì)本文提出的基于數(shù)字電視信號(hào)的高精度定位系統(tǒng)，我們?cè)贛atlab Simulink上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)代表發(fā)出信號(hào)基站之間的信號(hào)延遲，縱坐標(biāo)代表實(shí)際測(cè)量計(jì)算出的信號(hào)延遲，紅線代表基準(zhǔn)的正確延遲，藍(lán)線代表使用分?jǐn)?shù)倍時(shí)延預(yù)測(cè)模型在不同的實(shí)際時(shí)延下對(duì)信號(hào)間時(shí)延進(jìn)行的估計(jì)，綠線代表使用分?jǐn)?shù)倍時(shí)延+半整數(shù)延時(shí)估計(jì)的模型在不同的實(shí)際時(shí)延下對(duì)信號(hào)間時(shí)延進(jìn)行的估計(jì)。

圖3上圖為信噪比較高（SNR=30dB）情況下的結(jié)果，我們可以看到，在噪聲較弱的情況下，兩種方法都能對(duì)信號(hào)時(shí)延的分?jǐn)?shù)倍部分進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計(jì)，這說(shuō)明我們使用分?jǐn)?shù)倍時(shí)延來(lái)對(duì)原有基于整數(shù)倍時(shí)延的TDOA技術(shù)改進(jìn)是可行的。而在噪聲較大的情況下，如圖3所示，我們可以看到系統(tǒng)依然能將估計(jì)誤差保持在較小的范圍，且綠線相比藍(lán)線更加準(zhǔn)確說(shuō)明我們的半整數(shù)延時(shí)估計(jì)方法起到了提升定位系統(tǒng)在實(shí)際噪聲環(huán)境下定位效果的作用。

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