雷 華,馮新建,賀 信,李 悅

(1.陜西陸軍預備役高炮師,陜西 西安 710077;2.中國人民解放軍61541部隊,北京 100094)

0 引 言

隨著人們對基于位置的信息服務需求不斷增加,無線電定位技術受到了越來越多的關注。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)以其廣域覆蓋的巨大優(yōu)勢,將無線電定位技術發(fā)展到了一個新的高度,并在世界范圍內得到了廣泛應用。然而,由于GNSS信號容易受到遮擋和多徑等傳播因素的影響,其在城市密集城區(qū)和室內封閉區(qū)域無法保證定位精度的可靠性和可用性。在這種情況下,可以利用原本不用作導航定位的無線信號(如WLAN、電視臺廣播基站和移動電話基站傳輸?shù)男盘柕?,又稱作泛在無線信號[1](SoOs),輔助進行無縫定位。

本文所考慮的泛在無線信號是由數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)(DVB-T)單頻網(wǎng)[2]傳輸?shù)碾娨晱V播信號。DVB-T單頻網(wǎng)信號在定位功能上具有以下幾個優(yōu)勢:首先,所有發(fā)射塔位置固定且已知;其次,所有發(fā)射機同時同頻發(fā)送相同的信號,并通過發(fā)射機端附加專用設備——數(shù)字單頻網(wǎng)(SFN)適配器從導航衛(wèi)星得到基準頻率和秒脈沖信號(1 pps)來保證時間和頻率的同步[3],從而提供可與GNSS相媲美的精度;第三,由于電視服務對誤差概率的要求更高,接收機處的信噪比要遠遠高于測距需求。

DVB-T系統(tǒng)使用了編碼的[4]正交頻分復用(OFDM)技術,具有頻帶利用率高、能實現(xiàn)動態(tài)接收、抗多徑等優(yōu)良特性。本文利用DVB-T單頻網(wǎng)傳輸信號中包含的導頻子載波通過到達時間(TOA)技術測算偽距,進而定位。由于DVB-T單頻網(wǎng)信號的功率比GNSS強,可穿透建筑物,因此一般情況下在其覆蓋區(qū)域總能接收到幾個發(fā)射塔發(fā)送的同步信號,保證了測距方法的可用性。不過,要使用這些信號進行測距,接收機必須首先區(qū)分來自不同發(fā)射機的信號。

目前,利用DVB-T信號進行動態(tài)定位計算的研究并不多,有文獻[5]通過使用一種DVB/GNSS混合型接收機對行車動態(tài)場景進行了研究,但沒有考慮信號衰減的問題,本文則在其基礎上引入了自由空間損耗模型,對基于DVB-T單頻網(wǎng)的定位方法進行了研究。

1 DVB-T單頻網(wǎng)

單頻網(wǎng)是指在一定的地理區(qū)域內若干發(fā)射機都在同一時間、采用同一頻率傳送同一信號的同一比特,由于其可靠性強,且頻譜效率高,已被廣泛應用于數(shù)字音視頻地面廣播中。DVB-T單頻網(wǎng)信號頻率通常在UHF波段,帶寬為8 MHz或者7 MHz,有的地區(qū)也使用6 MHz.所發(fā)送的信號包含4種類型的子載波,包括連續(xù)導頻、離散導頻、數(shù)據(jù)和傳輸參數(shù)信令(TPS),導頻分布如圖1所示。與測距相關的一些主要參數(shù)如表1所示。

圖1 DVB-T導頻分布

表1DVB-T參數(shù)表

參 數(shù)取 值 2 048(2 K模式) NFFT4 096(4 K模式)8 192(8 K模式) ρCP1/32, 1/16, 1/8, 1/4 Tsamp7/64 μs(8 MHz) 1/8 μs(7 MHz)7/48 μs(6 MHz)7/40 μs(5 MHz)

其中,NFFT為子載波個數(shù)(即FFT點數(shù)),保護間隔比率ρCP=NCP/NFFT,NCP為循環(huán)前綴長度,Tsamp為采樣周期。

2 基于DVB-T的定位方法

為實現(xiàn)快速定位,需首先進行初始化,選擇Ne個有效接收且信噪比最大的DVB-T發(fā)射機,并利用GNSS計算此時第i個發(fā)射機與PD的距離de,i,以完成發(fā)射機的識別和鎖定,之后進入DVB模式,利用對SPS(離散導頻子載波)信號的時延估計來測量偽距,進而使用三邊測量定位法定位,步驟如下:

1)確定一個參考坐標系;

2)確定發(fā)射機位置pi=(xi,yi,zi),i=1,…,Ne;

3)測量每個發(fā)射機到PD的距離ri;

4)解定位方程組,估算方位。

由于所有發(fā)射機(假設自己不發(fā)送標識)發(fā)送信號都完全一樣,需要將每個接收到的DVB-T信號與對應的發(fā)射機關聯(lián)起來,因此在步驟3利用OFDM信號估算偽距之前需要步驟2;步驟4使用EKF(擴展卡爾曼濾波)算法[6]。下文將主要描述步驟2和3．

2.1 初始化

初始化的目的是將距離與發(fā)射機位置相關聯(lián),從而區(qū)分和鎖定信號,縮短定位時間。根據(jù)接收機當前位置(使用GNSS計算)及各DVB-T發(fā)射塔分布位置(可從網(wǎng)上查到預置在PD即定位設備內),計算n時刻第i個發(fā)射塔到PD的距離值ri,G[n],同時根據(jù)DVB-T信號也可估算出一個距離值ri,D[n].

假設PD在時刻n0進入到了GNSS阻塞區(qū),則可在DVB-T模式下通過使用時刻n0-1時測得的位置作為本地概略位置,明確當前可用DVB-T發(fā)射塔號,進行定位。這類似于GNSS定位的熱啟動模式[7]。

2.2 測距

在AWGN(高斯白噪聲)信道中,DVB-T系統(tǒng)可使用基于PN(偽噪聲)序列的TOA估計算法,將PD收到的PN序列與本地序列相關(頻域),得到時延的最大似然估計(ML),從而測距。這里的PN序列為SPS上調制的偽隨機二進制序列(PRBS)。

由于兩個連續(xù)OFDM符號的SPS位置不同,相關之前需要先識別當前符號SPS位置。不過,由于每隔4個OFDM符號,離散導頻的圖案重復一次,可將4個連續(xù)的OFDM符號組合起來進行相關,以簡化接收機的結構,加快粗時延估計,但之后每個OFDM符號仍要進行相關,以獲得更精確的估計。

1)理想情況下的相關:在只有一個發(fā)射機,信道無噪聲,沒有多徑和頻率偏移的理想情況下,相關函數(shù)R(m)在m∈Δm時的絕對值可表示為

(1)

此式可用于估計信號受噪聲影響時的未知時延ml,具體分為載波捕獲[8]和跟蹤兩個階段。

捕獲又稱粗同步,計算使得相關測量值RM(m)與理想值之間均方誤差最小時的時延估計向量

(2)

捕獲階段只能對時延作粗估計,之后使用延遲鎖定環(huán)(DLL)進入跟蹤階段[6],進行子幀同步和精確偽距測量。

3)相關峰的重新捕獲:與GNSS接收機不同的是,本系統(tǒng)中,由于每個子載波只有一個樣本,當最大相關峰值由一個時延點跳到另一個時,會丟失跟蹤,因此必須增加重新捕獲功能。由于PD的運動軌跡是連續(xù)的,最大相關峰值只能是從一個時延點跳到兩個相鄰點之一(取決于對應發(fā)射塔距離是增大還是減小),因此只需在這三個點上重新計算相關,再取用新的時延估算值返回跟蹤。如果所有相關結果都低于計算閾值,會發(fā)生失鎖,PD定位過程將從第一步重新開始。

3 實驗仿真

本文不考慮海拔,只進行二維平面上的定位(此時2個有效DVB-T信號就足夠)。假設在GNSS阻塞區(qū)內,4個DVB-T發(fā)射機分別位于4個半軸上(E1、E2在x軸,E3、E4在y軸),單頻網(wǎng)信號參數(shù)如表2 所示,PD初始位置在阻塞區(qū)域外,以100 m/s的速度向該區(qū)域移動,每0.4 s計算一次其位置坐標。

PD接收到的各發(fā)射機信號由DVB-T信號及其對應的相移和衰減合成,并加入了高斯噪聲分量。用FFT窗根據(jù)PD與發(fā)射機間距離移動的相應相位模擬時延,用自由空間損耗模型公式計算信號衰減:

L=20log(f)+20log(d)+32.4，

(3)

式中:L為傳播損耗(dB);f為載波頻率(MHz);d為PD與發(fā)射機之間距離(km).

表2 仿真DVB-T信號參數(shù)表

假設參考系原點處信噪比為10 dB.由于所有發(fā)射機頻率相同,信號傳輸損耗的變化僅與距離有關。根據(jù)時延乘光速得距離,偽距估算公式為

rm[n]=rt[n]+εr[n],

(4)

式中:n為用OFDM符號持續(xù)時間歸一化的離散時間;rm[n]為估算偽距;rt[n]為真實偽距;εr[n]是由噪聲引起的測距誤差。實驗中坐標計算方法如下

Px,m[n]=Px[n]+εx[n],

(5a)

Py,m[n]=Py[n]+εy[n],

(5b)

式中:n為估計時刻;Pi[n](i∈{x,y})為PD在i軸上的真實坐標;Pi,m[n]為相應的估計值;εi[n]為估計誤差。總定位誤差為

(6)

3.1 沒有多徑和空間損耗條件下的測試

先不考慮多徑和自由空間損耗,且假設E3、E4以原點對稱,仿真時長為20 s,計算結果如圖2所示。

圖2 真實軌跡與估計軌跡

圖中可以看到兩條不同的估計軌跡,圈標記的軌跡始終與真實值相近,紅方塊標記的軌跡在經(jīng)過原點后開始與真實位置偏離,這是因為當PD經(jīng)過原點時,接收到的4個信號中恰有2個傳播時間相同(E3、E4),以致可能會出現(xiàn)以下兩種情況:

1)PD在經(jīng)過原點后仍能正確關聯(lián)信號,估計出正確的軌跡。此時,即使在高動態(tài)情況(如100 m/s)下,仿真結果仍表現(xiàn)出了良好的性能,其均方根(RMS)=6.7 m,平均誤差6.166 7 m,均方差σp=3.061 2 m,如圖2圈標記的軌跡所示。

2)若PD在原點作出錯誤的信號關聯(lián),將E3的信號關聯(lián)到了E4,E4的信號關聯(lián)到了E3,估計出的軌跡會大大偏離真實值,如圖2方塊標記的軌跡所示。

實際情況中由于事先并不知道真實軌跡,在兩個或多個接收信號傳播時間相近時,需要某些額外信息(如小區(qū)標識信息、地圖匹配信息、來自其它系統(tǒng)的信息等)來判斷正確的軌跡曲線。

3.2 考慮自由空間損耗的測試

現(xiàn)暫不考慮上述信號關聯(lián)錯誤的問題,加入自由空間損耗,模擬較大范圍信噪比下的定位性能,假設E1、E2、E3、E4坐標分別為(-2 km,0)、(8 km,0)、(0,4 km)、(0,-6 km),模擬時長為100 s。

圖3示出了(-2 km,-4 km)處的相關結果,可以看出,4個相關峰值具有不同的振幅,由發(fā)射機與PD間距離決定。相關峰值的振幅隨著發(fā)射機與PD間距的增大而減小,因此,當間距太大,信噪比過低時,發(fā)射機信號即使可被檢測到,也無法用來測距。

圖3 自由空間損耗模型下單點相關結果

圖4示出了仿真實驗中PD運動軌跡和對應的定位誤差ε[n],可以看到定位誤差較為平穩(wěn),系統(tǒng)定位性能與不考慮自由空間損耗時近似。雖然PD在移動過程中接收到的各發(fā)射機信號信噪比在不斷變化,但由于采用多信源定位,有些信號的功率沿著路徑減小另外一些則增大,因此總體性能保持平穩(wěn)。

圖4 運動軌跡及對應定位誤差

4 結束語

本文提出了一種基于DVB-T單頻網(wǎng)的定位方法,并在動態(tài)場景中進行了模擬仿真,驗證了其可行性。實驗結果表明:只要用戶可以將信號正確關聯(lián)到發(fā)射機,平均定位誤差可達到6.1667 m.在自由空間損耗模型下,單個信源測距誤差隨信噪比而變化,多信源定位誤差則保持平穩(wěn)。在今后的工作中,將考慮多徑、多普勒效應、時鐘和同步誤差對定位的影響,并研究相應的改善技術。

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