陳長(zhǎng)遠(yuǎn)，蔣理興，韓晉山，邢建平

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001；2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001；3.61191部隊(duì)，杭州 310000；4.61175部隊(duì)，武漢 430074)

數(shù)字調(diào)頻廣播定位方法探討

陳長(zhǎng)遠(yuǎn)1，2，蔣理興1，2，韓晉山3，邢建平4

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001；2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001；3.61191部隊(duì)，杭州 310000；4.61175部隊(duì)，武漢 430074)

針對(duì)衛(wèi)星定位信號(hào)易受遮擋和干擾等因素影響，導(dǎo)致定位誤差較大的問(wèn)題，提出一種利用數(shù)字音頻廣播信號(hào)定位方法：首先分析調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，研究定位參量的提取方法，發(fā)現(xiàn)無(wú)線子幀的信標(biāo)符號(hào)是一種由偽隨機(jī)序列生成的獨(dú)立調(diào)制的OFDM符號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用于偽碼測(cè)距；進(jìn)一步分析包含接收機(jī)鐘差和觀測(cè)噪聲的偽距模型，利用多站平面測(cè)距定位法實(shí)現(xiàn)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，定位精度可達(dá)10 m以內(nèi)。

數(shù)字調(diào)頻廣播；信號(hào)幀結(jié)構(gòu)；信標(biāo)符號(hào)；偽距模型；定位

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，面臨的挑戰(zhàn)和潛在的威脅越來(lái)越大；隨著社會(huì)和技術(shù)的進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)ξ恢梅?wù)的需求越來(lái)越大，利用其他導(dǎo)航定位手段補(bǔ)充和發(fā)展GNSS系統(tǒng)是一個(gè)日益緊迫的問(wèn)題。隨著廣播技術(shù)的發(fā)展，利用調(diào)頻(frequency modulation，F(xiàn)M)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)定位；但FM屬于模擬廣播，在傳輸過(guò)程中存在著失真積累、信號(hào)衰弱等問(wèn)題。FM數(shù)字化是必然的趨勢(shì)，主要包括歐洲的數(shù)字信號(hào)廣播(digital audio broadcasting，DAB)、俄羅斯的實(shí)時(shí)音視頻信息系統(tǒng)(real-time audio visual information system，RAVIS)和中國(guó)數(shù)字音頻廣播(China digital radio，CDR)等多個(gè)地面數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)字調(diào)頻廣播(digital frequency modulation，DFM)信號(hào)進(jìn)行定位的新方法引起了高度關(guān)注，接收和處理DFM信號(hào)，提取定位參量，實(shí)現(xiàn)無(wú)源定位意義重大。我國(guó)的調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播在中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播(China mobile multimedia broadcasting，CMMB)系統(tǒng)中已有部分研究，主要針對(duì)數(shù)模混播技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)模同頻同臺(tái)播發(fā)。

本文利用DFM信號(hào)能夠有效改進(jìn)基于調(diào)頻頻段無(wú)線信號(hào)定位精度低的問(wèn)題[1]的特點(diǎn)，提出一種基于DFM信號(hào)的定位方法。

1 信號(hào)分析

CDR信號(hào)處理流程如圖1所示，主要包括主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、系統(tǒng)信息、離散導(dǎo)頻和信標(biāo)[2]。其中前4種信號(hào)數(shù)據(jù)復(fù)合在一起進(jìn)行正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)調(diào)制，形成OFDM符號(hào)，信標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行OFDM調(diào)制構(gòu)成邏輯幀和物理幀，最后進(jìn)行射頻發(fā)射。由于導(dǎo)頻和信標(biāo)等信號(hào)都是特定的偽隨機(jī)噪聲(pseudorandom noise，PN)序列，一般都是全功率發(fā)射；相比其他信號(hào)，導(dǎo)頻和信標(biāo)更適用于偽碼測(cè)距定位。

CDR子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示：每個(gè)子幀包含1個(gè)信標(biāo)和SN個(gè)OFDM符號(hào)，信標(biāo)的長(zhǎng)度和OFDM符號(hào)數(shù)量取決于系統(tǒng)的傳輸模式等。在CDR系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號(hào)和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)合在一起；而信標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行OFDM調(diào)制，且處于每一子幀的幀頭位置。利用信標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距測(cè)量更易實(shí)現(xiàn)。

圖3所示為信標(biāo)結(jié)構(gòu)。包括循環(huán)前綴和2個(gè)相同的同步信號(hào)。

圖3中：TB為信標(biāo)的持續(xù)期；TBcp為循環(huán)前綴；Tu為符號(hào)有效期；Tb為同步符號(hào)周期。信標(biāo)符號(hào)偽隨機(jī)序列

n=0,1,2,…,LNI-1。

(1)

式中：n為序列長(zhǎng)度；NI為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行子載波交織時(shí)的交織塊個(gè)數(shù)，根據(jù)不同的頻譜模式取值1或2；L、m和NZC為計(jì)算系數(shù)，與傳輸模式有關(guān)，取值如表1所示。

偽隨機(jī)生成后，按照頻譜模式將其中的元素從左到右依次分配到有效子載波上，3種不同的傳輸模式分別使用1 024、512和1 024點(diǎn)的快速傅立葉逆變換(inverse fast fourier transform，IFFT)，實(shí)際對(duì)應(yīng)242、122和242個(gè)有效子載波，復(fù)合成OFDM符號(hào)[3]為

(2)

表1 同步符號(hào)相關(guān)參數(shù)

2 定位模型

無(wú)線電定位方法主要有測(cè)距、測(cè)距差、測(cè)距和、測(cè)角和混合定位等方法，CDR系統(tǒng)中可通過(guò)信標(biāo)符號(hào)的偽隨機(jī)序列快速實(shí)現(xiàn)測(cè)距。本文主要研究多站平面測(cè)距定位[4]。

多站平面測(cè)距定位原理如圖4所示。

假設(shè)第i個(gè)信號(hào)基站Bsi平面坐標(biāo)為(xi,yi)， 基站到接收機(jī)Re幾何距離為di， 在已知n(n≥3)個(gè)基站坐標(biāo)和距離的情況下，接收機(jī)坐標(biāo)(x,y)可利用最小二乘法由下式求未知數(shù)得到

(3)

但由于實(shí)際中無(wú)法直接獲得接收機(jī)到基站間的幾何距離；只能通過(guò)觀測(cè)獲取包含各類誤差的偽距。由文獻(xiàn)[5]可知全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)中的偽距模型為

(4)

式中：ρ為偽距觀測(cè)值；d為基站與接收機(jī)的幾何距離；δtu為接收機(jī)鐘差，δt(s)為衛(wèi)星鐘差(δtu、δt(s)是以m為單位的長(zhǎng)度量)；c為真空中的光速；I為電離層延時(shí)；T為對(duì)流層延時(shí)；ερ為偽距觀測(cè)噪聲。

與GPS偽距測(cè)量不同的是，DFM系統(tǒng)中電波主要在地面附近進(jìn)行直線傳播，可忽略電離層和對(duì)流層的延遲，各信號(hào)基站可由GPS授時(shí)，忽略基站發(fā)射機(jī)鐘差；故DFM偽距模型可表示為

ρ=d+δtu+ερ。

(5)

i=1,2,…,n。

(6)

利用Caffery定位法[6]解算接收機(jī)位置坐標(biāo)，將第i+1個(gè)方程與第i個(gè)方程相減，得i-1個(gè)方程為

i=1,2,…,n-1。

(7)

用矩陣表示為

Ax=b。

(8)

式中：A為系數(shù)矩陣；x為變量矩陣；b為線性化常數(shù)項(xiàng)列矩陣。

最小二乘解為

(9)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 環(huán)境仿真

由于地面廣播發(fā)射功率較大、覆蓋范圍廣，多套音頻節(jié)目在同一基站進(jìn)行發(fā)射；因此在一定的區(qū)域內(nèi)，廣播基站數(shù)量較少。假設(shè)接收機(jī)在某一簡(jiǎn)單地理環(huán)境內(nèi)能接收呈不規(guī)則四邊形分布的4個(gè)不同基站發(fā)射的DFM信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量滿足定位要求；取240點(diǎn)表示接收機(jī)在該區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，基站分布和接收機(jī)軌跡如圖5所示。

3.2 偽距仿真

偽距仿真主要通過(guò)信標(biāo)PN序列與本地序列相關(guān)運(yùn)算得到。本地PN序列可視為理想序列，直接由軟件生成；但信標(biāo)PN序列經(jīng)一系列傳輸和處理過(guò)程后受各類誤差影響會(huì)產(chǎn)生序列延遲，在偽距測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生一定的誤差。本文以偽距測(cè)量模型式(5)為基礎(chǔ)，在信標(biāo)PN序列延遲中添加了由接收機(jī)鐘差和碼環(huán)隨機(jī)噪聲引起的誤差，獲得最終的信標(biāo)PN序列。

表2 DFM偽距仿真結(jié)果 m

3.3 定位結(jié)果

通過(guò)對(duì)信標(biāo)同步信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算獲得接收機(jī)到各基站的偽距后，根據(jù)各基站坐標(biāo)利用Caffery方法進(jìn)行定位。將接收機(jī)鐘差設(shè)為未知參量，通過(guò)增加觀測(cè)量利用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，接收機(jī)定位和鐘差誤差曲線如圖6所示。

通過(guò)圖6可以看出，接收機(jī)觀測(cè)噪聲誤差大約在15 m左右。由于將接收機(jī)鐘差作為未知參量進(jìn)行估計(jì)，在定位解算的過(guò)程中觀測(cè)噪聲誤差被分配到接收機(jī)坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差上，從而減小了定位誤差；定位結(jié)果可以達(dá)到10 m以內(nèi)。

測(cè)試點(diǎn)的幾何精度衰減因子(geometric dilution of precision，GDOP)分布如圖7所示。

定位精度與測(cè)量精度和基站的幾何分布二者相關(guān)，在偽距測(cè)量精度一定的情況下，GDOP值越小，定位精度越高[7]。從圖6和圖7分析，定位結(jié)果基本符合GDOP值越小、定位精度越高的規(guī)律。但在第17點(diǎn)和第215點(diǎn)附近，定位結(jié)果出現(xiàn)了異常，主要是在這2個(gè)點(diǎn)附近A矩陣條件數(shù)較大，導(dǎo)致接收機(jī)定位誤差較大[8]。A矩陣條件數(shù)曲線如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

在DFM信號(hào)的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)中，每一子幀的幀頭都有一個(gè)由偽隨機(jī)序列生成的信標(biāo)符號(hào)，利用信標(biāo)中的偽隨機(jī)序列可實(shí)現(xiàn)偽距測(cè)量；通過(guò)提取基站坐標(biāo)，最終利用多站平面測(cè)距法實(shí)現(xiàn)最小二乘定位。在考慮接收機(jī)鐘差常值項(xiàng)和隨機(jī)噪聲(熱噪聲、艾倫均方差)的情況下，定位結(jié)果可達(dá)10 m以內(nèi)的精度。

由于接收機(jī)鐘差對(duì)偽距測(cè)量影響較大，本文將其設(shè)為一個(gè)未知參量，通過(guò)多余觀測(cè)量進(jìn)行估計(jì)。整體而言，接收機(jī)鐘差可以分配隨機(jī)噪聲引入的誤差，從而降低定位誤差；但由于定位算法不夠完善，導(dǎo)致在第17點(diǎn)和第215點(diǎn)附近A矩陣條件數(shù)較大，導(dǎo)致定位結(jié)果誤差變大：下一步將深入分析觀測(cè)誤差并改進(jìn)定位算法。

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Discussion on positioning method with digital FM broadcasting signals

CHENChangyuan1，2，JIANGLixing1，2，HANJinshan3，XINGJianping4

(1.School of Navigation & Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China；2.Beidou Navigation Technology Collaborative Center of Henan，Zhengzhou 450001，China；3.Troops 61191，Hangzhou 310000，China； 4.Troops 61175，Wuhan 430074，China)

Aiming at the problem that the satellite positioning signals are vulnerable to occlusion and interference，which leads to the large localization error，the paper proposed a positioning method using digital FM broadcasting signals：firstly，by analyzing the signal frame structure of the digital FM broadcasting and the extraction method of positioning parameters，it was found that the beacon of the radio subframe was a kind of OFDM symbol which is generated by the pseudo-random sequence，and the beacon had a simple structure and was suitable for pseudo-ranging； moreover，the pseudorange model containing the receiver clock error and the observation noise was established，and finally the positioning was realized with multi-station planar ranging method.Experimental result showed that the positioning accuracy could be within 10 meters.

digital FM broadcasting； signal frame structure； beacon symbol； pseudorange model； positioning

2016-11-18

陳長(zhǎng)遠(yuǎn)(1991—)，男，河北衡水人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航技術(shù)。

蔣理興(1963—)，男，浙江縉云人，教授，研究方向?yàn)闇y(cè)量?jī)x器應(yīng)用與開發(fā)、輔助導(dǎo)航等。

陳長(zhǎng)遠(yuǎn)，蔣理興，韓晉山，等.數(shù)字調(diào)頻廣播定位方法探討[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(3)：33-37.(CHEN Changyuan，JIANG Lixing，HAN Jinshan，et al.Discussion on positioning method with digital FM broadcasting signals[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：33-37.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170308.

TN966.4

A

2095-4999(2016)03-0033-05