數(shù)字調(diào)頻廣播定位方法探討

陳長遠，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，杭州 310000；4.61175部隊，武漢 430074)

數(shù)字調(diào)頻廣播定位方法探討

陳長遠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，杭州 310000；4.61175部隊，武漢 430074)

針對衛(wèi)星定位信號易受遮擋和干擾等因素影響，導(dǎo)致定位誤差較大的問題，提出一種利用數(shù)字音頻廣播信號定位方法：首先分析調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播的信號幀結(jié)構(gòu)，研究定位參量的提取方法，發(fā)現(xiàn)無線子幀的信標符號是一種由偽隨機序列生成的獨立調(diào)制的OFDM符號，結(jié)構(gòu)簡單且適用于偽碼測距；進一步分析包含接收機鐘差和觀測噪聲的偽距模型，利用多站平面測距定位法實現(xiàn)定位。實驗結(jié)果表明，定位精度可達10 m以內(nèi)。

數(shù)字調(diào)頻廣播；信號幀結(jié)構(gòu)；信標符號；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)境越來越復(fù)雜，面臨的挑戰(zhàn)和潛在的威脅越來越大；隨著社會和技術(shù)的進步，各領(lǐng)域?qū)ξ恢梅?wù)的需求越來越大，利用其他導(dǎo)航定位手段補充和發(fā)展GNSS系統(tǒng)是一個日益緊迫的問題。隨著廣播技術(shù)的發(fā)展，利用調(diào)頻(frequency modulation，F(xiàn)M)信號可以實現(xiàn)定位；但FM屬于模擬廣播，在傳輸過程中存在著失真積累、信號衰弱等問題。FM數(shù)字化是必然的趨勢，主要包括歐洲的數(shù)字信號廣播(digital audio broadcasting，DAB)、俄羅斯的實時音視頻信息系統(tǒng)(real-time audio visual information system，RAVIS)和中國數(shù)字音頻廣播(China digital radio，CDR)等多個地面數(shù)字音頻廣播標準，利用數(shù)字調(diào)頻廣播(digital frequency modulation，DFM)信號進行定位的新方法引起了高度關(guān)注，接收和處理DFM信號，提取定位參量，實現(xiàn)無源定位意義重大。我國的調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播在中國移動多媒體廣播(China mobile multimedia broadcasting，CMMB)系統(tǒng)中已有部分研究，主要針對數(shù)?；觳ゼ夹g(shù)進行數(shù)字化改造，實現(xiàn)數(shù)模同頻同臺播發(fā)。

本文利用DFM信號能夠有效改進基于調(diào)頻頻段無線信號定位精度低的問題[1]的特點，提出一種基于DFM信號的定位方法。

1 信號分析

CDR信號處理流程如圖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[2]。其中前4種信號數(shù)據(jù)復(fù)合在一起進行正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)調(diào)制，形成OFDM符號，信標單獨進行OFDM調(diào)制構(gòu)成邏輯幀和物理幀，最后進行射頻發(fā)射。由于導(dǎo)頻和信標等信號都是特定的偽隨機噪聲(pseudorandom noise，PN)序列，一般都是全功率發(fā)射；相比其他信號，導(dǎo)頻和信標更適用于偽碼測距定位。

CDR子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示：每個子幀包含1個信標和SN個OFDM符號，信標的長度和OFDM符號數(shù)量取決于系統(tǒng)的傳輸模式等。在CDR系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)合在一起；而信標單獨進行OFDM調(diào)制，且處于每一子幀的幀頭位置。利用信標數(shù)據(jù)進行偽距測量更易實現(xiàn)。

圖3所示為信標結(jié)構(gòu)。包括循環(huán)前綴和2個相同的同步信號。

圖3中：TB為信標的持續(xù)期；TBcp為循環(huán)前綴；Tu為符號有效期；Tb為同步符號周期。信標符號偽隨機序列

n=0,1,2,…,LNI-1。

(1)

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

偽隨機生成后，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點的快速傅立葉逆變換(inverse fast fourier transform，IFFT)，實際對應(yīng)242、122和242個有效子載波，復(fù)合成OFDM符號[3]為

(2)

表1 同步符號相關(guān)參數(shù)

2 定位模型

無線電定位方法主要有測距、測距差、測距和、測角和混合定位等方法，CDR系統(tǒng)中可通過信標符號的偽隨機序列快速實現(xiàn)測距。本文主要研究多站平面測距定位[4]。

多站平面測距定位原理如圖4所示。

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

(3)

但由于實際中無法直接獲得接收機到基站間的幾何距離；只能通過觀測獲取包含各類誤差的偽距。由文獻[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為偽距觀測值；d為基站與接收機的幾何距離；δtu為接收機鐘差，δt(s)為衛(wèi)星鐘差(δtu、δt(s)是以m為單位的長度量)；c為真空中的光速；I為電離層延時；T為對流層延時；ερ為偽距觀測噪聲。

與GPS偽距測量不同的是，DFM系統(tǒng)中電波主要在地面附近進行直線傳播，可忽略電離層和對流層的延遲，各信號基站可由GPS授時，忽略基站發(fā)射機鐘差；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]解算接收機位置坐標，將第i+1個方程與第i個方程相減，得i-1個方程為

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)項列矩陣。

最小二乘解為

(9)

3 實驗與結(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)接收機在某一簡單地理環(huán)境內(nèi)能接收呈不規(guī)則四邊形分布的4個不同基站發(fā)射的DFM信號，信號質(zhì)量滿足定位要求；取240點表示接收機在該區(qū)域內(nèi)的運動軌跡，基站分布和接收機軌跡如圖5所示。

3.2 偽距仿真

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

表2 DFM偽距仿真結(jié)果 m

3.3 定位結(jié)果

通過對信標同步信號進行相關(guān)運算獲得接收機到各基站的偽距后，根據(jù)各基站坐標利用Caffery方法進行定位。將接收機鐘差設(shè)為未知參量，通過增加觀測量利用最小二乘法進行估計，接收機定位和鐘差誤差曲線如圖6所示。

通過圖6可以看出，接收機觀測噪聲誤差大約在15 m左右。由于將接收機鐘差作為未知參量進行估計，在定位解算的過程中觀測噪聲誤差被分配到接收機坐標和接收機鐘差上，從而減小了定位誤差；定位結(jié)果可以達到10 m以內(nèi)。

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

定位精度與測量精度和基站的幾何分布二者相關(guān)，在偽距測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點和第215點附近，定位結(jié)果出現(xiàn)了異常，主要是在這2個點附近A矩陣條件數(shù)較大，導(dǎo)致接收機定位誤差較大[8]。A矩陣條件數(shù)曲線如圖8所示。

4 結(jié)束語

在DFM信號的無線幀結(jié)構(gòu)中，每一子幀的幀頭都有一個由偽隨機序列生成的信標符號，利用信標中的偽隨機序列可實現(xiàn)偽距測量；通過提取基站坐標，最終利用多站平面測距法實現(xiàn)最小二乘定位。在考慮接收機鐘差常值項和隨機噪聲(熱噪聲、艾倫均方差)的情況下，定位結(jié)果可達10 m以內(nèi)的精度。

由于接收機鐘差對偽距測量影響較大，本文將其設(shè)為一個未知參量，通過多余觀測量進行估計。整體而言，接收機鐘差可以分配隨機噪聲引入的誤差，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點和第215點附近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誤差并改進定位算法。

[1] 戴旭.數(shù)字音頻廣播(CDR)及實驗方案[J].世界廣播電視，2013，27(8)：125-128.

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[3] 國家新聞出版廣電總局.調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播:第1部分 數(shù)字廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制：GY/T 268.1-2013[S].北京：中國標準出版社，28-29.

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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

陳長遠(1991—)，男，河北衡水人，碩士研究生，研究方向為機會信號導(dǎo)航技術(shù)。

蔣理興(1963—)，男，浙江縉云人，教授，研究方向為測量儀器應(yīng)用與開發(fā)、輔助導(dǎo)航等。

陳長遠，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，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