雷 華,馮新建,賀 信,李 悅

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

0 引 言

隨著人們對(duì)基于位置的信息服務(wù)需求不斷增加,無(wú)線電定位技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)以其廣域覆蓋的巨大優(yōu)勢(shì),將無(wú)線電定位技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高度,并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。然而,由于GNSS信號(hào)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(nèi)封閉區(qū)域無(wú)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(dǎo)航定位的無(wú)線信號(hào)(如WLAN、電視臺(tái)廣播基站和移動(dòng)電話基站傳輸?shù)男盘?hào)等),又稱作泛在無(wú)線信號(hào)[1](SoOs),輔助進(jìn)行無(wú)縫定位。

本文所考慮的泛在無(wú)線信號(hào)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(hào)。DVB-T單頻網(wǎng)信號(hào)在定位功能上具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):首先,所有發(fā)射塔位置固定且已知;其次,所有發(fā)射機(jī)同時(shí)同頻發(fā)送相同的信號(hào),并通過(guò)發(fā)射機(jī)端附加專用設(shè)備——數(shù)字單頻網(wǎng)(SFN)適配器從導(dǎo)航衛(wèi)星得到基準(zhǔn)頻率和秒脈沖信號(hào)(1 pps)來(lái)保證時(shí)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(wù)對(duì)誤差概率的要求更高,接收機(jī)處的信噪比要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)距需求。

DVB-T系統(tǒng)使用了編碼的[4]正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),具有頻帶利用率高、能實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(hào)中包含的導(dǎo)頻子載波通過(guò)到達(dá)時(shí)間(TOA)技術(shù)測(cè)算偽距,進(jìn)而定位。由于DVB-T單頻網(wǎng)信號(hào)的功率比GNSS強(qiáng),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(gè)發(fā)射塔發(fā)送的同步信號(hào),保證了測(cè)距方法的可用性。不過(guò),要使用這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)距,接收機(jī)必須首先區(qū)分來(lái)自不同發(fā)射機(jī)的信號(hào)。

目前,利用DVB-T信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位計(jì)算的研究并不多,有文獻(xiàn)[5]通過(guò)使用一種DVB/GNSS混合型接收機(jī)對(duì)行車動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行了研究,但沒(méi)有考慮信號(hào)衰減的問(wèn)題,本文則在其基礎(chǔ)上引入了自由空間損耗模型,對(duì)基于DVB-T單頻網(wǎng)的定位方法進(jìn)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(nèi)若干發(fā)射機(jī)都在同一時(shí)間、采用同一頻率傳送同一信號(hào)的同一比特,由于其可靠性強(qiáng),且頻譜效率高,已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字音視頻地面廣播中。DVB-T單頻網(wǎng)信號(hào)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(hào)包含4種類型的子載波,包括連續(xù)導(dǎo)頻、離散導(dǎo)頻、數(shù)據(jù)和傳輸參數(shù)信令(TPS),導(dǎo)頻分布如圖1所示。與測(cè)距相關(guān)的一些主要參數(shù)如表1所示。

圖1 DVB-T導(dǎo)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(gè)數(shù)(即FFT點(diǎn)數(shù)),保護(hù)間隔比率ρCP=NCP/NFFT,NCP為循環(huán)前綴長(zhǎng)度,Tsamp為采樣周期。

2 基于DVB-T的定位方法

為實(shí)現(xiàn)快速定位,需首先進(jìn)行初始化,選擇Ne個(gè)有效接收且信噪比最大的DVB-T發(fā)射機(jī),并利用GNSS計(jì)算此時(shí)第i個(gè)發(fā)射機(jī)與PD的距離de,i,以完成發(fā)射機(jī)的識(shí)別和鎖定,之后進(jìn)入DVB模式,利用對(duì)SPS(離散導(dǎo)頻子載波)信號(hào)的時(shí)延估計(jì)來(lái)測(cè)量偽距,進(jìn)而使用三邊測(cè)量定位法定位,步驟如下:

1)確定一個(gè)參考坐標(biāo)系;

2)確定發(fā)射機(jī)位置pi=(xi,yi,zi),i=1,…,Ne;

3)測(cè)量每個(gè)發(fā)射機(jī)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(jī)(假設(shè)自己不發(fā)送標(biāo)識(shí))發(fā)送信號(hào)都完全一樣,需要將每個(gè)接收到的DVB-T信號(hào)與對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)關(guān)聯(lián)起來(lái),因此在步驟3利用OFDM信號(hào)估算偽距之前需要步驟2;步驟4使用EKF(擴(kuò)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(jī)位置相關(guān)聯(lián),從而區(qū)分和鎖定信號(hào),縮短定位時(shí)間。根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前位置(使用GNSS計(jì)算)及各DVB-T發(fā)射塔分布位置(可從網(wǎng)上查到預(yù)置在PD即定位設(shè)備內(nèi)),計(jì)算n時(shí)刻第i個(gè)發(fā)射塔到PD的距離值ri,G[n],同時(shí)根據(jù)DVB-T信號(hào)也可估算出一個(gè)距離值ri,D[n].

假設(shè)PD在時(shí)刻n0進(jìn)入到了GNSS阻塞區(qū),則可在DVB-T模式下通過(guò)使用時(shí)刻n0-1時(shí)測(cè)得的位置作為本地概略位置,明確當(dāng)前可用DVB-T發(fā)射塔號(hào),進(jìn)行定位。這類似于GNSS定位的熱啟動(dòng)模式[7]。

2.2 測(cè)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(jì)算法,將PD收到的PN序列與本地序列相關(guān)(頻域),得到時(shí)延的最大似然估計(jì)(ML),從而測(cè)距。這里的PN序列為SPS上調(diào)制的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)。

由于兩個(gè)連續(xù)OFDM符號(hào)的SPS位置不同,相關(guān)之前需要先識(shí)別當(dāng)前符號(hào)SPS位置。不過(guò),由于每隔4個(gè)OFDM符號(hào),離散導(dǎo)頻的圖案重復(fù)一次,可將4個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)組合起來(lái)進(jìn)行相關(guān),以簡(jiǎn)化接收機(jī)的結(jié)構(gòu),加快粗時(shí)延估計(jì),但之后每個(gè)OFDM符號(hào)仍要進(jìn)行相關(guān),以獲得更精確的估計(jì)。

1)理想情況下的相關(guān):在只有一個(gè)發(fā)射機(jī),信道無(wú)噪聲,沒(méi)有多徑和頻率偏移的理想情況下,相關(guān)函數(shù)R(m)在m∈Δm時(shí)的絕對(duì)值可表示為

(1)

此式可用于估計(jì)信號(hào)受噪聲影響時(shí)的未知時(shí)延ml,具體分為載波捕獲[8]和跟蹤兩個(gè)階段。

捕獲又稱粗同步,計(jì)算使得相關(guān)測(cè)量值RM(m)與理想值之間均方誤差最小時(shí)的時(shí)延估計(jì)向量

(2)

捕獲階段只能對(duì)時(shí)延作粗估計(jì),之后使用延遲鎖定環(huán)(DLL)進(jìn)入跟蹤階段[6],進(jìn)行子幀同步和精確偽距測(cè)量。

3)相關(guān)峰的重新捕獲:與GNSS接收機(jī)不同的是,本系統(tǒng)中,由于每個(gè)子載波只有一個(gè)樣本,當(dāng)最大相關(guān)峰值由一個(gè)時(shí)延點(diǎn)跳到另一個(gè)時(shí),會(huì)丟失跟蹤,因此必須增加重新捕獲功能。由于PD的運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)的,最大相關(guān)峰值只能是從一個(gè)時(shí)延點(diǎn)跳到兩個(gè)相鄰點(diǎn)之一(取決于對(duì)應(yīng)發(fā)射塔距離是增大還是減小),因此只需在這三個(gè)點(diǎn)上重新計(jì)算相關(guān),再取用新的時(shí)延估算值返回跟蹤。如果所有相關(guān)結(jié)果都低于計(jì)算閾值,會(huì)發(fā)生失鎖,PD定位過(guò)程將從第一步重新開(kāi)始。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本文不考慮海拔,只進(jìn)行二維平面上的定位(此時(shí)2個(gè)有效DVB-T信號(hào)就足夠)。假設(shè)在GNSS阻塞區(qū)內(nèi),4個(gè)DVB-T發(fā)射機(jī)分別位于4個(gè)半軸上(E1、E2在x軸,E3、E4在y軸),單頻網(wǎng)信號(hào)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(dòng),每0.4 s計(jì)算一次其位置坐標(biāo)。

PD接收到的各發(fā)射機(jī)信號(hào)由DVB-T信號(hào)及其對(duì)應(yīng)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(jī)間距離移動(dòng)的相應(yīng)相位模擬時(shí)延,用自由空間損耗模型公式計(jì)算信號(hào)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(jī)之間距離(km).

表2 仿真DVB-T信號(hào)參數(shù)表

假設(shè)參考系原點(diǎn)處信噪比為10 dB.由于所有發(fā)射機(jī)頻率相同,信號(hào)傳輸損耗的變化僅與距離有關(guān)。根據(jù)時(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)間歸一化的離散時(shí)間;rm[n]為估算偽距;rt[n]為真實(shí)偽距;εr[n]是由噪聲引起的測(cè)距誤差。實(shí)驗(yàn)中坐標(biāo)計(jì)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(jì)時(shí)刻;Pi[n](i∈{x,y})為PD在i軸上的真實(shí)坐標(biāo);Pi,m[n]為相應(yīng)的估計(jì)值;εi[n]為估計(jì)誤差。總定位誤差為

(6)

3.1 沒(méi)有多徑和空間損耗條件下的測(cè)試

先不考慮多徑和自由空間損耗,且假設(shè)E3、E4以原點(diǎn)對(duì)稱,仿真時(shí)長(zhǎng)為20 s,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 真實(shí)軌跡與估計(jì)軌跡

圖中可以看到兩條不同的估計(jì)軌跡,圈標(biāo)記的軌跡始終與真實(shí)值相近,紅方塊標(biāo)記的軌跡在經(jīng)過(guò)原點(diǎn)后開(kāi)始與真實(shí)位置偏離,這是因?yàn)楫?dāng)PD經(jīng)過(guò)原點(diǎn)時(shí),接收到的4個(gè)信號(hào)中恰有2個(gè)傳播時(shí)間相同(E3、E4),以致可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況:

1)PD在經(jīng)過(guò)原點(diǎn)后仍能正確關(guān)聯(lián)信號(hào),估計(jì)出正確的軌跡。此時(shí),即使在高動(dòng)態(tài)情況(如100 m/s)下,仿真結(jié)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(biāo)記的軌跡所示。

2)若PD在原點(diǎn)作出錯(cuò)誤的信號(hào)關(guān)聯(lián),將E3的信號(hào)關(guān)聯(lián)到了E4,E4的信號(hào)關(guān)聯(lián)到了E3,估計(jì)出的軌跡會(huì)大大偏離真實(shí)值,如圖2方塊標(biāo)記的軌跡所示。

實(shí)際情況中由于事先并不知道真實(shí)軌跡,在兩個(gè)或多個(gè)接收信號(hào)傳播時(shí)間相近時(shí),需要某些額外信息(如小區(qū)標(biāo)識(shí)信息、地圖匹配信息、來(lái)自其它系統(tǒng)的信息等)來(lái)判斷正確的軌跡曲線。

3.2 考慮自由空間損耗的測(cè)試

現(xiàn)暫不考慮上述信號(hào)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤的問(wèn)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(shè)E1、E2、E3、E4坐標(biāo)分別為(-2 km,0)、(8 km,0)、(0,4 km)、(0,-6 km),模擬時(shí)長(zhǎng)為100 s。

圖3示出了(-2 km,-4 km)處的相關(guān)結(jié)果,可以看出,4個(gè)相關(guān)峰值具有不同的振幅,由發(fā)射機(jī)與PD間距離決定。相關(guān)峰值的振幅隨著發(fā)射機(jī)與PD間距的增大而減小,因此,當(dāng)間距太大,信噪比過(guò)低時(shí),發(fā)射機(jī)信號(hào)即使可被檢測(cè)到,也無(wú)法用來(lái)測(cè)距。

圖3 自由空間損耗模型下單點(diǎn)相關(guān)結(jié)果

圖4示出了仿真實(shí)驗(yàn)中PD運(yùn)動(dòng)軌跡和對(duì)應(yīng)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(shí)近似。雖然PD在移動(dòng)過(guò)程中接收到的各發(fā)射機(jī)信號(hào)信噪比在不斷變化,但由于采用多信源定位,有些信號(hào)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(yùn)動(dòng)軌跡及對(duì)應(yīng)定位誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于DVB-T單頻網(wǎng)的定位方法,并在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中進(jìn)行了模擬仿真,驗(yàn)證了其可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:只要用戶可以將信號(hào)正確關(guān)聯(lián)到發(fā)射機(jī),平均定位誤差可達(dá)到6.1667 m.在自由空間損耗模型下,單個(gè)信源測(cè)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(yīng)、時(shí)鐘和同步誤差對(duì)定位的影響,并研究相應(yīng)的改善技術(shù)。

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