王超奇，邵會(huì)兵，張 康，張 超，黃鵬宇

(1.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100038；2. 清華大學(xué)，北京 100084；3.西安電子科技大學(xué)，西安 710071)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)目前已經(jīng)廣泛部署并取得了巨大成功，最具代表性的系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、歐洲的伽利略(Galileo)系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度在一般情況下可以滿足不同服務(wù)對(duì)象的定位要求。盡管定位技術(shù)已成熟，但衛(wèi)星系統(tǒng)自身的一些特點(diǎn)仍會(huì)對(duì)定位產(chǎn)生不利影響，例如經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸，接收到的信號(hào)較弱，對(duì)接收機(jī)要求較高；信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到電離層的干擾，增加了定位的復(fù)雜度；衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，且其位置的不固定性也會(huì)導(dǎo)致增加和校對(duì)對(duì)應(yīng)的定位參數(shù)，從而增大導(dǎo)航電文和設(shè)備開(kāi)銷。衛(wèi)星定位最早始于軍用，且常用于在開(kāi)闊地帶定位，而隨著民用范圍的擴(kuò)大，在城市和室內(nèi)定位的應(yīng)用逐漸增多，但衛(wèi)星定位服務(wù)并不理想，其在市區(qū)和室內(nèi)等多徑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度定位難度較大或代價(jià)很高[3-4]。

地面數(shù)字電視廣播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)信號(hào)則不存在上述這些不利因素，而且DTMB本身就廣泛應(yīng)用于人口聚居地，其信號(hào)相對(duì)于GNSS信號(hào)接收功率較高、頻率較低、頻帶較寬，有些體制還采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)，使其相對(duì)有天然抗多徑的優(yōu)勢(shì)。所以利用DTMB信號(hào)在上述環(huán)境中進(jìn)行定位，在技術(shù)層面上具有可能性，從而可以成為衛(wèi)星定位的有力輔助和補(bǔ)充手段。從應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，除完成其基本功能以外，DTMB信號(hào)作為一種無(wú)線電輻射資源，與其他無(wú)線資源如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)一樣，亦可被考慮應(yīng)用于各種軍事和民事領(lǐng)域。目前已經(jīng)有一些針對(duì)DTMB定位系統(tǒng)的研究。例如，美國(guó)的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Television Systems Committee，ATSC)體制中有利用場(chǎng)同步(Field SYNC)定位[3]或者在信號(hào)上疊加發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)序列TxID來(lái)區(qū)分發(fā)射塔進(jìn)行定位[7]的方法；對(duì)于歐洲的數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)系列，亦有針對(duì)各自特點(diǎn)提出的定位方法[8-9]。而對(duì)于國(guó)標(biāo)DTMB，則有學(xué)者提出了利用TDS-OFDM的特性，采用時(shí)頻結(jié)合的測(cè)量偽距的算法[10]。

基于移動(dòng)通信系統(tǒng)的定位系統(tǒng)，在當(dāng)前3G、4G無(wú)線通信系統(tǒng)廣泛部署的情況下可以有效地?cái)[脫對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的依賴，同時(shí)通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法構(gòu)建同樣可以獲得較高的定位精度，以及較低的成本。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及智能手機(jī)的迅速普及，與手機(jī)相關(guān)的技術(shù)和服務(wù)也在不斷的發(fā)展和完善。移動(dòng)用戶對(duì)信息的時(shí)效性和位置性的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，手機(jī)定位服務(wù)逐漸成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，逐漸被人們所關(guān)注。手機(jī)定位服務(wù)目前已廣泛應(yīng)用于緊急醫(yī)療、汽車救援、交通管理等領(lǐng)域，以滿足移動(dòng)執(zhí)法、移動(dòng)辦公、物流配送、交通管理等業(yè)務(wù)的定位需求。

本文繼承了導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)有成果，并開(kāi)展了基于DTMB、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)移動(dòng)終端等非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的導(dǎo)航信息提取技術(shù)研究，以及不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的組合導(dǎo)航技術(shù)研究，構(gòu)建以慣導(dǎo)作為參考導(dǎo)航系統(tǒng)，并與數(shù)字電視信號(hào)、手機(jī)發(fā)射塔信號(hào)等隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航裝置構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的高精度導(dǎo)航定位。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理

針對(duì)不同非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)測(cè)量信息的應(yīng)用需求，結(jié)合不同應(yīng)用的動(dòng)態(tài)條件，設(shè)計(jì)了基于隨機(jī)信號(hào)的組合導(dǎo)航技術(shù)，以適應(yīng)位置、速度、距離、距離變化率、角度、時(shí)間等任意測(cè)量信息的組合。信息融合需對(duì)多源信息進(jìn)行處理，首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是建立信息融合的總體框架，架構(gòu)設(shè)計(jì)采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，面向多種信號(hào)的共性需求，支持針對(duì)不同信號(hào)的通用化處理。下面以手機(jī)信號(hào)和數(shù)字電視信號(hào)等非導(dǎo)航信號(hào)為例，針對(duì)通用組合導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)予以介紹，組合導(dǎo)航系統(tǒng)由慣性測(cè)量組件、衛(wèi)導(dǎo)接收模件、手機(jī)信號(hào)模件、數(shù)字電視信號(hào)模件和信息處理模件組成。

1)慣性測(cè)量組合敏感載體的視速度增量和角度增量，經(jīng)導(dǎo)航解算得到純慣性導(dǎo)航下的載體位置PP和速度VP；

3)數(shù)字電視信號(hào)模件和手機(jī)信號(hào)模件作為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，完成載體和地面發(fā)射塔之間的距離測(cè)量。

信息處理模件綜合慣性測(cè)量組件、衛(wèi)導(dǎo)接收模件、手機(jī)信號(hào)模件、數(shù)字電視信號(hào)模件的測(cè)量信息，構(gòu)造濾波系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，并進(jìn)行線性化處理，然后通過(guò)Carlson濾波器估計(jì)慣性導(dǎo)航的位置誤差ΔPP和速度誤差ΔVP，進(jìn)而修正慣導(dǎo)的位置和速度。該系統(tǒng)充分發(fā)揮多種導(dǎo)航資源和導(dǎo)航模式的優(yōu)勢(shì)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，一旦某種導(dǎo)航模式失效，系統(tǒng)仍能夠提供精確的導(dǎo)航定位信息，并可與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，大幅提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力，原理框圖如圖1所示。

圖1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Integrated navigation system block diagram

2 基于DTMB的測(cè)距技術(shù)研究

DTMB幀結(jié)構(gòu)的基本單元是信號(hào)幀，信號(hào)幀由幀頭和幀體兩部分構(gòu)成，基于DTMB的測(cè)距過(guò)程并不關(guān)心幀體包含的數(shù)據(jù)信息，只需要利用幀頭已知的PN序列進(jìn)行同步和提取傳輸時(shí)延，并利用不同的頻率來(lái)區(qū)分發(fā)射塔。

設(shè)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸接收到的信號(hào)r(t)為

r(t)=s(t-τ)*h(t)+w(t)

(1)

式中，s(t)為發(fā)射端時(shí)域信號(hào);*表示線性卷積;h(t)為信道沖擊響應(yīng);ω(t)為加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN);τ為信號(hào)傳輸時(shí)延。

以采樣周期Ts為單位進(jìn)行歸一化

(2)

式中，θ為歸一化后的時(shí)延;θI為四舍五入后的整數(shù)時(shí)延;θF為舍入的分?jǐn)?shù)時(shí)延，θF取值范圍為[-0.5,0.5)。求出歸一化的時(shí)延θ后，由于電磁波以光速傳播，所以可以計(jì)算出發(fā)射塔與接收機(jī)之間的距離D=θTc。

由于PN序列具有良好的自相關(guān)特性，將接收到的信號(hào)r(n)和本地PN序列p(n)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后, 找到相關(guān)函數(shù)最大的采樣點(diǎn)即為整數(shù)時(shí)延θI[7]

(3)

式中，r*(n)表示接收信號(hào)r(n)的共軛轉(zhuǎn)置。

DTMB的基帶符號(hào)率為7.56Msps，以4倍過(guò)采樣為例，此時(shí)采樣率為30.24MHz，忽略分?jǐn)?shù)時(shí)延造成的最大誤差約為5m。因此，在較高的定位精度要求下，分?jǐn)?shù)時(shí)延θF是不可忽略的。

在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中各有一個(gè)平方根升余弦(Square Root Raised Cosine, SRRC)濾波器，發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過(guò)兩個(gè)平方根升余弦濾波之后相當(dāng)于過(guò)了一個(gè)升余弦濾波器。升余弦濾波器的時(shí)域沖擊響應(yīng)如下

(4)

式中，T為時(shí)域采樣信號(hào)的采樣間隔，當(dāng)以N倍采樣率(Ts=T/N)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，得到的時(shí)域信號(hào)為hd(n)=hc(nTs)，已知的整數(shù)倍時(shí)延的影響可以被補(bǔ)償?shù)?，因此只考慮分?jǐn)?shù)倍時(shí)延帶來(lái)的采樣點(diǎn)偏移，最終采樣后的時(shí)域沖擊響應(yīng)為

hd(n)=hc[(n-θF)Ts]

(5)

因此，在有明顯的主徑的信道下，高斯白噪聲在相關(guān)運(yùn)算中會(huì)相互抵消，所以最終接收信號(hào)中包含PN序列的部分與本地PN序列的相關(guān)函數(shù)R(k)如下

=p*(-k)*(p(k)*hd(k)+w(k))

(6)

式中，Rxx(k)是PN序列的自相關(guān)函數(shù)。PN序列具有良好的自相關(guān)特性，其自相關(guān)函數(shù)如下

(7)

式中，P是采樣后PN序列的點(diǎn)數(shù)，以PN420及4倍過(guò)采樣為例，P的取值為1680，因?yàn)镻的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，所以只需要考慮Rxx(k)峰值Rxx(0)的影響即可。所以最后相關(guān)函數(shù)R(k)可以表示為

R(k)=Rxx(0)hd(k)=Rxx(0)hc((k-θF)Ts)

(8)

假設(shè)第k個(gè)采樣點(diǎn)的值為y(k)，y(k)在k=kmax處取得最大值，在采樣點(diǎn)峰值左右兩邊再各取N個(gè)點(diǎn)(一共2N+1個(gè)點(diǎn))，并利用最小二乘法計(jì)算分?jǐn)?shù)倍時(shí)延θF。具體計(jì)算方法如下

(9)

設(shè)置好初始值M0和d0，通過(guò)迭代求解最優(yōu)的M和d使得式(9)最小，此時(shí)d的取值即為分?jǐn)?shù)倍時(shí)延θF。

3 基于RSSI移動(dòng)終端的測(cè)距技術(shù)研究

RSSI移動(dòng)終端根據(jù)測(cè)量得到的基站信號(hào)接收強(qiáng)度，通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳播模型對(duì)基站與被測(cè)終端之間的距離進(jìn)行計(jì)算。基站發(fā)射的信號(hào)在經(jīng)過(guò)一段距離的傳播之后，根據(jù)自由空間傳播模型，信號(hào)的強(qiáng)度將會(huì)逐漸衰減，即可利用強(qiáng)度衰減與距離之間的關(guān)系，根據(jù)初始強(qiáng)度及被測(cè)強(qiáng)度對(duì)距離進(jìn)行估算，例如可以使用對(duì)數(shù)距離衰減模型,即

(10)

式中，p為當(dāng)終端與基站之間的距離為d時(shí)信號(hào)的路徑損耗；p0為距離為d0時(shí)的參考路徑損耗，需要通過(guò)實(shí)際測(cè)量得出；n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的關(guān)系，其具體取值與環(huán)境有密切關(guān)系；ξ為正態(tài)隨機(jī)變量，根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)取值。

電波傳播特性的研究是移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，無(wú)線信道的傳播特性與通信環(huán)境密切相關(guān)，具有很大的隨機(jī)性。多年來(lái)，許多專家和學(xué)者對(duì)信道的傳播特性進(jìn)行了大量的分析研究，Okumura模型在全球移動(dòng)通信(Global System for Mobile Communication, GSM)系統(tǒng)的路徑損耗預(yù)測(cè)方面具有較高的精確度。

在Okumura公式中，經(jīng)擬合獲得的市區(qū)傳播損耗基本公式為

L50(市區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lghte-

α(hre)+(44.9-6.55lghte)lgd

(11)

式中，α(hre)為有效的移動(dòng)天線高度增益校正因子，是覆蓋區(qū)范圍的函數(shù)。

由于Okumura模型是基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為進(jìn)一步提升精確度，可以將某地區(qū)具有代表性的充足實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式后，通過(guò)線性回歸等數(shù)學(xué)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的校正。對(duì)式(11)變化后用以下通用形式表示

L=k1+k2lgf+k3lghte+(k4-k5lghte)lgd

(12)

因此只需要確定k1、k3、k4、k5即可獲得對(duì)傳播模型的修正。此處可以在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中選取若干測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行位置-場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)量和代表性都足夠時(shí)，采用最小二乘或線性回歸等方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，就可獲得式(12)中對(duì)應(yīng)的系數(shù)，從而可精確計(jì)算出相對(duì)基站的距離。

4 組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法研究

4.1 觀測(cè)變量、狀態(tài)變量的選取

觀測(cè)變量主要包括衛(wèi)導(dǎo)模件測(cè)量的偽距、偽距變化率以及手機(jī)信號(hào)模件/數(shù)字電視信號(hào)模件輸出的距離信息等非衛(wèi)星導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的測(cè)量信息。

狀態(tài)變量的選取是濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文涉及的狀態(tài)變量可分兩類，一類與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)，狀態(tài)變量選取慣導(dǎo)位置誤差、速度誤差、加表各項(xiàng)誤差、陀螺漂移、初始對(duì)準(zhǔn)誤差等；另一類則與接收機(jī)有關(guān)，主要考慮接收機(jī)時(shí)鐘的影響，如接收機(jī)鐘差等。

4.2 構(gòu)造狀態(tài)方程

由于導(dǎo)航系統(tǒng)是連續(xù)的非線性系統(tǒng)，首先需要對(duì)其線性化。為了盡可能地減小由于線性化帶來(lái)的誤差，采用根據(jù)估計(jì)值計(jì)算的名義值附近展開(kāi)進(jìn)行線性化的方法，那么濾波時(shí)的狀態(tài)量實(shí)際為估計(jì)值的殘差δXr,在名義值附近展開(kāi)，線性化后得到再入段組合導(dǎo)航濾波器的狀態(tài)方程為

其中,Ar為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

4.3 構(gòu)造量測(cè)方程

本文中，濾波系統(tǒng)直接采用各模件測(cè)量的距離和距離變化率等非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的測(cè)量信息作為測(cè)量變量，以消除測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)引起的組合導(dǎo)航精度下降問(wèn)題。下面以衛(wèi)導(dǎo)、數(shù)字電視和手機(jī)信號(hào)為例給出距離和距離變化率測(cè)量信息。

距離量測(cè)方程為

距離變化率量測(cè)方程為

那么，可以得到線性化后的量測(cè)方程為

其中，δYr,j,i為距離、距離變化率測(cè)量量與名義值之差；Hr,j為量測(cè)矩陣。

5 仿真結(jié)果

基于非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的組合導(dǎo)航技術(shù)研究成果，以低精度慣性導(dǎo)航為參考導(dǎo)航系統(tǒng)，融合數(shù)字電視信號(hào)、手機(jī)信號(hào)等非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)，開(kāi)展了數(shù)學(xué)仿真、半實(shí)物仿真和跑車試驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)字電視信號(hào)測(cè)距精度如圖2所示，手機(jī)信號(hào)測(cè)距精度如圖3所示；數(shù)字電視信號(hào)發(fā)射塔和手機(jī)信號(hào)發(fā)射塔相對(duì)載體軌跡的分布如圖4和圖5所示；組合導(dǎo)航仿真結(jié)果如圖6和圖7所示?；诜菍?dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的組合導(dǎo)航定位和測(cè)速精度分別在±10m、±0.1m/s以內(nèi)。

圖2 數(shù)字電視信號(hào)測(cè)距精度Fig.2 Digital television signal ranging accuracy

圖3 手機(jī)信號(hào)測(cè)距精度Fig.3 Cell phone signal ranging accuracy

圖5 手機(jī)信號(hào)發(fā)射塔相對(duì)載體軌跡的分布Fig.5 Distribution of mobile phone signal transmission tower relative to carrier trajectory

圖6 定位精度Fig.6 Positioning accuracy

6 結(jié)論

通過(guò)理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)DTMB和RSSI移動(dòng)終端等非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)可以提取高精度導(dǎo)航信息；

2)基于非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的組合導(dǎo)航算法可以在較短時(shí)間內(nèi)收斂，且精度可達(dá)到預(yù)期值，定位和測(cè)速精度分別優(yōu)于±10m、±0.1m/s；

3)本文研究的基于非導(dǎo)航隨機(jī)信號(hào)的導(dǎo)航信息提取技術(shù)和組合導(dǎo)航技術(shù)可以彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，作為衛(wèi)星導(dǎo)航的有效補(bǔ)充手段，能夠提升復(fù)雜環(huán)境下的高精度導(dǎo)航能力，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。