数字调频广播定位方法探讨

陈长远，蒋理兴，韩晋山，邢建平

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001；2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心，郑州 450001；3.61191部队，杭州 310000；4.61175部队，武汉 430074)

数字调频广播定位方法探讨

陈长远1，2，蒋理兴1，2，韩晋山3，邢建平4

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001；2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心，郑州 450001；3.61191部队，杭州 310000；4.61175部队，武汉 430074)

针对卫星定位信号易受遮挡和干扰等因素影响，导致定位误差较大的问题，提出一种利用数字音频广播信号定位方法：首先分析调频频段数字音频广播的信号帧结构，研究定位参量的提取方法，发现无线子帧的信标符号是一种由伪随机序列生成的独立调制的OFDM符号，结构简单且适用于伪码测距；进一步分析包含接收机钟差和观测噪声的伪距模型，利用多站平面测距定位法实现定位。实验结果表明，定位精度可达10 m以内。

数字调频广播；信号帧结构；信标符号；伪距模型；定位

0 引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)的应用环境越来越复杂，面临的挑战和潜在的威胁越来越大；随着社会和技术的进步，各领域对位置服务的需求越来越大，利用其他导航定位手段补充和发展GNSS系统是一个日益紧迫的问题。随着广播技术的发展，利用调频(frequency modulation，FM)信号可以实现定位；但FM属于模拟广播，在传输过程中存在着失真积累、信号衰弱等问题。FM数字化是必然的趋势，主要包括欧洲的数字信号广播(digital audio broadcasting，DAB)、俄罗斯的实时音视频信息系统(real-time audio visual information system，RAVIS)和中国数字音频广播(China digital radio，CDR)等多个地面数字音频广播标准，利用数字调频广播(digital frequency modulation，DFM)信号进行定位的新方法引起了高度关注，接收和处理DFM信号，提取定位参量，实现无源定位意义重大。我国的调频频段数字音频广播在中国移动多媒体广播(China mobile multimedia broadcasting，CMMB)系统中已有部分研究，主要针对数模混播技术进行数字化改造，实现数模同频同台播发。

本文利用DFM信号能够有效改进基于调频频段无线信号定位精度低的问题[1]的特点，提出一种基于DFM信号的定位方法。

1 信号分析

CDR信号处理流程如图1所示，主要包括主业务数据、业务描述信息、系统信息、离散导频和信标[2]。其中前4种信号数据复合在一起进行正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术调制，形成OFDM符号，信标单独进行OFDM调制构成逻辑帧和物理帧，最后进行射频发射。由于导频和信标等信号都是特定的伪随机噪声(pseudorandom noise，PN)序列，一般都是全功率发射；相比其他信号，导频和信标更适用于伪码测距定位。

CDR子帧结构如图2所示：每个子帧包含1个信标和SN个OFDM符号，信标的长度和OFDM符号数量取决于系统的传输模式等。在CDR系统中，导频信号和其他业务数据复合在一起；而信标单独进行OFDM调制，且处于每一子帧的帧头位置。利用信标数据进行伪距测量更易实现。

图3所示为信标结构。包括循环前缀和2个相同的同步信号。

图3中：TB为信标的持续期；TBcp为循环前缀；Tu为符号有效期；Tb为同步符号周期。信标符号伪随机序列

n=0,1,2,…,LNI-1。

(1)

式中：n为序列长度；NI为业务数据符号进行子载波交织时的交织块个数，根据不同的频谱模式取值1或2；L、m和NZC为计算系数，与传输模式有关，取值如表1所示。

伪随机生成后，按照频谱模式将其中的元素从左到右依次分配到有效子载波上，3种不同的传输模式分别使用1 024、512和1 024点的快速傅立叶逆变换(inverse fast fourier transform，IFFT)，实际对应242、122和242个有效子载波，复合成OFDM符号[3]为

(2)

表1 同步符号相关参数

2 定位模型

无线电定位方法主要有测距、测距差、测距和、测角和混合定位等方法，CDR系统中可通过信标符号的伪随机序列快速实现测距。本文主要研究多站平面测距定位[4]。

多站平面测距定位原理如图4所示。

假设第i个信号基站Bsi平面坐标为(xi,yi)， 基站到接收机Re几何距离为di， 在已知n(n≥3)个基站坐标和距离的情况下，接收机坐标(x,y)可利用最小二乘法由下式求未知数得到

(3)

但由于实际中无法直接获得接收机到基站间的几何距离；只能通过观测获取包含各类误差的伪距。由文献[5]可知全球定位系统(global positioning system，GPS)中的伪距模型为

(4)

式中：ρ为伪距观测值；d为基站与接收机的几何距离；δtu为接收机钟差，δt(s)为卫星钟差(δtu、δt(s)是以m为单位的长度量)；c为真空中的光速；I为电离层延时；T为对流层延时；ερ为伪距观测噪声。

与GPS伪距测量不同的是，DFM系统中电波主要在地面附近进行直线传播，可忽略电离层和对流层的延迟，各信号基站可由GPS授时，忽略基站发射机钟差；故DFM伪距模型可表示为

ρ=d+δtu+ερ。

(5)

i=1,2,…,n。

(6)

利用Caffery定位法[6]解算接收机位置坐标，将第i+1个方程与第i个方程相减，得i-1个方程为

i=1,2,…,n-1。

(7)

用矩阵表示为

Ax=b。

(8)

式中：A为系数矩阵；x为变量矩阵；b为线性化常数项列矩阵。

最小二乘解为

(9)

3 实验与结果分析

3.1 环境仿真

由于地面广播发射功率较大、覆盖范围广，多套音频节目在同一基站进行发射；因此在一定的区域内，广播基站数量较少。假设接收机在某一简单地理环境内能接收呈不规则四边形分布的4个不同基站发射的DFM信号，信号质量满足定位要求；取240点表示接收机在该区域内的运动轨迹，基站分布和接收机轨迹如图5所示。

3.2 伪距仿真

伪距仿真主要通过信标PN序列与本地序列相关运算得到。本地PN序列可视为理想序列，直接由软件生成；但信标PN序列经一系列传输和处理过程后受各类误差影响会产生序列延迟，在伪距测量过程中产生一定的误差。本文以伪距测量模型式(5)为基础，在信标PN序列延迟中添加了由接收机钟差和码环随机噪声引起的误差，获得最终的信标PN序列。

表2 DFM伪距仿真结果 m

3.3 定位结果

通过对信标同步信号进行相关运算获得接收机到各基站的伪距后，根据各基站坐标利用Caffery方法进行定位。将接收机钟差设为未知参量，通过增加观测量利用最小二乘法进行估计，接收机定位和钟差误差曲线如图6所示。

通过图6可以看出，接收机观测噪声误差大约在15 m左右。由于将接收机钟差作为未知参量进行估计，在定位解算的过程中观测噪声误差被分配到接收机坐标和接收机钟差上，从而减小了定位误差；定位结果可以达到10 m以内。

测试点的几何精度衰减因子(geometric dilution of precision，GDOP)分布如图7所示。

定位精度与测量精度和基站的几何分布二者相关，在伪距测量精度一定的情况下，GDOP值越小，定位精度越高[7]。从图6和图7分析，定位结果基本符合GDOP值越小、定位精度越高的规律。但在第17点和第215点附近，定位结果出现了异常，主要是在这2个点附近A矩阵条件数较大，导致接收机定位误差较大[8]。A矩阵条件数曲线如图8所示。

4 结束语

在DFM信号的无线帧结构中，每一子帧的帧头都有一个由伪随机序列生成的信标符号，利用信标中的伪随机序列可实现伪距测量；通过提取基站坐标，最终利用多站平面测距法实现最小二乘定位。在考虑接收机钟差常值项和随机噪声(热噪声、艾伦均方差)的情况下，定位结果可达10 m以内的精度。

由于接收机钟差对伪距测量影响较大，本文将其设为一个未知参量，通过多余观测量进行估计。整体而言，接收机钟差可以分配随机噪声引入的误差，从而降低定位误差；但由于定位算法不够完善，导致在第17点和第215点附近A矩阵条件数较大，导致定位结果误差变大：下一步将深入分析观测误差并改进定位算法。

[1] 戴旭.数字音频广播(CDR)及实验方案[J].世界广播电视，2013，27(8)：125-128.

[2] 李栋，杨刚.现代广播发送技术[M].北京：中国传媒大学出版社，2015：207-208.

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[8] 冯有前，王国正，李炳杰，等.数值分析[M].北京：清华大学出版社，2005：43-45.

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

陈长远(1991—)，男，河北衡水人，硕士研究生，研究方向为机会信号导航技术。

蒋理兴(1963—)，男，浙江缙云人，教授，研究方向为测量仪器应用与开发、辅助导航等。

陈长远，蒋理兴，韩晋山，等.数字调频广播定位方法探讨[J].导航定位学报，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