基于数字电视广播信号的高精度定位方法

王仲豪

摘要：主要提出一种利用地面数字广播信号进行高精度定位的方法。该方法基于时域上PN信号的互相关和分数倍延迟的检测来实现。基于该方法，我们进行了仿真实验，结果表明，该方法在标准信道下只需要很低的复杂度就可以达到最高约0.25米的定位精度，具有很高的实际应用价值。

关键词：定位；数字广播信号；数字电视地面广播；到达时间差定位技术

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.096

1背景与简介

到达时间差定位技术（TDOA，Time Difference of Arrival），是一种无线定位技术。不同于使用绝对时间定位的技术，TDOA技术是通过检测两个发射基站的信号到达的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动接收台的位置，降低了时间同步要求。

基于地面数字电视广播的TDOA定位技术，是通过广义互相关来提取不同地面数字电视发射机信号的到达时间差，从而确定定位接收机的位置。由于TDOA定位技术的精度直接取决于测得时间差的精度，因此基于地面数字电视广播的TDOA定位技术的精度绝大部分取决于通过广义互相关提取到的时间差的精度。但是由于广义互相关提取到的时间差是表现在整数倍的采样周期延迟上的，因此对于离散的数字信号来说，广义互相关提取时间差技术仅仅能精确的得到整数倍采样周期的延迟，而表现在信号相位上的小数倍时间延迟并不能简便且精确的检测出来。这种提取时间差的误差限制导致基于地面数字电视广播的TDOA定位技术无法达到很高的精度。

在研究中，我们发现地面数字电视广播信号的帧头由PN序列构成，帧头信息不随发送的数据改变而改变；将接收到的信号与已知的构成帧头的PN序列进行相关，并利用PN序列的自相关和互相关特性，通过检测相关峰的峰值的相对位置，就可以估计出不同的地面数字电视发射机所发射出的电视信号到达定位接收机的到达时间差。利用PN相关的方法能检测出整数倍采样周期的信号到达时间差，而利用分数时延滤波器可以检测出不同地面数字电视发射机信号到达定位接收机的分数倍到达时间差，从而得到更为精确的距离信息。

2方法与实现

2.1数字电视信号的格式

在本文中，我们采用的是数字电视地面广播格式（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting）的信号作为TDOA定位的基础信号。该信号的结构由超帧组成，每一个超帧都是由信号帧组成。信号帧作为超帧结构的基本单元，由4200个符号组成，包含420个符号的帧头和3780个符号的帧体，帧头和帧体部分的符号带宽都是7.56MHz。

2.2系统结构

在DTMB数字广播系统中，广播信号会从N个数字信号发射站发出。信号将沿着信道被接收器接受，并且理论上只会受到噪声和多径的干扰。

如图1所示，接收机在接收信号后，首先将接收地面数字电视广播信号由射频转为中频并采样取得离散信号，传输给基于相关的分数倍时延TDOA检测装置与信噪比估计装置。将离散信号与本地已知构成帧头的PN序列进行相关处理，得到它们的互相关结果。利用PN序列的自相关和互相关特性，TDOA检测装置能检测出整数倍采样周期的信号到达时间差，并利用分数倍时延检测器的分数时延滤波器检测出不同地面数字电视发射机信号到达定位接收机的分数倍到达时间差。信噪比估计装置，通过对接收到的信噪比进行估计，自适应地调整滤波器参数，将计算得到的补偿值传输给接收机位置计算装置。接收机位置计算装置利用TDOA算法处理各个时间差并将位置坐标输出。同时由于噪声会对到达时间差的估计精度带来负面的影响，系统根据信噪比估计装置检测出的电视信号信噪比SNR来自适应地对时间延迟差的偏差进行补偿校正，提高检测精度。

如图2所示，在基于相关的分数倍时延TDOA检测装置中有独立的模块分别相关和分离电视信号，并检测与合并电视信号的时间延迟。依据该检测结果，接收机位置计算装置将使用TDOA算法处理各个时间差并得到位置输出，并且根据信噪比估计装置检测出的电视信号信噪比SNR来自适应地对检测偏差进行补偿校正，以提高检测精度。

信号在信道中传播的过程中拥有了时间延迟，这样的时间延迟会体现在信号上并且可以通过自相关提取出来。由于地面数字电视广播信号的帧头是由预设的PN序列构成的，因此可以在接收机将接收到的信号与本地的已知的构成帧头的PN序列同时送入相关器进行相关处理，就可以得到它们的互相关结果，而由于本身PN序列的自相关特性，包含PN序列的接受信号与送入相关器的PN序列会因为其共同的PN序列而产生相关峰值，由于时间延迟会对信号中的PN序列产生延迟，那么得到的相关峰值也会产生位移和变形，这反映了信号的传播时延。接收机经过对分处不同坐标的发射机发出的信号的相关处理就可以得到信号到达不同接收机的传播时延，由于绝对时延的不易检测，因此使所有发射机保持时钟同步就可以得到不同信号到达接收机的传播时间延迟差值，将时间延迟差值换算为距离并通过坐标的几何关系就可以得到接收机的坐标完成定位。时间延迟差值由可以直接读出的整数倍采样周期的信号到达时间差和不能直接读出的分数倍采样周期的信号到达时间差构成。

由于地面数字电视广播信号的相关峰值随时间延迟具有的非线性的特性，使用线性的分数时延滤波器并不能提取出精确的小数倍延迟。因此如图2所示，系统在检测得到距离信息之前增加一个半整数延时估计模块，通过人为的增加半整数倍的时间延迟，只取有较强线性的小数倍延迟区间作为检测区间，将所有的小数倍延迟约束在线性较强的部分，就可以得到更精确的分数倍时间延迟，最后再将检测出的整数倍延时和分数倍延时进行合并即可。

2.3仿真实验与结果

对本文提出的基于數字电视信号的高精度定位系统，我们在Matlab Simulink上进行了仿真实验。仿真实验结果如图3所示，图中横坐标代表发出信号基站之间的信号延迟，纵坐标代表实际测量计算出的信号延迟，红线代表基准的正确延迟，蓝线代表使用分数倍时延预测模型在不同的实际时延下对信号间时延进行的估计，绿线代表使用分数倍时延+半整数延时估计的模型在不同的实际时延下对信号间时延进行的估计。

图3上图为信噪比较高（SNR=30dB）情况下的结果，我们可以看到，在噪声较弱的情况下，两种方法都能对信号时延的分数倍部分进行比较准确的估计，这说明我们使用分数倍时延来对原有基于整数倍时延的TDOA技术改進是可行的。而在噪声较大的情况下，如图3所示，我们可以看到系统依然能将估计误差保持在较小的范围，且绿线相比蓝线更加准确说明我们的半整数延时估计方法起到了提升定位系统在实际噪声环境下定位效果的作用。

参考文献

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