（通信与信息系统专业论文）基于dtmbgnss的联合定位方法研究.pdf

论文题目：基于 dtmb-gnss 的联合定位方法研究 专 业：通信与信息系统 研 究 生：付 欣 （签名） 指导老师：韩晓冰 （签名） 摘 要 在复杂都市环境中， 全球导航卫星系统(gnss)用户接收机所能观测到的卫星数目以 及卫星的几何图形结构通常都不理想，加之 gnss 容易受到诸如太阳磁暴、人为干扰等 因素影响，所以依靠单纯的 gnss 系统不能满足复杂都市环境中的精确定位要求。 本论文作为中国科学院“西部之光”人才培养计划中项目“基于 dtmb 标准的数 字电视地面广播定位技术研究”中的一个子课题，主要研究将数字电视基站作为一类伪 卫星增强系统，利用 dtmb 数字电视信号与 gnss 联合测距及定位方法，解决复杂都 市环境中精确定位问题。这项研究将填补我国数字电视导航定位增强技术空白，对扩充 我国 gnss 系统导航定位功能和性能具有重要意义。具体研究工作如下： 首先，分析 dtmb 系统结构与信号帧结构，以 pn420 模式为例研究 dtmb 信号帧 头初始相位特性关系； 建立基于 dtmb-gnss 联合定位模型并进行模块功能分析。 其次， 分析 dtmb 伪距测量原理，针对 dtmb 信号帧特性，提出 dtmb 数字电视信号捕获与 跟踪方法，利用 matlab 仿真验证其理论可行性；在借鉴 gnss 系统的基础上，研究联 合定位系统的定位算法，采用线性化迭代方法进行定位解算，利用 matlab 对其原理性 及收敛性进行仿真验证。最后，选取中国区域定位系统(caps)搭建联合定位系统实验测 试平台， 在西安地区进行联合定位系统实测， 利用实测数据画出定位打靶图并进行分析。 实验测试结果表明，利用 dtmb 信号能够实现伪距测量；同时，在复杂都市环境 中，采用基于 dtmb-gnss 联合定位系统可以实现精确定位。 关 键 词：定位；dtmb；数字电视；捕获；跟踪；联合定位 研究类型：理论研究 subject :research on the method of combined positioning based on dtmb-gnss specialty :communication and information system name :fu xin （signature） instructor :han xiao-bing （signature） abstract among the complex urban environment, the number of satellites and its geometry graph structure observed by global navigation satellite system (gnss) receiver is not clearly, moreover, gnss is easy to be effected by some factors such as sun magnetic storm, manmade interference, so it can not satisfy the accurate positioning depending on gnss system in the complex urban environment. this paper is a sub subject of the research on digital tv ground broadcasting positioning technology based on dtmb standard which is the talent culturing plan of western light as cas, it mainly takes the digital tv base station as one kind of fake satellite enhanced system, which use the digital tv signal and gnss unite measure distance and positioning method to solve the problem like accurate positioning in the urban environment. this research will fill the blank of our digital tv navigation enhanced technology. it is very meaningful to enlarge the function and performance of our gnss system navigation positioning. the concrete work as following: at first, it analyzes the dtmb system structure and signal frame structure, and takes an example as pn420 mode to research the relationship of signal frame head original phase; building the model of dtmb-gnss combined positioning and analyzing the function. second, it analyzes the principle of measuring the fake distance of dtmb, it proposals an acquisition and tracking method based on dtmb digital tv signal, and it also verifies the theory with matlab. taking examples from gnss,it researchs position algorithm of combined positioning,and uses linear iterative method to solve position equation,it also verifies the theory and convergence with matlab.at last, it builds the combined positioning system measurement platform by choosing china area positioning system (caps). it implants the site measurement in xian city, and it draws and analyzes the positioning target practice graph with the real test data. the experiment result indicates that it can realize the fake distance measurement with dtmb; at the same time, it can carry out the accurate positioning by adopting dtmb-gnss combined system in the complex urban environment. key words : positioning dtmb digital television acquisition tracking combined positioning thesis : theory research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 卫星导航定位系统的建立，起初完全是出于军事目的。但随着战争时代的结束，卫 星导航定位系统得到不断发展和完善， 它能够方便、 快捷地提供全方位定位与导航功能， 给用户带来重要的参考信息，帮助用户做出迅速、正确的判断。世界上现有的卫星导航 系统可分为两类。一类是独立完整的卫星导航定位系统，正在运行的有美国的 gps、俄 罗斯的 glonass 和中国的北斗导航试验系统； 正在研发的有欧盟的 galileo 导航系统、 中国的北斗卫星导航系统和中国区域定位系统 caps 等。 国外的导航系统为全球导航定 位系统，我国的导航系统首先是区域定位系统。另一类是增强系统，它通过在广域或者 是局域内对 gps 信号进行监测，得到差分改正信息及具有连续性、可用性、完好性等 的信息，再通过卫星或其他途径广播给用户，达到高精度和高可靠性的目的1。 但是，对于 gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)系统而言， 它的定位精度、 可用性和可靠性都与所能观测到的卫星数目和卫星星座的几何图形结构 有关，在人气聚集的都市环境中，所能观测到的卫星数目和卫星的几何图形结构通常都 不理想，难以满足精密定位的需求。由于 gnss 这些因素的限制，使得单纯的 gnss 系 统尚不能满足复杂都市环境中的精密定位要求， 因此本文借鉴我国成熟的数字电视信号 技术，结合我国自主制定的数字电视地面标准 dtmb，研究利用基于 dtmb 标准数字 电视信号增强 gnss 卫星导航定位问题，并具体论述其定位的可行性、精确性以及相对 优势。 1.2 选题背景和意义 在人气越来越旺的城市生活中，数字电视广播技术越来越完善，人们的出行方式选 择也相对较多。gnss 能够提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、速度和精确 的时间信息，是目前主要的导航定位手段。虽然卫星导航定位以其精度高和效率高而在 军事和民用等方面得到了广泛地应用，但是基于卫星的导航定位系统有其自身的脆弱 性，比较容易受到非故意的人为干扰(如电视信号发射)和自然干扰(如太阳磁暴)，也易 于受到故意的人为干扰(如信道阻塞)，gps 系统还受到选择可用性(sa)政策的影响，而 且基于卫星的导航定位系统必须要求卫星在视野之内，导致在城市建筑群、峡谷和丛林 等环境下的导航定位可用性下降。因此，各类 gnss 导航定位增强技术也逐步进入人们 视野，同时，2008 年美国提出 pnt 新规划，大力提倡将各类广播通信技术作为一类导 航定位矢量，人们逐渐开始关注各类通信系统与 gnss 系统的有机交叉融合。 西安科技大学硕士学位论文 2 我国具有自主知识产权的数字电视地面广播系统传输标准， 数字电视地面广播传 输系统帧结构、信道编码和调制 ，标准号 gb20600-2006,简称 dtmb，自 2006 年 8 月 公布以来，已经在国内许多城市开始了试验播出，这标志着我国广播电视数字化向全国 推进的新阶段。 我国的数字电视地面广播标准 dtmb 采用了基于pn序列填充的时域同 步正交频分复用(tds-ofdm：time domain synchronousorthogonal frequency division multiplexing)的调制技术，同时采用了创新的前向纠错编码技术，实现了分级调制和编 码2， 在实现多媒体业务的同时为实现定位提供了条件， 为 dtmb 融入 gnss 系统奠定 了重要的技术基础。 目前，我国基于 dtmb 标准数字电视地面广播定位技术的研究和应用，以及将 dtmb 发射站作为伪卫星增强技术的研究均未见相关报道，尚处于空白。2007 年 8 月 开始，正式实施的我国数字电视地面广播技术标准 dtmb，为数字电视定位技术的发展 以及将数字电视发射站作为 gnss 系统的定位增强系统提供了新的平台。 本论文的研究工作基于中国科学院 “西部之光” 人才培养计划中的项目： 基于 dtmb 标准的数字电视地面广播定位技术研究。本论文立足于我国数字电视地面广播标准 dtmb 及其现状，利用我国自主知识产权 dtmb 数字电视地面广播技术，将数字电视 发射站作为一类伪卫星增强系统，联合我国 gnss 卫星导航系统，旨在研究数字电视地 面广播信号与 gnss 联合测距及定位解算，并进行实验性测试验证。该项目的顺利实施 将填补我国数字电视信号导航定位增强技术空白， 对扩充我国 gnss 系统导航定位功能 和性能，发展立足于我国 gnss 系统的 pnt 技术具有重要意义。这项研究也对未来发 展我国具有自主知识产权的基于 dtmb 数字电视信号定位系统具有积极的现实意义和 深远的历史意义，对实现我国自主的精确定位系统有着较大应用的价值。 1.3 国内外发展动态 1.3.1 现有卫星导航及增强定位技术 (1)gnss 卫星导航定位技术 gnss 系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统。目前，gnss 系统包含了美国 的 gps 系统、俄罗斯的 glonass 系统、中国的 compass(北斗)系统、欧盟的 galileo 系统，可用的卫星数目达到 100 颗以上。 卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供位置、 速度及时间等信息来完成对各 种目标的定位、导航、监测以及管理。它是利用若干颗导航定位卫星组成卫星导航定位 系统，综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空 中的无线电导航台。它可以在任何时间、任何地点，为用户提供其所在的海拔高度和地 理经纬度3。 1 绪论 3 gps 卫星导航定位系统 当前运行的系统中最成功的是美国的 gps 系统，它是星基直播式卫星导航定位系 统，具有被动接收观测、用户无限、精度高、功能全、性能好等优点，已得到广泛应用。 gps 系统，是一种测距卫星导航系统。gps 定位技术是利用高空中的 gps 卫星， 向地面发射l波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计 算出接收机天线所在的位置。gps 系统由三部分组成：卫星星座部分、地面监控部分和 用户接收设备4。 gps 系统以其高精度和高效率在军事和民用等方面得到了广泛的应用。 glonass 定位系统 glonass 定位系统是俄罗斯的以空间为基础的无线电导航系统，它给具有相关装 备的用户提供位置、速度和时间信息。它在全世界范围内提供 3 维定位、测速以及时间 广播服务。 俄罗斯的 glonass 与美国的 gps 相似，也是由卫星星座、地面监测控制站和用 户接收设备组成，都使用 24 颗高度约 2 万千米的卫星组成卫星星座。gps 分布在 6 个 轨道平面上，每个轨道平面有 4 颗卫星，但是 glonass 分布在 3 个轨道平面上，每个 轨道平面有 8 颗卫星。 地面网由位于俄罗斯全境的许多卫星监视和数据上行加载设施组 成。glonass 系统工作基于单向伪码测距原理，它对各颗卫星采用频分多址，根据载 波频率来区分不同卫星。 galileo 导航卫星系统 galileo 系统的基本结构包括空间星座、地面监控设施、服务中心、用户接收机等。 空间星座由 30 颗中轨道卫星组成，卫星均匀地分布在约为 2 万千米的 3 个轨道面上， 每个轨道上有 10 颗卫星，其中一颗是备用卫星。galileo 系统是欧洲自主、独立的全球 多模式卫星定位导航系统，可提供高精度、高可靠性的定位服务，同时实现完全非军方 控制和管理5。galileo 系统能够和美国的 gps、俄罗斯的 glonass 系统实现多系统内 的相互合作， 任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者是各系 统数据的组合来实现定位导航的要求。 北斗导航定位系统 为了满足我国国民经济和国防建设需要，结合我国国情，自 1994 年以来我国开始 研发具有自主知识产权的卫星导航定位系统-北斗导航系统。2000 年 10 月发射了 2 颗 北斗导航实验卫星， 这标志着我国已经拥有了自主的卫星导航定位系统。 该系统称为 “北 斗”双星定位系统，属于主动式导航定位系统，也称为“北斗一号” 。北斗导航系统使 中国成为世界上第 3 个具有卫星导航系统的国家。 北斗卫星系统是全天候，即时提供导航定位信息的区域导航系统。 “北斗一号”卫 星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类 西安科技大学硕士学位论文 4 用户机等部分组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星 i 和卫星 ii 同时发 送询问信号， 经卫星转发器向服务区内的用户广播。 用户响应其中一颗卫星的询问信号， 并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解 调用户发来的信号，然后根据用户申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中 心控制系统测出两个时间延迟：一是从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发 到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；二是从 中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗 卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因 此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离以及用户到两颗卫星距离和， 从 而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面， 和以两颗卫星为焦点的椭球面之 间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻得到用户高程 值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最 终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密后由出站信号发送给用户6-7。 北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区， 它可以在服务区域内任何时 间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，并提供双向短报文通信和 精密授时服务。北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔 业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有 特殊指挥调度要求的单位。 (2)转发式卫星导航定位技术 2002 年，中国科学院国家天文台和国家授时中心等单位组织相关科研人员进行研 究， 提出了一整套适合我国国情的有全球导航定位发展能力的区域卫星导航系统原理性 方案，即中国区域定位系统，简称为 caps(china area positioning system)。caps 方案采 用现役在轨的通信卫星上的转发器作中继， 将地面生成的测距码和导航电文数据码转发 给用户，实现定位和导航。 转发式卫星导航系统将导航频率基准和时间基准的原子钟直接装置在地面导航中 心站上，利用卫星转发器转发上行导航信号后广播下行的方式实现导航定位。转发式卫 星导航系统除了利用赤道同步轨道通信卫星转发器外， 还利用倾斜同步轨道卫星或者是 小倾角同步轨道卫星改善卫星星座组成的几何精度衰减因子(dop)，从而提高导航定位 精度。同步卫星本身固有的大覆盖范围和大容量的通信能力，使得导航定位等信息可以 直接通过通信系统传递。使用户导航定位数据的应用价值得到充分的运用，可以实现用 户中心的导航定位监控，形成基于位置和时间的信息服务产业1。 转发式卫星导航定位系统的构想是一种简便、功能强、省钱又能快速建成的卫星导 航定位系统的设计，使导航从高投资、长周期研制向着低投资、短周期研制方向发展， 也是导航民用化、市场化、普及化、实用化发展的一种趋势。 1 绪论 5 (3)定位增强技术 广域差分增强技术 在较大区域，设若干个监测站(已知点)，对卫星进行跟踪观测，基本思想是对 gps 观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以模型化，然后将计算出来的每 一个误差源的误差修正值(即差分改正值)，通过数据通讯链传输给用户，对用户 gps 接 收机的观测量误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户 gps 定位精度 的目的8。 基于伪卫星的增强技术 单纯的卫星导航定位系统尚不能完全满足复杂都市环境、 深山峡谷中的导航定位需 求，基于伪卫星增强技术的提出，为解决上述问题提供了一条有效的途径。伪卫星是布 设于地面上发射某种定位信号的发射器9。例如：gps 伪卫星传送传输码相位、载波相 位、数据格式和 gps 卫星基本相同的信号，gps 接收机捕获这些信号并从导航电文中得 到码相位伪距或者是载波相位的测量值。通过伪卫星增强卫星导航定位系统，不但能够 增加卫星导航定位系统在复杂环境下的覆盖范围，而且能够提升整个系统的可靠性、稳 定性以及测量精度，具有很强的发展潜力。 a-gps 技术 a-gps是gps辅助gsm网进行定位。gsm网收到gps辅助信息，gsm网将辅助信息 发送到手机，手机得到gps信息后，通过计算得出自身精确位置，然后手机将位置信息 发送到gsm网。这种方式有手机辅助方式和手机自主方式两种10。 手机辅助gps定位方式是将传统gps接收器的大部分功能转移到网络处理器上实 现。该方式需要天线、rf单元和数据处理器等设备。gsm网向手机发送一串极短的辅 助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数 有助于内置gps模块减少gps信号捕获时间。辅助数据来自经手机gps模块处理后产生 的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服 务器能大致估算出手机的位置。通过gsm网增加必要的修正后，可提高定位精度。 使用手机自主gps定位方式的手机包含一个全功能的gps接收器，除了具有手机辅 助gps定位方式中手机的所有功能，另外还增加了卫星位置和手机位置计算功能。运算 开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进 行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更 高的精度，则必须持续(间隔约30s)向手机发送差分gps(dgps)信号。dgps信号在非常 宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息 由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。 西安科技大学硕士学位论文 6 1.3.2 数字电视定位技术研究动态及发展趋势 我国数字电视地面广播标准 dtmb，拥有独立的自主知识产权。由于该标准下信号 帧与绝对时间严格同步， 所以在信号接收端可以通过信号帧帧头信息得到发射站发射信 号的绝对时间，这就为利用 dtmb 信号进行伪距测量提供了可能。发射站发射 dtmb 标准数字电视信号，用户接收机收到此信号后进行信号捕获，捕获到数字电视信号后， 用本地产生的复现码(即本地产生的同样结构的 pn 伪码序列)对捕获到的信号进行帧同 步处理。一旦达到帧同步，根据 dtmb 标准就能准确知道数字电视信号的信号帧号。 由于不同帧头模式的初始相位是已知的， 那么本地产生所确定的信号帧号的下一个初始 相位模式的复现码，利用此复现码与接收到的 pn 伪码进行相关处理，根据相关峰所处 的时间点得到一个接收机与发射站的时间差值，即可以得到伪距测量值。当用户接收机 同时接收四个发射站发射的数字电视信号，那么可以得到四个伪距测量值。利用这四个 伪距测量值可以得到包含用户三维位置信息 uuu zyx,和用户接收机与发射站系统时钟 误差四个未知参数的定位方程组，通过定位解算处理，从而完成整个定位过程。 目前，国内外利用数字电视信号作为 gnss 导航定位系统增强技术的研究还较少， 主要在基于美国的 atsc 标准上取得了一些研究成果。 美国 rosum 公司已经研制出基于 atsc 标准利用数字电视同步信号的定位系统，利用 tvgps 定位方式，并将此系统 进行了实测11。在美国加州的一个公园里进行了车载测试，其受多径影响较小，定位误 差为 2.6 米，在加州一栋办公楼的地下室内定位误差达到 4.4 米。 除此之外，对于欧洲的 dvb-t 标准和日本的 isdb-t 标准方面进行的研究还很少， 国内吴乐南教授及其团队在基于 dvb-t 标准定位方面做了一些理论研究，例如吴乐南 教授指导的研究生蒋燕的硕士论文基于数字电视广播信号的无线定位方法就是基于 dvb-t 标准的定位系统理论研究12。 利用数字电视信号定位无需改变现有的数字电视信号基础设施， 并且不像 gnss 导 航定位系统，数字电视信号不受电离层传播延迟的影响。同时，由于数字电视信号的高 能量和低占空比，使得信号处理要求降低，处理设备少，功耗降低。鉴于数字电视信号 的以上优点， 无论是现在还是将来， 基于数字电视信号的定位技术都会是一个研究热点。 1.4 论文结构 本论文研究利用我国 dtmb 标准数字电视信号发射站作为 gnss 系统的一类伪卫 星增强系统的定位方法。在研究我国电视标准 dtmb 的基础之上，建立基于 dtmb-gnss 的联合定位系统模型，通过对 dtmb 信号的捕获和跟踪，获得伪距测量 值。对联合定位算法进行仿真验证，最后搭建测试平台进行联合定位系统测试分析。 本论文内容按如下方式组织： 1 绪论 7 第一章是绪论，说明课题提出背景和研究意义，现有的卫星导航定位系统以及增强 定位技术，简单介绍了利用数字电视信号定位的基本原理及在这个领域的研究动态，给 出论文研究内容的组织结构。 第二章介绍 gnss 卫星导航定位原理，中国区域定位系统的导航原理，以 gps 接 收机为例介绍卫星导航接收机结构以及导航定位解算原理。 这章为本论文研究的联合定 位系统提供全面的参考。 第三章介绍了联合定位系统定位研究的基础，包括 dtmb 系统结构、dtmb 信号 结构，以及 dtmb 信号帧头 pn 伪码初始相位关系。而后建立基于 dtmb-gnss 的联 合定位模型，并进行功能分析。 第四章首先研究了 dtmb 信号伪距测量数学模型以及原理； 在此之上， 针对 dtmb 信号帧结构，提出 dtmb 信号的捕获与跟踪方法，并对其原理性进行仿真分析；最后 研究基于 dtmb-gnss 的联合定位解算算法，并进行仿真验证。 第五章首先简单介绍了联合定位系统结构、硬件平台，确定信号采集参数。然后通 过搭建联合定位系统测试平台进行实际测试， 并对联合定位系统的实际测试数据进行分 析。 第六章对论文工作做出总结，并展望论文的下一步工作。 西安科技大学硕士学位论文 8 2 卫星导航定位技术 2.1 卫星导航系统 导航就是利用某种方法或是手段， 引导交通工具或者是其他运动物体从一个位置移 动到另外一个位置的过程。导航的核心是定位。要实现导航必须对运动物体实施实时定 位，以便和目的地的位置相比较，进而计算出前进的距离和方位14。导航是对运动点而 言的，观测时间很短，观测数据要实时处理，提供相对参考位置的相对坐标，定位精度 不及固定点高。 定位一般是对固定点而言的， 允许较长时间的观测， 观测数据事后处理， 提供绝对坐标，定位精度较高。 2.1.1 gnss 卫星导航系统 全球导航卫星系统 gnss 的设计思想是应用处于空间的卫星作为参照点， 确定一个 物体的空间位置。根据几何学理论可以证明，通过精确测量地球上某个地点到三颗卫星 之间的距离，就能够确定此观测点的位置。gnss 定位原理如图 2.1 所示。 卫星卫星1 1 卫星卫星2 2 卫星卫星3 3 1 d 2 d 3 d 1 g 2 g 3 g 图 2.1 gnss 定位原理 卫星是高速运行的动态已知点，通过解算卫星导航电文可确知其瞬时位置。根据测 量卫星与用户接收机之间的距离，进行空间距离后方交会，就可以确定用户接收机的位 置。如图 2.1 所知，空间里 3 颗卫星分别从位于 321 ggg、的三点发射卫星信号，如果 通过解算卫星导航电文已知卫星 1、2、3 的瞬时位置，用空间直角坐标系表示为 3 , 2 , 1,izyx iii ， 通过测量信号从 3 颗卫星到用户接收机的传输时间可以计算出距离 观测量值分别为 321 ddd、，理论上可以列出如式(2.1)所示的方程组，此方程组将会有 两个位置解，其中一个位于地球上的定位点；另一个是位于太空中远离地球与之对称的 点，将此点舍弃。从而就确定了用户接收机的位置，记为zyx,。 2 卫星导航定位技术 9 2 3 2 3 2 33 2 2 2 2 2 22 2 1 2 1 2 11 zzyyxxd zzyyxxd zzyyxxd (2.1) 但是，由于卫星钟与用户接收机时钟难以保持严格同步，那么使得卫星到用户接收 机的距离观测量值，受到卫星钟和用户接收机时钟不同步的影响。卫星本身钟差可用导 航电文中所给的有关钟差参数进行修正，而接收机的钟差，一般预先难以准确的确定， 则需要把它作为一个未知参数。因此，在实际情况中为了达到定位精度的要求，至少需 要同时观测 4 颗以上的卫星。 影响 gnss 定位精度的好坏除了卫星本身、传送介质及接收机造成的误差外，另外 还包括了用户接收机所观测到卫星与用户接收机之间的几何分布情况。dop(dilution of precision)是精度衰减因子。dop 是由几何精度因子(gdop)、定位(三维)精度系数 (pdop)、水平位置(二维)精度系数(hdop)、垂直方向精度系数(vdop)、钟偏差系数 (tdop)等因素构成。 对于全球卫星导航系统 gnss 而言， 主要是指几何精度因子 gdop。 gdop 是一个直接影响定位精度，但是又独立于观测值和其他误差之外的一个量，其值 恒大于 1，最大值可达 10，其大小随时间和用户接收机位置而变化，在 gnss 定位时， 希望 gdop 值越小越好。 2.1.2 转发式卫星导航系统 转发式卫星导航定位系统由星座段、地面控制管理段和用户段三个部分组成。系统 组成结构如图 2.21所示。 倾斜同步轨道卫星， 地球静止轨道卫星， 小倾角同步轨道卫星 气压测高等传感器 件，伪卫星， 罗兰c台 测控 系统 地面通 信站 地面测轨 系统 广域差分 系统 数据处理及导 航电文生成、 发送系统 定时监测 系统 时频基准 通信发射设备 各类用户导航定位设备 导航通信接收设备 空间源 地面源 星座图 地面控制 管理段 用户段 图 2.2 转发式卫星导航系统组成结构 西安科技大学硕士学位论文 10 星座段包含三种类型的定位测距源：倾斜同步轨道卫星、地球静止轨道卫星、小倾 角同步轨道卫星。 地面控制管理段主要包括地面卫星测控系统、转发式卫星的地面测轨系统、数据处 理及导航电文生成与发送系统、地面通信站、时频基准、定时监测系统、广域差分系统。 用户段包括各类用户导航定位接收设备1。 在转发式卫星导航系统中，导航定位信号从地面段发出，通过卫星转发器转发到用 户接收机，总的传播时间 j t如式(2.2)所示： jr r jsj s jtj ttt (2.2) 其中： t 表示发射机线路时延； s j t是地面站发射天线到第j颗卫星接收天线之间的传播 时间； sj 为第j颗卫星转发引入的时间延迟； r j t是第j颗卫星转发器发射天线到用户接 收机天线之间的传播时间； r 是接收机电路时延； j 是各种因素造成的测量误差。 转发式卫星导航系统中信号传播的时间关系如图 2.3 所示。 导航卫星发射站卫星转发器（j）用户接收机 t s j t sj r j t r j t 图 2.3 转发式卫星导航系统信号传播时间关系 分析式(2.2)可知，当确定了地面发射站的坐标和卫星j的坐标之后，可以精确的算 出 s j t； sj 可以通过实测得到；发射机线路时延 t 和接收机线路时延 r 可以利用仪器测 量得到。把式(2.2)变形成： jrsj s jtj r j ttt )( (2.3) 从式(2.3)可以看出，如果用户接收机能得到 t 、 s j t、 sj 、 r 的数值，并且能够测量 出 j t，那么就可以得到包含有 j 的 r j t。 当知道了各颗卫星信号到达用户接收机的传播时间 r t， 就可以求出用户接收机到各 2 卫星导航定位技术 11 颗卫星之间的距离，从而可以从组成的多组球面方程中求解出用户接收机的位置。 2.2 卫星接收机结构 卫星接收机由天线单元和接收单元两大部分组成(以 gps 接收机为例进行说明)。 接 收机的基本构成框图如图 2.415所示。 前置放大器 频率变换器 变 频 器 频率 合成器 112 信号 通道 （信号 捕获、 跟踪） 存储器 微处理器 电源 显控器 数控接口 pc机 接收单元 天线单元 天线 图 2.4 卫星接收机基本构成框图 卫星信号是通过接收天线接收到的，天线单元由接收天线和前置放大器构成。 接收单元包括四个部分，分别是信号通道、存储单元、计算显示单元、电源。在接 收单元，射频信号被下变频到中频信号，利用模/数转换器对中频信号采样和数字化。 在信号通道部分，每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当这个卫星被锁定后便占 据该通道，直到失锁为止。为了达到快速定位的目的，卫星导航定位接收机具有多个信 号通道，即在同一频段内，由天线接收到的不同卫星信号送入不同的信号通道内进行基 带处理，包括信号的捕获、信号跟踪和数据采集15。 (1)信号捕获 信号捕获是卫星导航定位接收机信号处理的第一步，只有完成了信号捕获，才能开 始信号跟踪、伪距观测量提取和导航定位算法等后续处理工作。捕获的实质是使接收机 本地产生的载波和伪码与接收机所接收到的卫星发射的载波和伪码同步16。 根据卫星伪 码结构在本地产生伪码， 通过设置不同的本地伪码相位， 将本地伪码和输入信号做相关， 利用伪码的强自相关特性， 只有在本地伪码和信号伪码相位对齐的情况下才能产生很强 的自相关值，一旦某一个伪码相位对应的相关峰值超过了预定的门限值，就可以认为找 到了正确的本地伪码相位。在实际信号的捕获中，是设置好了本地伪码相位和本地载波 频率，再进行相关，最后检查相关结果确定是否实现了信号捕获。 (2)信号跟踪 西安科技大学硕士学位论文 12 跟踪的目的是提高捕获得到的 pn 码相位和载波频率的精度，并保持跟踪状态，进 而得到导航数据电文。在卫星导航定位接收机中有两个跟踪环：一个是载波跟踪环，另 一个是伪码跟踪环16。载波跟踪环的目的是跟踪载波频率的变化，使得本地载波频率与 输入信号中载波频率差保持在一个很小的范围内。 在卫星导航定位接收机中载波跟踪环 常用的是如图 2.5 所示的科斯塔斯环。基本思想是将输入的中频信号分别与本地载波的 cos和 sin相乘，结果用积分器积分得到同相分量i和正交分量q，然后利用载波环 路鉴相器处理同相分量和正交分量，从而得到相位误差，相位误差作为输入送给环路滤 波器，得到误差信号反馈给本地载波产生器，完成对信号载波的跟踪调整。 本地载波产生器环路滤波器载波环路鉴相器 积分器 积分器 输入信号 伪码产生器 控制信号 图 2.5 科斯塔斯环结构图 伪距测量精度取决于发送的伪随机码和接收的伪随机码之间时间延迟的测量精度， 而伪码跟踪环的功能就在于测量此时间延迟。伪码跟踪环路通常是由延迟环实现的，如 图 2.6 所示。由本地产生提前(early)、准时(prompt)、滞后(late)三个间隔半个码片的伪 码(即早码、准码、迟码)，并与输入信号做相乘，产生三个乘积值送入码环鉴相器进行 计算，计算的结果作为控制信号反馈到本地伪码产生器控制本地伪码的产生，从而实现 伪码跟踪环路。 前端滤波器本地伪码产生器 本地载波产生器 /2 载波环路 滤波器 码偏移估计 积分累加 积分累加 积分累加 码环路滤波器码环鉴相器 积分累加 积分累加 积分累加 来自载波环路鉴相器 i q 早码 准码 迟码 早码 准码 迟码 e i p i l i l q p q l q 图 2.6 延迟环结构 2 卫星导航定位技术 13 2.3 卫星导航定位解算 卫星导航定位接收机定位解算的数学模型如式(2.4)所示。 对于用户接收机来说，只要同时观测到 4 颗卫星的时候，得到了 4 颗卫星的瞬时位 置以及用户接收机与 4 颗卫星之间的伪距测量值，通过解算式(2.4)就可以得到三个主未 知量 uuu zyx、和一个辅未知量，即卫星与用户接收机之间的钟差 u b。 uuuu uuuu uuuu uuuu bzzyyxx bzzyyxx bzzyyxx bzzyyxx 2 4 2 4 2 44 2 3 2 3 2 33 2 2 2 2 2 22 2 1 2 1 2 11 (2.4) 式中：4321，i i 是 4 颗卫星到用户接收机的伪距测量值； iii zyx，4321，i是 4 颗卫星在地固坐标系中的星历(也即卫星的瞬时位置)； uuu zyx，是用户接收机在地 固坐标系中的坐标； u b是以距离表示的用户接收机与卫星的时钟偏差。 对于式(2.4)中的非线性方程通常采用如下的三种方法进行解算： 卡尔曼滤波法。 基于线性化的迭代方法。 利用解析的方法得到闭合形式解。 2.4 本章小结 gnss 导航定位系统是比较完整、成熟的定位系统。本章具体阐述了 gnss 卫星导 航定位系统的导航定位原理；我国提出的转发式卫星导航原理，也即中国区域定位系统 原理，讨论了转发式卫星导航系统的信号传播时间关系；以 gps 为例介绍了卫星接收 机结构，信号基带处理中的信号捕获与信号跟踪原理；给出了卫星导航定位解算数学模 型， 列出了常用的三种解算方法。 本章为基于 dtmb-gnss 联合定位系统的定位研究提 供全面的参考。 西安科技大学硕士学位论文 14 3 基于 dtmb-gnss 联合定位模型建立与功能分析 3.1 基于 dtmb-gnss 联合定位研究基础 3.1.1 dtmb 系统结构 2006 年 8 月 18 日中国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联 合发布了名为 gb20600-2006 数字电视地面广播传输系统帧结构、 信道编码和调制 (又 称为 dtmb 标准系统)的我国新一代电视地面广播标准。 从 2007 年 8 月 1 日开始实施以 来，已经完成了 37 个大中城市的信号覆盖。 国标 dtmb 融合了包括清华大学、上海交通大学和国家广播电影电视总局广播科 学研究院在内的多个提案中的特色技术， 具有统一的系统带宽、 系统符号速率、 帧结构、 系统信息定义、纠错编码和星座映射方式，是一个完整的系统和技术方案。 数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数据码流(ts 流)到地面电视信道传 输信号的转换。输入数据码流首先经过扰码器(即进行随机化)，接着进行前向纠错编码 (即 fec)， 是由外码(bch 码)和内码(ldpc 码)级联实现的。然后进行从比特流到符号流 的星座映射，再进行交织后形成基本数据块。基本数据块与系统信息复用后，经过帧体 数据处理后形成帧体。而帧体与相应的帧头(采用 pn 序列)复接为信号帧(即进行组帧)， 再经过基带后处理转换为基带输出信号(8mhz带宽内)。最后该信号经过正交上变频转 换成射频信号(uhf 和 vhf 频段范围内)发出17。 dtmb 系统结构如图 3.117所示。 随机 化 前向纠 错编码 星座映 射与交 织 系统信 息 复 用 帧 体 数 据 处 理 帧 头 组 帧 基 带 后 处 理 正 交 上 变 频 数据 输入 射频输出 图 3.1 dtmb 系统结构 3.1.2 dtmb 信号结构 dtmb 数据帧结构如图 3.217所示，它采用一种复帧结构，共有四层构成，分别为 信号帧、超帧、分帧和日帧。数据帧结构的最底层为信号帧，超帧定义为一组信号帧。 3 基于 dtmb-gnss 联合定位模型建立与功能分析 15 分帧定义为一组超帧，日帧定义为一组分帧。信号结构是周期的，并与自然时间保持同 步。 超帧的时间长度定义为 125ms,8 个超帧的时间长度对应 1s，这样便于与定时系统 (例如 gps 系统)校准时间。一个分帧的时间长度定义为 1min，包含 480 个超帧。日帧 以一个公历自然日为周期进行周期性重复，它是由 1440 个分帧构成，时间长度定义为 24h，在北京时间 00:00:00am或者其它选定的参考时间，日帧被复位，开始一个新的 日帧17。 01439 日帧 （24h） 0479 分帧 （1min） 首帧 超帧 （125ms） 帧头 pn序列 帧体 数据块 信号帧 （555.56 s/578.703 s/625 s） 00:00:00 am24:00:00 am 图 3.2 dtmb 数据帧结构 数据帧结构的基本单元是信号帧， 一个信号帧是由帧头和帧体两部分时域信号组成 的。帧头和帧体信号的基带符号速率是相同的，均为 7.56msps。 帧头部分由 pn 序列构成，帧头信号采用i路和q路相同的qam4调制。帧体部分 共有 3780 个符号，其中包含 36 个符号的系统信息和 3744 个符号的数据，帧体长度是 500s(3780*1/7.56s)。 为了适应不同的应用， dtmb 标准中定义了三种可选择的帧头模式以及相应的信号 帧结构，如图 3.3 所示。需要注意的是三种不同帧头模式所对应的信号帧的帧体长度和 超帧的长度都保持不变。对于图 3.3(a)信号帧结构，帧头包含 420 个符号，每 225 个信 号帧组成一个超帧；对于图 3.3(b)信号帧结构，帧头包含 595 个符号，每 216 个信号帧 组成一个超帧；对于图 3.3(c)信号帧结构，帧头包含