基于DTMB数字电视广播信号的定位技术研究-

1、CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京基于DTMB数字电视广播信号的定位技术研究宋轲欣123 华宇12 郭伟123 向渝123 李实锋12(1中科院国家授时中心,陕西西安,邮编7106002中科院国家授时中心精密导航定位与定时技术重点实验室,陕西西安,邮编7106003中国科学院研究生院,北京,邮编100039摘 要:在建筑物内部、人口密集区域以及城市中心地带,卫星信号容易被遮挡、干扰,导致其定位概率低、实时性较差。而数字电视地面广播信号发射功率大、频率低、带宽高,更适合都市和室内环境的精确定位。本文1研究和分析了我国数字电视地面广播标准(GB2006-20600DTMB,通过仿真证明

2、了利用数字电视信号定位的可行性。在此基础上研制了数字电视接收实验平台,并对西安市数字电视地面广播信号进行了成功捕获、跟踪。最后,应用CAPS卫星和数字电视信号进行了联合定位试验,并获得了实测结果。结果证明,采用配合数字电视地面信号联合卫星导航信号进行无线定位可以实现都市复杂环境的精确定位,对于我国开展自主导航定位方法研究和应用有着积极、深远的意义。关键词:DTMB;GNSS;伪码相关;联合定位The research of positioning based on DTMB digital televisionbroadcasting signalSong Kexin123 Hua Yu12

3、Guo Wei123 Xiang Yu123 Li Shifeng121 National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xian 710600, Shaanxi, China2 Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, Xian 710600, Shaanxi, China3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, ChinaAbstract:Th

4、e positioning probability of satellite navigation signal is bad and no-real time inside the building and some people dense areas such as the center of the city because of the signal kept out and interfered. And the digital television terrestrial broadcasting signal is powerful in sending power, low

5、in frequency and wide in base bandwidth, so it is suitable for the precision positioning inside the building and the city center.In this paper the feasibility of the positioning used the digital television terrestrial broadcasting (DTMB signal which is regulated by the national standard GB2006-20600

6、 is proved. Then the receiver based on this signal is developed, and the signal capture and tracing is successful in Xian by this receiver. In the end the positioning result combined with the CAPS and the DTMB signal is achieve. The result is shown that the positioning combined with satellite naviga

7、tion signal and the DTMB signal is precise in the complex city environments. This method is significant and helpful to the research of self-determination positioning and navigation method of our country.Keyword:DTMB, GNSS, PN code correlation, combined position1引言自从卫星导航系统成为最主要的导航手段之一以来,越来越多的GNSS系统成为

8、研究的焦点。虽然GNSS系统导航存在很多优点,但是我们也应该看到其在导航方面存在的诸多问题:比如GNSS系统卫星从高空向地面发射信号,由于多径效应、卫星轨道误差、电离层延迟效应等会产生很大定位误差;单一使用GNSS卫星在复杂都市环境下定位概率不足60%;室内空间定位能力更是为零等等。1 基金项目:中科院西部之光项目(项目编号:O905YR3301,中科院西部之光项目(项目编号:O811YR4301,自然基金项目(项目编号:O915ZK13012006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

9、调制(又称为DTMB 标准系统的我国新一代电视地面广播体系。自2007年8月1日开始实施以来,DTMB 信号已经覆盖了37个大中城市。由于数字电视地面广播信号发射功率大、频率低、带宽高,所以可以利用数字电视地面广播标准联合GNSS 导航系统进行复杂都市环境下的定位导航;另外由于在都市环境和室内环境下,接收端可以准确接收数字电视地面广播信号,所以可以利用该信号对GNSS 导航信号进行补充与增强。利用DTMB 信号测量发射站到接收端的距离,进而参与GNSS 定位解算,可以在GNSS 信号覆盖区提高接收端的定位精度。 2 DTMB 信号帧信道传输格式DTMB 标准信号的基本单元为信号帧,其在发射端的

10、发射时间是与单频网适配器所提供的GPS 时间严格时间同步的。具体地说:1个自然日包括1个日帧,1个日帧中包括1440个分帧,编号从0到1439;1个分帧中包括480个超帧,编号从0到479,每8个超帧对应1自然秒,其中每8个超帧中的第1个超帧为首帧;1个超帧包括了长度不等的一组信号帧;信号帧是由帧头和帧体共同组成的;而帧头则是由前同步、后同步和PN 码构成的。其结构如下图1 所示。信号帧长度的不同是由于,在DTMB 标准中定义了三种可选帧头模式以及相应的信号帧结构,分别称做PN420、PN595和PN945模式。通过对西安市区DTMB采集信号分析,验证了该信号属于PN420模式,其帧头采用8级

11、LFSR 所能产生的255个初相中的225个来规定1个超帧中的225个不同的信号帧。图13 数字电视基站与CAPS 系统时间同步利用数字电视信号增强CAPS 定位中,由于DTMB 与CAPS 存在系统时间差,所以在定位之前对DTMB 与CAPS 系统时间进行同步是关键且必须的。当观测数据同时包含4颗以上卫星导航数据时,在接收端可以对数字电视系统和卫星导航系统进行系统时间同步。设GR t 为CAPS 系统时间与接收端本地时钟的时间差,DG t 为CAPS 系统时间与DTMB 系统时间的时间差,则DTMB 系统时间与接收端本地时钟的时间差为DR DG GR t t t =+。此时DTMB 发射站做

12、为坐标已知的冗余伪卫星参与CAPS 定位解算:i GR c t =+,(1 (D DG GR c t t =+,(2 式中,i 为可视卫星到接收端伪距,D 为DTMB 发射站到接收端伪距,i i i X Y Z ,D D D X Y Z 和,R R R x y z 分别表示CAPS 卫星,DTMB 发射站和接收端的位置坐标,其中1,2,iN =",N 表示同一时刻接收端可视CAPS 卫星数目。CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京联立方程(1和(2,可以确定DTMB基站与CAPS系统时间差,进而同步DTMB与CAPS。4 电视信号传播时延的测量PN420模式下,信号帧头为8位

13、LFSR产生的420bit扩频伪码,共有225个不同的初始相位,从0#224#依次编号且周期循环。在DTMB信号中基带伪码码速率为7.56Mbps,帧头伪码持续时间为55.5556us,而帧体电视信号持续时间为500us。对DTMB信号进行采样并本地伪码相关峰值,根据全部多个相关峰值分布关系和相对峰值大小,完成DTMB信号跟踪和对当前帧头初相编号辨识。在当前帧头同步上之后,可以利用本地产生的下一个帧头伪码与接收到的帧头伪码相关,相关峰值产生的位置就是信号传播对应的传播时延t,包括:信号传播时延s t、本地与发射端系统时间钟差diff t、本地处理信号时延proct等,与t相对应的就是DTMB信

14、号发射端到接收端的伪距。并且由于DTMB信号严格时间同步,所以本地每间隔125ms的整倍数时间,对信号帧传播时延进行测量,就可以保证对同一初始相位编号的伪码序列进行跟踪和测量。5 联合定位及结果分析 图2 图3图2所示为在陕西西安南绕城高速公路长安路出口附近,3颗GNSS卫星与1个DTMB发射站联合定位的结果。在接收端可视3颗卫星,不能进行定位解算的时候,利用GNSS与DTMB联合定位得到相对接收端准确坐标定位结果:纬度均值59.4米,经度均值10.6米,定位均值到接收端实际坐标距离60.4米,纬度均方差值39.1米,经度均方差值5.1米。图3所示为在西安交通大学校区内,3颗GNSS卫星与1个

15、DTMB发射站联合定位的结果。在接收端可视3颗卫星,不能进行定位解算的时候,利用GNSS与DTMB联合定位得到相对接收端准确坐标定位结果:纬度均值292.0米,经度均值4.0米,定位均值到接收端实际坐标距离292.0米,纬度均方差值49.6米,经度均方差值5.2米。6 结论利用数字电视信号与导航卫星信号相结合的方式,对都市环境中的接收端定位,不仅可以改善单一依靠导航卫星在都市复杂环境下定位率低的情况,而且可以提高导航卫星定位精度,为组合导航提供了一种新的理论基础和技术手段;同时由于数字电视发射基站已经建成并投入使用,且联合定位过程中对数字电视发射前端不做任何修改,因此此种方法的应用前景相当广阔

16、。参 考 文 献1 Elliott D. Kaplan 著,邱致和、王万义 译,GPS原理与应用(第一版M,电子工业出版社,P24-P30,2002-082 James Bao-Yen Tsui, Fundamentals of Global Positioning System Receivers: A Software Approach (secondedition M, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION, P68-P100, 20053 周忠谟、易杰军、周琪,GPS卫星测量原理与应用M,测绘出版社,P97-P120,2004-084 李富强、陈俊峰、郑宝周等,基于PCI9820的综合采集系统设计J,河南科技,第26卷第1期,2008-015 雷伟龙、王军,清华大学 电子工程系 微波与数字通信国家重点实验室,数字电视国标系统DTMB工作模式盲检测J,电视技术,2007年第31卷第7期(总303期p40-436 李苇、符剑、宋健,清华大学微波与数字通信国家重点实验室,DTMB 接收机本地训练序列的简化J,电视技术,2008年第32卷第08期(总第317期7 季海卫,国标地面数字电视产业如何“逆势飞扬”J,天堂之芯第115期,2009-03-31