基于地面数字广播电视信号的定位系统及定位方法
【专利摘要】一种基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统，包括下变频及采样装置、分数倍时延TDOA检测装置、接收机位置计算装置和信噪比估计装置；以及定位方法，包括步骤：①采样取得离散信号；②相关处理；③检测出整数倍采样周期的信号到达时间差和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；④合并得到信号总的时间延迟差值；⑤换算为距离并通过坐标的几何关系得到接收机的坐标定位。本发明在保证了整数倍采样周期延迟的良好性能与系统的低复杂度的特性之下，能够准确地得到小数倍采样周期延迟从而突破一个采样周期的误差限制使得系统的精度再次提升，通过对环境的检测来预先对定位系统的结果进行误差估计与精度补偿。
【专利说明】基于地面数字广播电视信号的定位系统及定位方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及的是一种使用地面数字电视广播信号进行高精度到达时间差提取，并利用到达时间差进行高精度定位的方法，属于无线通信【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]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。
[0003]TDOA定位技术作为无线定位技术的一个研究方向，其主要技术特点为:TD0A技术是通过时间差进行检测的，当计算TDOA值时，计算误差对所有的基站都是相同的且其和为零，这些误差包括公共的多径误差和时钟同步误差。
[0004]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。
【发明内容】
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[0005]针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于地面数字电视广播信号的定位方法及定位系统，，能够精确检测小数倍采样周期延迟但不过多提高系统复杂度，使得接收机能快速、简单、精确的得到时间延迟，从而提高定位的精度。
[0006]本发明的主要想法是:地面数字电视广播信号在传播的过程中实际是存在小数倍采样周期的延迟，但是由于基于传统的时域相关的方法难以检测，所以限制了基于地面数字电视广播的TDOA定位技术的精度。本发明使用FIR滤波器将不易检测的小数倍延迟转变为容易检测的处理后信号，使得系统能够在不过多增加系统复杂度的情况下较为准确的检测出信号的延迟。此外由于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FIR滤波器并不能精确的检测出小数倍延迟，为了在低计算复杂度的情况下得到更精确的结果，在定位接收机附加一定的延迟可以将信号的延迟落点在较为线性的区域，就可以既精确又简单的得到信号传播的时间延迟，从而快速准确的定位接收机位置。
[0007]本发明的目的是依靠以下技术方案来实现的:
[0008]一种基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统，其特点在于，包括:下变频及采样装置、基于相关的分数倍时延TDOA检测装置、带有数据处理功能的接收机位置计算装置、以及信噪比估计装置；
[0009]所述的下变频及采样装置将接收到的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后，传输给所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置与信噪比估计装置；
[0010]所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置接收到的信号与已知的构成帧头的PN序列进行互相关，并分别检测整数倍延时与分数倍延时，并对分数倍延时进行校准后将两部分延时合并，将得到时间延迟差传输给接收机位置计算装置；
[0011]所述的信噪比估计装置，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；
[0012]所述的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。
[0013]所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置包括:相关器、整数倍时延检测器、分数倍时检测器、半整数倍延时估计器、以及TDOA时延合并器；
[0014]所述的相关器，将接收到的地面数字电视广播信号与已知的构成帧头的PN序列进行相关；
[0015]所述的整数倍时延检测器，对相关结果进行检测提取整数倍时延；
[0016]所述的分数倍时检测器，对相关结果进行检测提取分数倍时延，并将基于PN序列相关的分数倍延时转化线性信号；
[0017]所述的半整数倍延时估计器，用于提高当分数倍时延小于0.5符号时的估计精度；
[0018]所述的TDOA时延合并器，将整数倍符号延迟时间差与分数倍符号延迟时间进行差合计算信号总的时间延迟差值。
[0019]一种利用所述的基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统进行的高精度定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:
[0020]①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；
[0021]②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;
[0022]③利用PN序列的自相关和互相关特性，检测出整数倍采样周期的信号到达时间差，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；
[0023]④将整数倍符号延迟时间差与分数倍符号延迟时间差合并得到信号总的时间延迟差值；
[0024]⑤将时间延迟差值换算为距离并通过坐标的几何关系得到接收机的坐标定位。
[0025]本发明系统使用上采样的方法提高信号的采样速率，对与已知构成帧头的PN序列的定位接收机，接收到的信号在传播的过程中拥有了时间延迟，通过将采样速率提高到一定的频率，可以一定层度上提高所能检测出的到达时间差值精度，但是一味提高采样速率的方法将大大增加硬件的复杂度。
[0026]使用分数倍延时滤波器将不容易直接估计出的基于PN序列相的分数倍延时转化为容易获取的线性信号。该滤波器可采用固定系数的FIR滤波器实现，因此其复杂度极为简单。
[0027]当估计出的分数倍时延小于0.5时，将非线性的分数倍时延检测结果映射成为近乎线性的结果，从而将非线性的检测问题转化为线性的检测问题，降低了时延检测与估计的复杂度，并提高了定位算法的精度。
[0028]通过估计出的信噪比自适应地对检测出的结果进行误差估计与精度补偿。
[0029]本发明的一种基于地面数字电视广播信号的高精度定位方法与传统的基于地面数字电视广播的TDOA定位方法相比，在保证了整数倍采样周期延迟的良好性能与系统的低复杂度的特性之下，使用FIR滤波器进行检测能够准确地得到小数倍采样周期延迟从而突破一个采样周期的误差限制使得系统的精度再次提升；使用半时延检测方法补偿原始检测方法，可以使得小数倍延迟的检测变得线性，更加简单准确；使用接收信号上采样的方法能够在不改变传输信号的速率的前提条件下，成倍地降低估计出的定位距离误差；使用估计出的信噪比对检测偏差进行自适应校正的方法，可以通过对环境的检测来预先对定位系统的结果进行误差估计与精度补偿。
【专利附图】
【附图说明】
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[0030]图1本发明TDOA原理示意图。
[0031]图2本发明系统框图。
[0032]图3基于相关的分数倍时延TDOA检测。
[0033]图4本发明分数倍时延检测滤波器时域冲击响应示意图。
[0034]图5本发明采用的数字电视地面广播信号的帧结构示意图。
【具体实施方式】
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[0035]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的内容。
[0036]图1是本发明TDOA原理不意图，如图1所不，TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。由于绝对时间一般比较难测量，因此通过比较不同地面数字电视发射机发射出的电视信号到达定位接收机的时间差，就能作出以信号源为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是接收机的位置。在TDOA算法中，定位精度是依靠时间差信息来决定的，因此本发明利用地面数字电视广播信号来提供高精度的时间差信息得出高精度的距离信息的方法来达到高精度的定位结果。
[0037]在定位接收机使用上采样的方法，用于提高信号的采样速率，以缩短采样周期；使用分数时延滤波器从接收信号中估计出分数倍采样周期的到达时间差，该方法可用以精确计算地面数字电视发射机与定位接收机之间的距离；使用半整数倍采样周期延时估计，提高当分数倍时延小于0.5时的估计精度；还可以根据输入信号的信噪比自适应地对检测偏差进行补偿校正，以提高检测精度。
[0038]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。
[0039]由于噪声会对到达时间差的估计精度带来负面的影响，通过对接收到的信噪比进行估计，再自适应地调整滤波器参数，可对估计结果进行补偿，以进一步提高估计的精度。
[0040]本发明的系统结构如图2所示，依照本发明一种实例的基于地面数字电视广播信号的定位接收机，包括下变频及采样装置、基于相关的分数倍时延TDOA检测装置、带有数据处理功能的接收机位置计算装置、以及信噪比估计装置。
[0041 ] 定位接收机接收直接经过信道的地面数字电视广播信号，在下变频及采样装置中将接收到的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并送入基于相关的分数倍时延TDOA检测装置与信噪比估计装置。如图3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。
[0042]一种基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统进行的高精度定位方法包括如下步骤:
[0043]①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；
[0044]②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;
[0045]③利用PN序列的自相关和互相关特性，检测出整数倍采样周期的信号到达时间差，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；
[0046]④将整数倍符号延迟时间差与分数倍符号延迟时间差合并得到信号总的时间延迟差值；
[0047]⑤将时间延迟差值换算为距离并通过坐标的几何关系得到接收机的坐标定位。
[0048]如图5所示，地面数字电视广播信号的帧结构本身就拥有由PN序列构成的帧头，这个帧头不受发送的数据改变而改变，而在提取时间信息时只需要用到该固定不变的帧头序列，因此不需要改变地面数字电视广播信号的发射机与信号格式。
[0049]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。
[0050]由于相关结果不容易直接进行检测，因此可以将相关结果送入分数时延滤波器，如图4所示，通过检测经过滤波器之后的信号就可以得到更为精确的距离信息。
[0051]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3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。
[0052]由于噪声会对到达时间差的估计精度带来负面的影响，因此在系统得到距离信息之后，需通过对接收到的信号的信噪比(SNR)进行估计，再根据信噪比自适应地调整滤波器输出增益，以对估计结果进行补偿，并进一步提高估计的精度。
【权利要求】
1.一种基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统，其特征在于，包括:下变频及采样装置(I)、基于相关的分数倍时延TDOA检测装置(2)、带有数据处理功能的接收机位置计算装置(3)、以及信噪比估计装置(4)； 所述的下变频及采样装置(I)将接收到的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后，传输给所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置(2)与信噪比估计装置⑶； 所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置(2)接收到的信号与已知的构成帧头的PN序列进行互相关，并分别检测整数倍延时与分数倍延时，并对分数倍延时进行校准后将两部分延时合并，将得到时间延迟差传输给接收机位置计算装置(3)； 所述的信噪比估计装置(4)，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(3)； 所述的接收机位置计算装置(3)利用TDOA算法处理各个时间差并将位置坐标输出，同时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。
2.根据权利要求1所述的基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统，其特征在于，所述的基于相关的分数倍时延TDOA检测装置(2)包括:相关器(21)、整数倍时延检测器(22)、分数倍时检测器(23)、半整数倍延时估计器(24)、以及TDOA时延合并器(25)； 所述的相关器(21)，将接收到的地面数字电视广播信号与已知的构成帧头的PN序列进行相关； 所述的整数倍时延检测器(22)，对相关结果进行检测提取整数倍时延； 所述的分数倍时检测器(23)，对相关结果进行检测提取分数倍时延，并将基于PN序列相关的分数倍延时转化线性信号； 所述的半整数倍延时估计器(24)，用于提高当分数倍时延小于0.5符号时的估计精度； 所述的TDOA时延合并器(25)，将整数倍符号延迟时间差与分数倍符号延迟时间进行差合计算信号总的时间延迟差值。
3.一种利用权利要求1或2所述的基于地面数字电视广播信号的高精度定位系统进行的高精度定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: ①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； ②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； ③利用PN序列的自相关和互相关特性，检测出整数倍采样周期的信号到达时间差，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； ④将整数倍符号延迟时间差与分数倍符号延迟时间差合并得到信号总的时间延迟差值； ⑤将时间延迟差值换算为距离并通过坐标的几何关系得到接收机的坐标定位。
【文档编号】G01S5/10GK104181501SQ201410414944
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】王仲豪, 熊箭, 归琳, 刘勃 申请人:上海交通大学