專利名稱：Toa定位的估計方法及基于該估計方法的精確定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線數(shù)字傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種TOA定位的估計方法及基于該估計 方法的精確定位方法。
背景技術(shù)：
隨著軍事及民用上對無線精確定位的需求的迅速增加，無線定位技術(shù)近年來收到 廣泛的關(guān)注并取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展。美國的GPS(Global Positioning System,全球 定位系統(tǒng))、歐洲的伽利略(Galileo)系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及我國的"北斗"定 位系統(tǒng)等(請參見文獻(xiàn)[l]E. D. Kaplan, C. Hegarty， "Understanding GPS :Principlesand Applications, Second Edition, ，，Boston， USA :Artech HousePublishers， 2005)，憑借著廣 域覆蓋的巨大優(yōu)勢，將無線電定位技術(shù)推向 一個新的高度。 但是，衛(wèi)星定位系統(tǒng)仍存在許多缺點，比如衛(wèi)星從約2萬公里的高空向地面發(fā)射 信號，由于多徑效應(yīng)、衛(wèi)星軌道誤差、電離層延遲效應(yīng)等會產(chǎn)生定位誤差；衛(wèi)星定位技術(shù)在 市區(qū)內(nèi)的定位概率不高，而在室內(nèi)和地下停車場等場景下的定位概率幾乎為零，因此使用 衛(wèi)星定位技術(shù)很難進(jìn)行緊急救援定位；衛(wèi)星定位實時性較差，首次定位可能需要IO分鐘左 右甚至更長的時間才能完成初始化和搜星并進(jìn)而轉(zhuǎn)入正常導(dǎo)航定位工作模式，會貽誤緊急 救援工作；衛(wèi)星定位系統(tǒng)通常也會受到一些軍事或者政治目的限制，如美國政府對GPS采 用SA(Selective Availability,選擇可用)政策，在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星定位會受到 干擾。此外，昂貴的衛(wèi)星接收設(shè)備對于大多數(shù)普通民用用戶而言是難以接受的。
另一方面，地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)已開始在全球大規(guī)模建設(shè)，在國際上已經(jīng)頒 布了三種地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)美國ATSC(AdvancedTelevision Systems Committee, 高級電視系統(tǒng)委員會)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)采用了單載波調(diào)制，而歐洲D(zhuǎn)VB-T標(biāo)準(zhǔn)和日本 ISDB-T (Integrated ServiceDigital Broadcasting-Terrestrial,地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣 播)都采用了基于OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用) 技術(shù)的多載波調(diào)制技術(shù)。我國已于2006年8月頒布了《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、 信道編碼和調(diào)制》地面數(shù)字電視國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)DTMB，并于2007年8月1日開始實施。目前， 中國DTMB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在大陸部分地區(qū)及香港、澳門等地區(qū)取得了成功應(yīng)用，將很快形成一個 覆蓋全國的網(wǎng)絡(luò)，同時DTMB正積極進(jìn)軍海外，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
隨著地面數(shù)字電視的廣泛運用，數(shù)字電視產(chǎn)生的增值服務(wù)也將越來越受到人們的 關(guān)注。在2008年出臺的DVB-T2 (Digital VideoBroadcasting-Terrestrial 2，第二代歐 洲地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn))中就采用了物理層管道等技術(shù)提供除廣播以外的其他多種業(yè)務(wù)。直 接利用現(xiàn)有的數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無線定位也越來越得到人們的關(guān)注，已有文獻(xiàn)報 道，基于美國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)ATSC的無線定位精度可達(dá)1米量級，而基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)DVB-T的 無線定位也可達(dá)到類似的精度。與衛(wèi)星定位相比，數(shù)字電視信號不受衛(wèi)星多普勒效應(yīng)和電 離層傳播延遲的影響，數(shù)字電視信號本身還具備一定的室內(nèi)接收能力，因此市區(qū)定位概率 高，還可滿足室內(nèi)定位要求，同時數(shù)字電視信號的碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS的C/A碼，因此定位的實時性大大增強(qiáng)，而且信號處理復(fù)雜度小、功耗低，此外還可利用現(xiàn)有的地面數(shù)字電視基礎(chǔ) 設(shè)施，無需改變就可以直接用于無線定位。因此，研究基于數(shù)字電視信號的精確定位技術(shù)， 對于提升數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的價值、提供低成本全天候精確三維導(dǎo)航定位信息等都具有非常重 要的意義。 歐洲的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)、日本的ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)和中國的DTMB標(biāo)準(zhǔn)都采用多載波傳輸 技術(shù)。目前，利用多載波信號進(jìn)行無線定位的方法主要分為兩類一類是基于符號定時 同步的算法及其改進(jìn)算法，其中性能較好的一種方法是Mensing在文獻(xiàn)[2]C. Mensing， S. Plass， and A. Damma皿，"Synchronization Algorithms for Positioning with OFDMComm皿ications Signals," in Proc. 4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC' 07)， Mar. 2007， pp. 205-210.中提出的算法，定位精度大約 為3米，但算法非常簡單，復(fù)雜度僅為o(N)，其中N為用于定位的觀測數(shù)據(jù)長度；另一類 則是基于譜估計中的高分辨率算法，該類算法具有較高的定位精度，如MUSIC(Multiple Signal Classification)算法(請參見文獻(xiàn)[3]X丄i， K. Pahlavan， "Super-resolution T0A Estimation with Diversity for IndoorGeolocation， ，， IEEE Trans on Wireless Communications, ， vol. 3， no. 1， pp. 224—234， Jan. ，2004.)的定位精度大約是2米、 ML(Maximum Likelihood)算法(請參見文獻(xiàn)[4]Voltz， P.J. ， Her薩dez， D. ， "Maximum likelihoodtime of arrival estimation for real—time physical location tracking of802. lla/g mobile stations in indoor environments, ，， in Proc. IEEEPosition Location and Navigation Symposium (PLANS' 04) ， April, 2004， pp. 585-591)的精度是 0. 5米、MP (Matrix Pencil)算法(請參見文獻(xiàn)[5]T. J. S. Khanzada， A. R. Ali， A. S. Omar， "Time Difference of ArrivalEstimation using Super Resolution Algorithms to Minimize DistanceMeasurement Error for Indoor Positioning Systems, ，， in Proc. IEEEInternational Conference on Multitopic Conference(INMIC' 08) ， Dec. ，2008， 卯.443-447)的精度則可達(dá)0.2米，但該類算法復(fù)雜度比較高，一般在o(N3)數(shù)量級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種TOA定位的估計方法及基于該估計方法
的算法簡單、定位更新速度快、系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、適用范圍廣的精確三維定位的方法。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種TOA定位的估計方法，包括以下
步驟先將包含于多載波數(shù)字電視信號中的時域的定位數(shù)據(jù)變換到頻域，然后利用已知的
頻域定位數(shù)據(jù)去除其相位信息，對該結(jié)果進(jìn)行延時自相關(guān)計算，并對求出的延時自相關(guān)序
列進(jìn)行差分運算，最后對所得的差分序列取相位求平均，從而得到多載波數(shù)字電視信號的
傳輸時延細(xì)估計值，其中，所述定位數(shù)據(jù)為已知的序列。 所述已知的序列為m序列、Gold序歹lj、 Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序
列中的一種，或者上述各序列中的一種經(jīng)逆傅里葉變換到時域后得到的序列。 所述定位數(shù)據(jù)位于多載波數(shù)字電視信號的信號幀中已有的保護(hù)間隔或者數(shù)字信
號幀的幀體中。 本發(fā)明還提供了一種定位方法，其基于上述TOA定位的估計方法進(jìn)行定位，所述 定位方法包括步驟
Sl，發(fā)射帶有定位信息的多載波數(shù)字電視信號；所述定位信息包括發(fā)射端的二維 或三維坐標(biāo)位置信息和定位數(shù)據(jù)，所述定位數(shù)據(jù)為已知的序列； S2，對接收到的所述多載波數(shù)字電視信號進(jìn)行時域幀同步，獲取幀號信息和本幀 信號的起始時刻，從而得到傳輸時延粗估計值； S3，截取所述定位信息中的定位數(shù)據(jù)，利用上述T0A定位的估計方法計算得到傳 輸時延細(xì)估計值，并利用傳輸時延估計值計算得到接收端與發(fā)射端之間距離的估計值；
S4，求出接收端與多個發(fā)射端之間距離的估計值之后，利用所述距離的估計值以 及所述二維或三維坐標(biāo)位置信息利用定位算法計算得到用戶所在位置的二維或三維位置 信息以及二維或三維速度信息。 所述三維坐標(biāo)位置信息插入在可擴(kuò)展的多載波數(shù)字電視系統(tǒng)中的系統(tǒng)信息中發(fā) 射，所述系統(tǒng)信息至少包括保護(hù)間隔長度、數(shù)據(jù)調(diào)制方式、編碼方式和發(fā)射分集標(biāo)識符。
在所述步驟S2中，接收端利用相鄰數(shù)字電視信號幀的保護(hù)間隔的相同/相似性或 者該保護(hù)間隔結(jié)構(gòu)本身的相同/相似性，通過相關(guān)峰檢測的方法完成時域幀同步，從而得 到傳輸時延粗估計值。 所述三維速度信息通過相鄰兩幀或多幀的時間內(nèi)獲得的三維定位信息計算得到。
所述二維速度信息通過相鄰兩幀或多幀的時間內(nèi)獲得的二維定位信息計算得到。
所述三維位置信息包括用戶所在位置的經(jīng)度、緯度和高度。
所述二維位置信息包括用戶所在位置的經(jīng)度和緯度。
上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點 1)定位精度高仿真結(jié)果表明，利用OFDM信號幀中的循環(huán)前綴進(jìn)行相關(guān)峰檢測從 而實現(xiàn)定位的方法，其精度一般只有幾米?；贠F匿信號的超分辨率定位方法如MUSIC法、 ML法以及MP法具有較高的定位精度， 一般可達(dá)分米量級。而本發(fā)明的方法，定位精度可以 達(dá)到厘米量級，完全可以滿足一般的商用定位需求。 2)實現(xiàn)復(fù)雜度低利用OF匿信號幀中的循環(huán)前綴進(jìn)行相關(guān)峰檢測從而實現(xiàn)定位 的方法具有很低的復(fù)雜度，只有o (N)，其中N為定位數(shù)據(jù)的長度，這里為循環(huán)前綴的長度。 但這種方法的定位精度較差?；贠F匿信號的超分辨率定位方法具有較高的定位精度，但 這類算法的復(fù)雜度較高，如MUSIC法在每次迭代過程中需要N3+N2次乘法，ML法需要9N3次 乘法，MP法的復(fù)雜度也在o(N3)量級。而本發(fā)明的方法，其復(fù)雜度為o(N log2 N)，遠(yuǎn)低于超 分辨率算法的復(fù)雜度。 3)定位更新速度快當(dāng)采用普通數(shù)字電視信號幀中的保護(hù)間隔作為定位數(shù)據(jù)時， 由于保護(hù)間隔在每一信號幀中均存在，且信號幀的持續(xù)時間通常為幾百微秒，因此定位信 息可以每幀更新一次，定位更新速度非?？?，因此定位的實時性大大增強(qiáng)，完全可以滿足實 時救援等應(yīng)用的需求；當(dāng)通過在已有的數(shù)字電視信號幀中插入一些定位幀來實現(xiàn)定位時， 定位更新的速度與插入定位幀的頻率成正比，可根據(jù)實際系統(tǒng)的需求來靈活選取插入定位 幀的頻率； 4)系統(tǒng)兼容性強(qiáng)本發(fā)明的方法中，當(dāng)采用普通數(shù)字電視信號幀中的保護(hù)間隔作 為定位數(shù)據(jù)時，可以完全不用修改已有的數(shù)字電視基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字電視信號的結(jié)構(gòu)和形 式，僅需要在可擴(kuò)展的系統(tǒng)信息中增加本發(fā)射塔的三維坐標(biāo)信息即可，因而與現(xiàn)有數(shù)字電 視網(wǎng)絡(luò)具有最大的兼容性；
5)適用范圍廣與衛(wèi)星定位相比，數(shù)字電視信號不受發(fā)射機(jī)多普勒效應(yīng)和電離層 傳播延遲的影響，數(shù)字電視信號本身還具備較強(qiáng)的室內(nèi)接收能力和移動接收能力，因此市 區(qū)定位概率高，還可滿足室內(nèi)定位要求，同時帶有定位功能數(shù)字電視終端將進(jìn)入普通老百 姓家庭，人們無需采用專門的定位設(shè)備就可以達(dá)到實時定位的目的，因而具有非常廣的適 用范圍。


圖1為本發(fā)明實施例的定位方法流程圖； 圖2為示出本發(fā)明實施例中定位數(shù)據(jù)所處位置的一種方式的示意圖； 圖3為示出本發(fā)明實施例中定位數(shù)據(jù)所處位置的另一種方式的示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例中進(jìn)行T0A頻域細(xì)估計的方法流程圖； 圖5為本發(fā)明實施例中進(jìn)行傳輸時延估計的示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例中基于TOA法進(jìn)行用戶定位的示意圖； 圖7為本發(fā)明實施例中基于TDOA法進(jìn)行用戶定位的示意圖； 圖8為本發(fā)明實施例的定位方法與現(xiàn)有技術(shù)的幾種典型定位方法的定位精度對 比結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 依據(jù)本發(fā)明實施例的利用多載波數(shù)字信號進(jìn)行精確三維定位的方法，其步驟如圖 1所示，包括數(shù)字電視發(fā)射塔發(fā)射帶有定位信息的多載波數(shù)字電視信號；接收端首先進(jìn)行 時域幀同步后找到多載波數(shù)字電視信號幀的起始位置，并通過解調(diào)普通的數(shù)字電視信號幀 或者系統(tǒng)信息獲得發(fā)射塔的二維或三維坐標(biāo)信息，然后接收端在頻域進(jìn)行信號傳輸時延細(xì) 估計，從而得到精確的傳輸時延值將該傳輸時延值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電視發(fā)射塔與接收端之間的 偽距，用戶通過測量獲得接收端與多個數(shù)字電視發(fā)射塔之間的偽距后，便可求解出該用戶 所在的二維或三維位置信息，并可以通過相鄰兩幀或多幀的定位信息或者該用戶的二維或 三維速度信息。 本實施例中，在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射端，數(shù)字電視信號中的定位信息包括兩 種發(fā)射機(jī)本身三維坐標(biāo)的位置信息以及用于接收機(jī)進(jìn)行傳播時延估計的定位數(shù)據(jù)。
其中，位置信息可以作為數(shù)字電視系統(tǒng)中系統(tǒng)信息的一部分，插入在可擴(kuò)展的系 統(tǒng)信息中(多載波數(shù)字電視系統(tǒng)中的系統(tǒng)信息包括保護(hù)間隔長度、數(shù)據(jù)調(diào)制方式、編碼方 式、發(fā)射分集標(biāo)識符等)，其具體可以是位置信息通過專門的系統(tǒng)信令符號來發(fā)送，比如 在類似于DVB-T2中的PI符號中包含發(fā)射塔的位置信息；或者位置信息分散在數(shù)字電視信 號幀中周期性重復(fù)發(fā)送，比如在類似于DTMB中的TPS中包含發(fā)射塔的位置信息。
定位信息中的定位數(shù)據(jù)是已知的多載波數(shù)據(jù)，其可以是時域上具備特定特征的 序列，如m序列、Gold序歹l」、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列等，或者其他任何 形式的已知序列；或者是頻域上具備上述特定特征的已知序列通過IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅立葉逆變換)到時域后的序列。
對于定位信息中的定位數(shù)據(jù)所處的位置，其可以是位于信號幀結(jié)構(gòu)中的保護(hù)間隔 中；或者位于信號幀結(jié)構(gòu)中的幀體中，該定位數(shù)據(jù)與普通的數(shù)字電視信號幀一樣，需要在其 前面加上保護(hù)間隔，從而構(gòu)成一個數(shù)字電視定位幀；為了最大限度地保持已有數(shù)字電視系 統(tǒng)不變，本實施例中選擇前一種方式，即定位數(shù)據(jù)位于信號幀結(jié)構(gòu)中的保護(hù)間隔中。
在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的接收端，首先對接收到的多載波數(shù)字電視信號進(jìn)行時域幀同 步，幀同步后獲取幀號信息和本幀信號的起始時刻，從而獲得TOA(time of arrival,到達(dá) 時間)定位法時域粗估計。幀同步可以利用相鄰數(shù)字電視信號幀的保護(hù)間隔的相似性，通 過檢測相關(guān)峰的方法獲取幀同步；也可以利用數(shù)字電視信號幀的保護(hù)間隔結(jié)構(gòu)中本身的相 似性(比如保護(hù)間隔為兩個重復(fù)的時域或者頻域序列，或者保護(hù)間隔本身帶有時域循環(huán)前 綴)，通過檢測相關(guān)峰的方法獲取幀同步；還可以利用本地序列與接收序列的相關(guān)峰來獲 取。 在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的接收端，接收機(jī)還需要利用多載波定位數(shù)據(jù)在頻域進(jìn)行傳播時 延細(xì)估計，以獲取精確的傳輸時延估計。上述定位方法所基于的TOA定位的估計方法具體 為先將時域定位數(shù)據(jù)變換到頻域，然后利用已知的頻域定位數(shù)據(jù)去除其相位信息，對其結(jié) 果進(jìn)行延時自相關(guān)計算，并對求出的延時自相關(guān)序列進(jìn)行差分運算，最后對所得的差分序 列取相位求平均，從而得到傳輸時延細(xì)估計值。具體算法如下 利用所述定位數(shù)據(jù)計算得到傳輸時延細(xì)估計值，利用傳輸時延估計值計算得到接 收端與發(fā)射端之間距離的估計值的步驟具體為 若所述定位數(shù)據(jù)位于多載波數(shù)字電視信號的信號幀中已有的保護(hù)間隔中，該定位
數(shù)據(jù)的頻域信號表示為{d (k) } k = 。N—1 (已知信號)，其中N為定位數(shù)據(jù)的長度，該頻域信號對
應(yīng)的時域的多載波數(shù)字電視信號為 W-1 s(0 = 2^(^)'e/2;r/" 其中fk為第k個子載波對應(yīng)的頻率； 該時域的多載波數(shù)字電視信號經(jīng)過傳輸時延t 。后得到的接收信號r (t)為
AM= - r0) + "(0 = Z , e/2^ r。) + "(0
/t=0 其中，n(t)為方差為02高斯白噪聲，傳輸時延、用采樣時間間隔T歸一化表示
為6> =,=《+^^ e工表示整數(shù)個采樣間隔，ep表示分?jǐn)?shù)個采樣間隔； 在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的接收端，接收機(jī)首先對接收到的多載波數(shù)字電視信號采樣常規(guī) 方法進(jìn)行時域幀同步，幀同步后獲取幀號信息和本幀信號的起始時刻，從而獲得TOA時域
粗估計值A(chǔ)。由于時域粗估計的精度一般有一個或多個采樣間隔，所以必須進(jìn)行細(xì)估計得到 分?jǐn)?shù)個采樣間隔的時延估計。 接收機(jī)在幀同步后截取接收信號中的時域定位數(shù)據(jù)，并通過傅立葉變換(FFT)將 時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，然后利用已知的頻域定位數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的T0A頻域細(xì)估計值^ 。具體 步驟如下 接收信號r (t)經(jīng)過快速傅立葉變換FFT之后，第k個子載波上的頻域信號R(k)為 = '+"'(A:) OSA^AA —1 其中n' (k)為噪聲； 將定位數(shù)據(jù)的頻域信號d(k)的共軛cT(k)乘以R(k)，以去除信號d(k)本身的相 位信息雖)4e"+"'w os"w-1 其中，[ r表示取共軛，A = |d(k) I2為信號d(k)的能量，不失一般性，我們假設(shè) A=l。n〃 (k)=n' (k)cT(k)是與n' (k)具有相同統(tǒng)計特性的噪聲項。簡單起見，下 面的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中將省去該噪聲項。 對上式中的W(k)進(jìn)行L位延時自相關(guān)，以去除子載波序號k的影響 <formula>formula see original document page 8</formula> 然后對得到的序列Z(L)進(jìn)行差分運算，從而得到如下的差分序列
=Z* +1) = g W f 對差分序列D(L)的相位取平均 a ;y w/2-i
<formula>formula see original document page 8</formula> 則得到發(fā)射端與接收端之間的距離的估計值及的計算公式為
;k, + 6^)T.C 其中^為數(shù)字電視發(fā)射塔與接收機(jī)之間真實距離R的估計值，由于估計值存在一定 的偏差，所以我們稱之為偽距，c = 3X108(m/S)是光速。 接收端在獲取精確的傳輸時延估計后，將傳輸時延轉(zhuǎn)換為數(shù)字電視發(fā)射塔與接 收端之間的偽距，由于估計值存在一定的偏差，所以我們稱之為偽距。通過多個偽距來確 定用戶所在的位置，從而實現(xiàn)用戶位置的定位，其具體步驟可以是用戶通過TOA法來實 現(xiàn)定位，即通過幾個圓的交點求出用戶的位置。如圖6所示，用戶u位于與數(shù)字電視發(fā)射 塔Sl距離為A的圓上，同時位于與數(shù)字電視發(fā)射塔s2距離為fc的圓上以及與數(shù)字電視發(fā)射 塔83距離為《,的圓上，則三個圓的交點即為用戶u的準(zhǔn)確位置；或者用戶通過TDOA(time difference ofarrival，到達(dá)時間差)定位法來實現(xiàn)定位，即將得到已求得的不同發(fā)射塔發(fā) 射的數(shù)字電視信號的到達(dá)時間先轉(zhuǎn)換為信號的到達(dá)時間差，并將該時間差等效為距離差， 然后利用與兩個固定發(fā)射塔距離差為某一常數(shù)的點位于以這個兩個發(fā)射塔為焦點的雙曲 線上這一特點，通過兩條或多條雙曲線的交點來確定用戶的位置。圖7給出了利用TD0A法 確定用戶位置的示意圖。 當(dāng)接收端在獲取了幾個不同的偽距后，用戶可以通過多個偽距來確定用戶所在的 空間位置，從而實現(xiàn)定位，其具體實施方式
可以是 用戶利用與四個數(shù)字電視發(fā)射塔之間的偽距g,和四個數(shù)字電視發(fā)射塔的三維坐標(biāo)信息Si = (Xi， yi， Zi)(其中i = 1，2，3，4)來確定用戶的三維坐標(biāo)信息u 時間偏差tu，這四個未知數(shù)可通過以下四個方程聯(lián)立求解
<formula>formula see original document page 9</formula>
或者用戶利用與三個數(shù)字電視發(fā)射塔之間的偽距a和三個數(shù)字電視發(fā)射塔的三 維坐標(biāo)信息Si二 (Xi，yi，Zi)(其中i = 1，2，3)來確定用戶的二維坐標(biāo)信息u二 (xu，yu)和 時間偏差tu，這三個未知數(shù)可通過以下三個方程聯(lián)立求解
<formula>formula see original document page 9</formula>
對于式(1)和(2)所述的非線性方程組，其解法可以是采用閉合形式解、基于線 性化的迭代法或者卡爾曼濾波法。 在用戶獲得上述定位信息后，接收端還可以通過相鄰兩幀或多幀時間里獲得的定 位信息，求得用戶的二維或者三維速度矢量V :
u 一u,
V 其中j，k表示不同的信號幀幀號，二者可以相鄰，也可以相隔多幀，tj，tk則表示對 應(yīng)幀的起始時刻。 由以上實施例可以看出，本發(fā)明所提出的TOA頻域細(xì)估計的方法，其主要的復(fù)雜
度在于計算延時自相關(guān)序列{Z(L)K:
,2，直接計算該序列需要要AA2 —^TV次乘法，為了
降低該方法的復(fù)雜度，可以通過M二 2N點FFT/IFFT變換一次得到整個延時自相關(guān)序列。 該運算過程包括兩次M點FFT運算、M點乘法運算以及一次M點IFFT運算，故一共需要 圖8示出了對本發(fā)明所提出的定位的方法的精度進(jìn)行計算機(jī)仿真實驗的結(jié)果。圖 中的[2]、 [3]、 [4]、 [5]分別表示背景技術(shù)中提到的文獻(xiàn)[2]、 [3]、 [4]、 [5]。仿真實驗中 定位數(shù)據(jù)的長度為1024的頻域格雷互補(bǔ)序列，系統(tǒng)的采樣時鐘為20MHz。定位的精度用偽 距的RMSE(root mean square error,均方根誤差)來衡量，RMSE的定義為
<formula>formula see original document page 9</formula> 其中仏表示對真實距離R的第k次估計結(jié)果，K為觀察估計結(jié)果的總次數(shù)c
為了與現(xiàn)有基于多載波信號的定位方法的精度進(jìn)行對比，仿真結(jié)果中同時給出了 其他幾種典型的多載波定位方法的精度。同時，為了評估本發(fā)明所提出方法的定位精度，仿 真結(jié)果中同時給出了利用N點數(shù)據(jù)進(jìn)行時延估計的理論CRLB (Cram6r-Rao lower bound,克 拉美-羅下限) C脂(i ): 6
,iV2(W_l) 其中，^^/2cr2為信噪比，A= |d(k) 12為信號d(k)的能量，02為高斯白噪聲 n(t)的方差。 從圖8的仿真結(jié)果可以看出，對于多載波信號的定位方法，基于超分辨率的算法 的定位精度明顯比基于相關(guān)峰檢測的定位算法精度高，而本發(fā)明所提出的定位方法，其精 度高于上述兩類算法。例如，當(dāng)信噪比Eb/N。為20dB時，Mensing法(請參見背景技術(shù)中所 提到的文獻(xiàn)[2])是基于相關(guān)峰檢測這類算法中精度較高的方法，其定位精度約為3. 5米， 而基于超分辨率算法的這類算法中，MP法具有較高的精度，其定位的精度為0. 22米，而本 發(fā)明所提出的定位方法的精度為0. 018米，達(dá)到了厘米量級的定位精度。圖8的仿真結(jié)果還 表明，本發(fā)明所提出的定位算法在低信噪比時的估計性能也僅僅只有較小的損失，而在Eb/ N。大于8dB時則幾乎接近理論下界。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種TOA定位的估計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟先將包含于多載波數(shù)字電視信號中的時域的定位數(shù)據(jù)變換到頻域，然后利用已知的頻域定位數(shù)據(jù)去除其相位信息，對該結(jié)果進(jìn)行延時自相關(guān)計算，并對求出的延時自相關(guān)序列進(jìn)行差分運算，最后對所得的差分序列取相位并求平均，從而得到多載波數(shù)字電視信號的傳輸時延細(xì)估計值，其中，所述定位數(shù)據(jù)為已知的序列。
2. 如權(quán)利要求1所述的T0A定位的估計方法，其特征在于，所述已知的序列為m序列、 Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一種，或者上述各序列中的一種 經(jīng)逆傅里葉變換到時域后得到的序列。
3. 如權(quán)利要求1所述的T0A定位的估計方法，其特征在于，所述定位數(shù)據(jù)位于多載波數(shù) 字電視信號的信號幀中已有的保護(hù)間隔或者數(shù)字信號幀的幀體中。
4. 一種精確定位方法，其基于權(quán)利要求1 3之任一項所述的T0A定位的估計方法進(jìn) 行定位，其特征在于，所述定位方法包括步驟Sl，發(fā)射帶有定位信息的多載波數(shù)字電視信號；所述定位信息包括發(fā)射端的二維或三 維坐標(biāo)位置信息和定位數(shù)據(jù)，所述定位數(shù)據(jù)為已知的序列；S2，對接收到的所述多載波數(shù)字電視信號進(jìn)行時域幀同步，獲取幀號信息和本幀信號 的起始時刻，從而得到傳輸時延粗估計值；S3，截取所述定位信息中的定位數(shù)據(jù)，利用權(quán)利要求1 3之任一項所述的T0A定位的 估計方法計算得到傳輸時延細(xì)估計值，并利用傳輸時延估計值計算得到接收端與發(fā)射端之 間距離的估計值；S4，求出接收端與多個發(fā)射端之間距離的估計值之后，根據(jù)所述距離的估計值以及所 述二維或三維坐標(biāo)位置信息使用定位算法計算得到用戶所在位置的二維或三維位置信息 以及二維或三維速度信息。
5. 如權(quán)利要求4所述的精確定位方法，其特征在于，所述三維坐標(biāo)位置信息插入在可 擴(kuò)展的多載波數(shù)字電視系統(tǒng)中的系統(tǒng)信息中發(fā)射，所述系統(tǒng)信息至少包括保護(hù)間隔長度、 數(shù)據(jù)調(diào)制方式、編碼方式和發(fā)射分集標(biāo)識符。
6. 如權(quán)利要求4所述的精確定位方法，其特征在于，在所述步驟S2中，接收端利用相鄰 數(shù)字電視信號幀的保護(hù)間隔的相同/相似性或者該保護(hù)間隔結(jié)構(gòu)本身的相同/相似性，通 過相關(guān)峰檢測的方法完成時域幀同步，從而得到傳輸時延粗估計值。
7. 如權(quán)利要求4所述的精確定位方法，其特征在于，所述的二維位置信息包括用戶所 在位置的經(jīng)度、緯度，所述的三維位置信息包括用戶所在位置的經(jīng)度、緯度、高度。
8. 如權(quán)利要求4所述的精確定位方法，其特征在于，所述二維或三維速度信息通過相 鄰兩幀或多幀的時間內(nèi)獲得的二維或三維定位信息計算得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種TOA定位的估計方法及基于該估計方法的精確定位方法。該定位方法包括步驟發(fā)射帶定位信息的多載波數(shù)字電視信號，定位信息包括發(fā)射端的二維或三維坐標(biāo)位置信息和定位數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)為已知序列；對接收到的多載波數(shù)字電視信號進(jìn)行時域幀同步，從而得到傳輸時延粗估計值；截取定位數(shù)據(jù)，利用TOA定位估計方法計算得到傳輸時延細(xì)估計值，進(jìn)而得到接收端與發(fā)射端間距離的估計值；求出接收端與多個發(fā)射端之間距離的估計值之后，根據(jù)距離的估計值及二維或三維坐標(biāo)位置信息利用定位算法計算得到用戶所在位置的二維或三維位置信息及二維或三維速度信息。本發(fā)明算法簡單、定位更新速度快、系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、適用范圍廣，能實現(xiàn)精確定位。
文檔編號H04W64/00GK101702827SQ20091023760
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者戴凌龍, 楊知行, 王軍, 王昭誠 申請人:清華大學(xué)