专利名称：一种cttb信号与卫星信号相结合的定位方法
技术领域：
本发明涉及一种通过接收GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号和CTTB数字电 视信号确定接收机空间位置的定位方法，其特征是能提高可见GPS卫星(也可是其他定位 卫星)数目不足四颗时的定位概率和可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)数目充足时的 较GPS (也可是其他定位系统)接收机更高精度的定位。
背景技术：
目前，定位系统多是通过定位卫星实现的，例如美国的全球定位系统(GPS)、欧洲 的伽利略(Galileo)系统、俄罗斯的GL0NASS系统以及我国的北斗系统等等。只要接收到 四颗以上的卫星信号，它们就可以通过接收处理卫星发射的伪随机码信号，进而确定用户 位置、速度和时间等信息。但是由于卫星从20000公里左右的高空以相对较低的功率向地 面发射信号，使得接收机接收到的信号强度很弱，很容易受到干扰的影响，在有楼房遮挡的 市区和室内时，很难定位甚至根本无法实现定位。自2006年8月我国颁布《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》 国家标准，并于2007年8月1日开始实施以来，地面数字电视产业在我国获得了蓬勃的发 展，目前国内300个地级城市的地面数字电视频道规划已经完成。2009年广电总局首次公 开发布了中国地面数字电视标准英文标识为CTTB。用户接收端通过接收地面数字电视信号除了可实现视频音频节目欣赏外，还可以 利用其数字码流确定从电视信号发射塔到接收机的距离，实现无线定位功能。由于地面数 字电视将覆盖全国各个县市，而且频谱资源丰富、发射功率大，与卫星导航信号相比，可以 抵抗更强的干扰，在有高楼遮挡卫星信号的市区和室内仍然可以实现定位功能。但是，如果定位只通过地面数字电视信号实现，那么至少需要4个电视信号发射 站才能实现3维的定位功能。我国的地面数字电视广播网将通过在城市内组成单频网来提 高数字电视信号的覆盖率，但是根据我国目前的城市规模和现阶段地面电视覆盖率测试和 单频网试验情况，大多数城市并不需要四个或更多电视信号发射站来实现区域无缝覆盖。 由于电视信号发射站数目不足四个时无法单独实现定位功能，使得单独通过地面数字电视 信号实现定位在大多数地区并无法真正实现。本发明在不影响地面数字电视广播正常发射 和被电视节目用户接收的前提下，根据CTTB信号的特点，充分利用地面数字电视发射站及 其发射的CTTB信号和GPS卫星(也可是其它定位卫星)及其发射信号，实现高成功概率的 定位和高精度的定位。
发明内容
为了解决由于市区建筑物等遮挡导致的可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)不 足而无法定位的问题，本发明提供了一种利用CTTB与GPS卫星(也可是其他定位卫星)信 号相结合的定位方法，有效利用电视信号发射站与GPS卫星(也可是其他定位卫星)相结 合，提高可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)不足情况下的定位概率，并在可定位条件下获得更高的定位精度。本发明既适用于单频网环境下多电视信号发射站的情况，又适用于 单电视信号发射站的情况。本发明提供的定位方法其步骤为接收机接收GPS卫星(也可是其他定位卫星) 信号，并进行信号处理，获得可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)的位置，伪距信息；接收 机接收CTTB信号，确定其电视信号发射站，和与电视信号发射站之间的伪距信息；接收机 根据与GPS卫星(也可是其他定位卫星)伪距及相应的卫星坐标、与电视信号发射站伪距 及相应的电视信号发射站坐标对接收机进行空间位置的定位。其中，获得可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)的位置，伪距信息的方法，与现 有GPS接收机方法相同。其中，接收机接收CTTB信号，确定其电视发射站主要针对单频网情况，即在一个 城市内存在多个电视信号发射站。确定接收CTTB信号来自哪个电视信号发射站采用的方 法为根据接收机存储的位置信息或在开阔区域通过GPS(也可是其他卫星定位系统)得到 的位置信息，对照接收机存储器存储的地理信息，确定接收机所在城市、所在城市各频段发 射CTTB信号的模式、所在城市电视信号发射站个数、相应的位置坐标及相对于接收机的方 向。接收天线根据接收CTTB信号的到达方向即可判断出接收到的CTTB信号是由哪个电视 信号发射站发出及其电视信号发射站的坐标。其中，确定接收机与电视信号发射站之间的伪距，是通过测量到的CTTB信号帧在 电视信号发射站和接收机之间的传播时间计算的。接收机在任意请求定位时刻，接收CTTB 信号。计算接收CTTB信号时刻与CTTB日帧复位参考时间(如北京时间00:00:00AM)之 间整数信号帧(如果天线接收频段CTTB信号为模式一信号帧长度为555. 56 μ s，模式二为 578. 7 μ s，模式三为625 μ s)的个数，对此数加1并对超帧中信号帧个数进行取模运算，根 据得到的数值判定信号帧序号，确定本地PN序列。将接收的CTTB信号与本地PN序列进行 相关，得到相关峰值的位置即为信号帧帧头位置，根据接收信号到帧头位置之间移位符号 的个数确定接收到帧头的时间。此接收帧头的发射时间为接收CTTB信号时刻与CTTB日帧 复位参考时间(如北京时间00:00:00AM)之间整数信号帧的个数加1值与信号帧长度的乘 积。用帧头接收时间减去发射时间，即可得到CTTB信号帧在发射站和接收机之间的传播时 间，传播时间与光速相乘，就得到接收机与电视发射站之间的伪距值。其中，对接收机进行定位即对接收机位置的求解，利用所有可见GPS卫星(也可是 其他定位卫星)及其与接收机之间伪距和CTTB电视信号发射站及其与接收机之间伪距，采 用同GPS定位(也可是其他卫星定位系统)计算接收机位置相同的方法即可获得接收机位 置和时间、速度等信息。当GPS卫星(也可是其他定位卫星)数目与CTTB电视信号发射站 数目之和不足四时，无法完成定位，当和大于四时可实现定位。本发明的有益效果是，可以在GPS卫星(也可是其他定位卫星)可见数目不足四 颗情况下提高定位概率，在可定位情况下获得尽可能高的定位精度。可用于存在单频网的 城市环境，开且对单频网中电视信号发射站的数目没有要求，同时本发明也可用于非单频 网单电视信号发射站的环境。
图1是CTTB的四层帧结构图。
图2是CTTB的信号帧结构图。图3是CTTB的信号帧模式一和模式三的帧头结构图。图4是CTTB的信号帧模式二的帧头结构图。图5是定位原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细描述。由于本发明不对电 视信号发射站发射的CTTB信号作任何改动，因此本发明只涉及到接收机部分的设计。接收 机的工作包括以下步骤1)根据接收机存储的位置信息，可以是断电前的位置或者上一次定位的位置，或 者是在开阔区域通过GPS (也可是其他卫星定位系统)得到的位置信息，对照接收机存储器 存储的地理信息确定接收机所在的城市、所在城市各频段发射的CTTB信号的模式、所在城 市电视发射站个数、相应的位置坐标及相对于接收机的方向。2)通过天线捕获GPS卫星(也可是其他定位卫星)发射的射频信号，分辨可见卫 星发出的信号。通过天线接收某一频段CTTB信号并记录信号的到达方向，信号到达时间。 对于接收CTTB信号频段的选择可以根据接收机天线的接收频率范围、特定频段CTTB信号 帧的帧模式如图2所示、以及各频段的噪声情况进行综合判断选取。3)对捕获的GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号进行跟踪，提取导航电文，解码 导航电文，确定卫星位置、速度和时钟参数。按照传统GPS (也可是其他卫星定位系统)接 收机的工作原理实现信号从卫星到接收机传输时间的测量。4)通过接收CTTB信号的不同方向，判定其发射站。当可见卫星数目和电视发射站 数目之和大于等于4时执行步骤5)，当可见卫星数目和电视发射站数目之和小于4时执行 步骤2)或通知不可定位。5)确定CTTB信号帧在电视信号发射站和接收机之间的传播时间。确定CTTB信号 帧在电视信号发射站和接收机之间的传播时间采用的方法为对不同方向到达的CTTB信 号计算CTTB信号到达时刻V与CTTB日帧复位参考时间t (如北京时间00:00:00AM)之 间整数信号帧(如果天线接收频段CTTB信号为模式一，信号帧长度为555. 56μ s，模式二为 578. 7 μ s，模式三为625 μ s)的个数，对此数加1，所得结果记为k。若天线接收频段CTTB 模式为模式一或模式三时，由于帧头PN序列存在相位变化，因此无法直接确定用来与接收 信号进行相关运算的本地PN序列，需要令k对超帧中信号帧个数(如果天线接收频段CTTB 信号帧模式为模式一此数为225，模式三此数为200)进行取模运算，得到的数值即为信号 帧帧头序号，进而根据帧头序号确定天线接收频段CTTB模式所对应的帧头PN序列，并按照 其信号帧模式对其进行如图3所示前同步和后同步的循环扩展，得到本地PN序列。若天线 接收频段CTTB信号帧模式为模式二，由于不存在帧头PN序列相位变化，因此可以直接确定 帧头PN序列，如图4所示该帧头PN序列无需进行循环扩展，可直接作为本地PN序列。将 接收到的CTTB信号与本地PN序列进行相关，相关得到峰值的位置即为信号帧帧头所在位 置％，根据接收信号到帧头位置之间移位符号的个数确定接收到帧头的时间、、=、' +B1 · Ts式中Ts为符号长度，Ts= l/fs，fs为符号率，在DTMB中仁为7. 56Msps。而此接收帧头在电视信号发射站的发射时间、为k与信号帧帧长度(如果天线接收频段CTTB信号 为模式一信号帧长度为555. 56 μ s，模式二为578. 7 μ s，模式三为625 μ s)的乘积，即t0 = t+k · T其中T为信号帧长度，对于模式一 T = 555. 56 μ s,对于模式二 T = 578. 7 μ s，对 于模式三T = 625 μ S。用帧头接收时间tl减去发射时间、，即可得到CTTB信号帧在发射 站和接收机之间的传播时间。6)将GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号到接收机的传输时间和电视信号发射 站到接收机CTTB信号的传播时间与光速相乘获得伪距值。将幻和幻中获得的信息同伪 距值一起代入位置、速度、时间估算方程，计算出接收机的空间位置坐标，并换算为接收机 的定位信息，包括位置、速度和时间等。
权利要求
1.一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，通过接收电视信号发射站发出 的地面数字电视信号和定位卫星发出的GPS(也可是其它定位卫星)信号确定接收机的空 间位置，其特征是在单频网环境下多电视信号发射站或只有单一电视信号发射站环境下 都可以实现和GPS卫星(也可是其它定位卫星)的联合定位，提高在城市市区等可见GPS 卫星(也可是其它定位卫星)数目不足情况下的定位概率，提高可定位情况下的定位精度， 系统主要包括以下工作流程1)根据接收机存储的位置信息、接收机存储器存储的地理信息确定接收机所在城市、 所在城市各频段发射CTTB信号的模式、所在城市电视信号发射站个数、相应的位置坐标及 相对于接收机的方向；2)通过天线捕获GPS卫星(也可是其他定位卫星)发射的射频信号，分辨可见卫星发 出的信号；通过天线接收某一频段CTTB信号并记录信号的到达方向，信号的到达时间；3)对捕获的GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号进行跟踪，提取导航电文，解码导航 电文，确定卫星位置、速度和时钟参数，按照传统GPS(也可是其他卫星定位系统)接收机的 工作原理实现信号从卫星到接收机传输时间的测量；4)通过接收CTTB信号的不同方向，判定其发射站，当可见卫星数目和电视发射站数目 之和大于等于4时执行步骤幻，当可见卫星数目和电视发射站数目之和小于4时执行步骤 2)或通知不可定位；5)确定CTTB信号帧在电视信号发射站和接收机之间的传播时间；6)将GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号到接收机的传输时间，及电视信号发射站 和接收机之间CTTB信号帧的传播时间与光速相乘获得伪距值，将幻和幻中获得的信息同 伪距值一起带入位置、速度、时间估算方程，计算出接收机的空间位置坐标，并换算为接收 机的定位信息，包括位置、速度和时间。
2.根据权利要求1所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的接收机存储的位置信息可以是断电前的位置，或者上一次定位的位置，或者在开 阔区域通过GPS (也可是其他卫星定位系统)得到的位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的天线接收某一频段CTTB信号，其频段的选择可以根据接收机天线的接收频率范 围、特定频段CTTB信号帧的帧模式以及各频段的噪声情况进行综合判断选取。
4.根据权利要求1所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的确定CTTB信号帧在发射站和接收机之间的传播时间，采用的方法是对不同方向 到达的CTTB信号确定其信号帧帧头的接收时间和发射时间，用帧头接收时间减去发射时 间，即可得到CTTB信号帧在电视信号发射站和接收机之间的传播时间。
5.根据权利要求4所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的信号帧帧头的接收时间的测量方法为将接收到的CTTB信号与本地PN序列进行 相关，相关得到峰值的位置即为信号帧帧头所在位置，根据接收信号到帧头位置之间移位 符号的个数确定接收到帧头的时间，其数值为接收信号的时间加上移动符号个数与符号长 度1/7. 56 μ s的乘积所得之和。
6.根据权利要求4所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的信号帧帧头的发射时间的测量方法为数值k与信号帧帧长度(如果天线接收频段CTTB信号为模式一信号帧长度为555. 56 μ s，模式二为578. 7 μ s，模式三为625 μ s)的 乘积即为信号帧在电视发射时间。
7.根据权利要求6所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特征 是所述的本地PN序列具体为若天线接收频段CTTB模式为模式一或模式三时，由于帧头 PN序列存在相位变化，因此无法直接确定用来与接收信号进行相关运算的本地PN序列，需 要令数值k对超帧中信号帧个数(如果天线接收频段CTTB信号为模式一此数为225，模式 三为200)进行取模运算，得到的数值即为信号帧帧头序号，进而根据帧头序号确定天线接 收频段CTTB模式所对应的帧头PN序列，并按照其信号帧模式对其进行前同步和后同步的 循环扩展，得到本地PN序列；若天线接收频段CTTB模式为模式二，由于不存在帧头PN序列 相位变化，因此可以直接确定帧头PN序列，由于该帧头PN序列无需进行循环扩展，帧头PN 序列可直接作为本地PN序列。
8.根据权利要求6、7所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特 征是所述的数值k为计算CTTB信号到达时刻与CTTB日帧复位参考时间(如北京时间 00:00:00AM)之间整数信号帧长度(如果天线接收频段CTTB信号为模式一信号帧长度为 555. 56 μ s，模式二为578. 7 μ s，模式三为625 μ s)的个数，对此数加1所得的结果。
9.根据权利要求1至8所述的一种CTTB信号与卫星定位信号相结合的定位方法，其特 征是适用于所有使用CTTB作为地面数字电视标准的国家和地区。
全文摘要
本发明公开一种通过接收GPS卫星(也可是其他定位卫星)信号和CTTB数字电视信号确定接收机空间位置的定位方法。接收机通过接收GPS卫星(也可是其他定位卫星)的信号和电视信号发射站发射的CTTB信号，利用GPS卫星(也可是其他定位卫星)和电视信号发射站的位置、GPS卫星(也可是其他定位卫星)和电视信号发射站与接收机之间的伪距，实现接收机的空间位置的定位。它能够提高可见GPS卫星(也可是其他定位卫星)数目不足四颗时的定位概率和在可定位情况下实现更高精度的定位。同时它即可应用于单频网多电视信号发射站的情况，又可用于非单频网单电视信号发射站的情况。
文档编号G01S19/52GK102096085SQ20091022903
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者吴虹, 张南, 徐宁, 李雯琦 申请人:南开大学