一种导航定位的方法

专利名称：一种导航定位的方法
技术领域：
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别是涉及一种利用地面数 字电视信号完成导航定位的方法。
背景技术：
如今最常用的导航定位方法是利用美国研制的GPS (Globe Position-finding System,全球导航定位系统)进行定位。该系统由空 间段、控制段和用户段组成。空间段即卫星星座，基本配置由24颗 卫星组成，位于6个轨道面内，每个平面4颗卫星。控制段的任务是 对卫星进行维护并维持其正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位 置和监测卫星子系统的健康与状况。用户段由用户接收设备组成，用 于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。在世界范围内，只要接收到四颗以上卫星的信号，即可完成上述 导航功能。GPS系统可用于定位、导航、测量和授时等各种用途，已 经广泛应用到国民经济的各个领域。在美国的GPS系统研制成功之 后，世界上又出现了俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO和中国 的北斗导航系统，这几种系统或者已经研制成功投入使用，或者正在 进行研制，其导航定位原理与GPS系统大体相同。可是卫星导航系 统的应用范围也受到一定的限制。卫星信号以相对较低的发射功率传 输很远的距离，接收信号的强度很弱，很容易受到干扰，而且在室内 或有遮挡的情况下，很难定位或根本无法定位。
地面数字电视产业是近几年蓬勃发展起来的新型产业，我国已经 于2006年8月颁布了《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，于2007年8月1日开始实施。目前，我国也 同世界上许多国家一样，正在积极的推动地面数字电视广播系统的建
设及其相关产业的发展。除了完成其基本功能以外，地面数字电视广 播信号作为一种无线电辐射资源与所有射频辐射源一样，可以被考虑 应用于各种军事和民事应用。地面数字电视网的优点是电视发射台遍 布全囯各个县巿，而且频谱资源丰富、发射功率大、覆盖范围广。与 导航卫星相比，利用地面数字电视广播信号搭载导航定位信号，可以 抵抗更强的干扰，在室内环境及卫星信号受到遮挡的条件下，仍然可 以顺利完成导航定位功能，是卫星导航定位系统的有益补充。
具有自主知识产权的我国地面数字电视广播标准主要是从有效 提高数字电视广播的覆盖范围、提高无线频谱资源利用效率、保证和 改善电视用户的接收性能等角度来设计的，未来我国的地面数字电视 广播网将是在城巿内组成单频网以提高数字电视信号的覆盖，在城际 或省际釆用多频网的模式。在单频网内各发射台的信号保持严格的同 步，因而无法区分接收到的信号是从哪个发射台发射的，从而也就无 法完成测距及导航定位功能。另一方面，单频网要求各个地面数字电 视发射台之间保持相当严格的时间和频率同步，这又为导航定位系统 的实现提供了一定的方便，因为导航定位系统也要求其各个发射台之 间保持严格的时间同步。本发明在不影响地面数字电视广播的前提
下，根据我国DTMB信号的特点，充分利用地面数字电视发射台的
现有设备和资源，对数字电视信号进行适当的改造，实现导航定位功 能。

发明内容
本发明实施例要解决的问题是提供 一种导航定位的方法，通过在 地面数字电视广播标准信号上搭载导航定位信号，利用地面数字电视 发射台独立实现导航定位功能，或者利用地面数字电视发射台及导航 卫星联合实现导航定位功能。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供 一 种导航定位的
方法，包括以下步骤地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数
字电视信号；用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多个导
航信息，分别进行伪距测量；用户接收机根据测量的伪距及相应地面
数字电视发射台的坐标进行定位。
其中，在用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台
的坐标进行定位的步骤之后，还包括用户接收机根据所述导航信息 完成授时功能。
其中，所述导航信息的搭载位置位于地面数字电视信号帧的帧 头、帧体或整个帧。
其中，所述导航信息包括导航扩频序列、地面数字电视发射台的 位置坐标和/或时间信息。
其中，所述导航扩频序列为Gold序列或Kasami序列。
其中，在所述用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多 个导航信息的步骤之后，还包括用户接收机通过所述导航扩频序列， 识别发射对应导航信息的地面数字电视发射台。
其中，所述导航信息的发送方式，据各发射台所发射内容是否相 同选择轮流发送或广播式发送。
其中，所述导航信息帧与数字电视信号帧保持严格的同步。
本发明实施例的技术方案还提供一种导航定位的方法，包括以下 步骤地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视信号，导 航卫星发送卫星信号；用户接收机接收地面数字电视发射台发送的导 航信息，接收导航卫星发送的卫星信号，分别进行伪距测量；用户接 收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台和导航卫星的坐标 进行定位。
其中，所述导航信息包括导航扩频序列、地面数字电视发射台的 位置坐标和/或时间信息。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点 本发明实施例通过在地面数字电视广播标准信号上搭载导航定
位信号，利用地面数字电视发射台独立实现导航定位功能，或者利用 地面数字电视发射台及导航卫星联合实现导航定位功能，可以抵抗更 强的干扰，在室内环境及卫星信号受到遮挡的条件下，仍然可以顺利 完成导航定位功能。


图l是本发明实施例的 一种导航定位的方法的流程图2是本发明实施例的另一种导航定位的方法的流程图3—种地面数字电视发射端原理示意图4是本发明实施例的 一种地面数字电视信号复帧的四层结构
图5是本发明实施例的 一种导航信息搭载方式示意图6是本发明实施例的一种定位原理图7是本发明实施例的一种导航定位示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的一种导航定位的方法的流程如图l所示，包括以 下步骤
步骤sl01,地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视 信号。所述导航信息的搭载位置位于地面数字电视信号帧的帧头、帧 体或整个帧，其信息发送方式，据各发射台所发射内容是否相同选择 轮流发送或广播式发送，且导航信息帧与数字电视信号帧保持严格的 同步。该导航信息包括导航扩频序列、地面数字电视发射台的位置坐 标和/或时间信息。其中，导航扩频序列可以为Gold序列或Kasami 序列。
步骤sl02,用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多个 导航信息，分别进行伪距测量。
步骤S103,用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射 台的坐标进行定位。其中，用户接收机通过所述导航扩频序列，识别 发射对应导航信息的地面数字电视发射台。
步骤sl04，用户接收机根据所述导航信息完成授时功能。 本发明实施例的另一种导航定位的方法的流程如图2所示，包括 以下步骤
步骤s201,地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视 信号，导航卫星发送卫星信号。该导航信息包括导航扩频序列、地面 数字电视发射台的位置坐标和/或时间信息。
步骤s202，用户接收机接收地面数字电视发射台发送的导航信 息，接收导航卫星发送的卫星信号，分别进行伪距测量。
步骤s203,用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射 台和导航卫星的坐标进行定位。
本发明由发射段、控制段和用户段组成。发射段即遍布全国的地 面数字电视发射台，在地面数字电视广播信号上搭载导航定位信号。 控制段用于对发射台进行维护，维持其正常功能，监测其健康状况。 用户段即用户接收机，用于接收处理地面数字电视信号及导航卫星信 号，完成定位、授时等功能。
为了能够完成导航定位功能，接收机必须能够分辨出不同地面数 字广播发射台发射的信号，本发明在原有的数字电视信号频带上搭载 导航定位扩频序列作为测距信号，不同的发射台使用不同的扩频序 列，通过码分多址的方式来区分不同的发射台。具体步骤如下
步骤A:原数字电视数据码流经过随机化、前向纠错编码，星座 映射和交织后形成基本数据块。基本数据块与系统信息组合后，经过 帧体数据处理形成帧体。
步骤B:对于正常的数字电视信号帧，帧体与相应的帧头复接为 信号帧；对于搭载了导航定位信号的导航信息帧，则将帧头、帧体或
整个信号帧(帧头+帧体)用导航定位信息替换。
步骤C:信号帧或导航信息帧经过基带后处理转换为基带输出信 号，经正交上变频转换为射频信号发射。
步骤D:用户接收机接收地面数字电视信号，从中提取出导航信 息帧。
步骤E:用户接收机根据导航定位扩频序列分别测量接收机与多 个地面数字电视发射台之间的伪距，再根据发射台的坐标确定接收机 的位置。
步骤F:用户接收机接收并处理其它导航定位信息，完成授时等 功能。
导航信息帧的内容可以是标识各数字电视发射台的导航扩频序 列、时间信息、各发射台的坐标位置，也可以是其它与导航定位相关 的信息。由于数字电视单频网要求本单频网内的所有发射台保持严格 同步，在发送时间及发射台位置等信息时釆取广播的方式，在发送导 航扩频序列时，因各扩频序列互不形同，为防止相互干扰，釆取轮流 发射的方式，即当一个发射台发射导航扩频序列时，本网内所有其它 发射台，或者至少对其信号会产生干扰的发射台发送零填充信息。导 航扩频序列可以是任何 一 种扩频序列，如Gold序列、Kasami序列等。
导航信息帧在整个数字电视信号中所占的比例可以根据具体情 况自由调整，但是在任何情况下，不能影响地面数字电视广播信号的 正常接收。
用户接收机可以接收多个数字电视发射台的信号独立定位，或者 利用数字电视发射台及导航卫星联合定位。在利用数字电视发射台及 导航卫星联合定位时，需要注意二者之间的系统参考时钟是否相同， 进而釆用相应的方法进行位置解算。
其中，发射段用于发射搭载了导航信息的地面数字电视信号，图 3给出了地面数字电视发射端的原理框图，原数字电视数据码流经过
随机化、前向纠错编码，星座映射和交织后形成基本数据块。基本数 据块与系统信息组合，经过帧体数据处理形成帧体。该系统数字电视 信号的数据帧结构如图4所示，是一种四层结构。其中，数据帧结构 的基本单元为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，帧体部分共
3780个符号，长度是500w,帧头长度有三种选项，分别是420个符 号、595个符号和945个符号。超帧定义为一组信号帧，分帧定义为 一组超帧，帧结构的顶层称为日帧。信号结构是周期的，并与自然时 间保持同步。因为帧结构与自然时间保持同步，因此可以方便地搭载 导航定位信号，完成导航定位功能。
对于正常的数字电视信号，幀体与相应的帧头复接为信号帧，经 过基带后处理转换为基带输出信号，经正交上变频转换为射频信号发 射。为了利用地面数字电视信号实现导航定位功能，必须对原数字电 视信号格式作适当的修改，将导航信息搭载到数字电视信号中。方法 为在数字电视信号帧头与帧体的组帧阶段，用导航信息帧替换原电视 信号帧，导航信息可以置于原数字电视信号帧的帧头、帧体或者整个 信号帧(帧头+帧体)，导航信息帧与原数字电视信号帧保持严格同 步，如图5所示。因为数字电视信号在前面已经经过前向纠错编码和 时域符号交织，其时域交织模式有两种，交织/解交织总延迟分别为 170和510个信号帧，将其中的一个信号帧用导航信息帧替换相当于 此信号帧全部符号传输错误，只要导航信息幀小于一定的比例，经解 交织和纠错解码后，仍然可以正确恢复出数字电视信号，而不会对地 面数字电视广播造成影响。
根据帧头长度选项的不同， 一个超帧(125ms)可以有225、 216或 200个信号帧。在实际应用中，可以在每个超帧中固定若干帧作为导 航信息帧，使得用户接收机能够方便地进行伪距的测量。
导航信息帧包含的内容有
a、导航扩频序列，同一单频网中每个发射台都分配一个互不相
同的扩频序列。这是最重要的导航信息，用户接收机通过此扩频序列 来完成伪距的测量。
b、时间信息，用于完成授时功能。
C、本单频网内每个发射台的位置坐标。
d、 本单频网的网号。
e、 其它导航信息。
导航扩频序列可以选择Gold序列、Kasami序列或其它适宜的扩 频序列，所选择的扩频序列应当有强自相关性能和弱互相关性能。在 地面数字电视单频网中，各发射台的信号必须是严格同步的，而每个 发射台的导航扩频序列各不相同，如果保持同步发射，各导航信号帧 间将相互干扰，从而无法进行定位。因此当一个发射台发射导航扩频 序列时，为防止相互干扰，同一单频网的其它发射台，或者至少对其 信号产生干扰的发射台，发射零填充序列。各个发射台在不同的导航 信号帧轮流发射导航扩频序列。利用地面数字电视信号进行导航定位 时存在比较严重的远近效应，而且不能利用功率控制来解决，因此扩 频序列的长度应当尽可能的长。当利用原数字电视信号的帧头来搭载 导航信息时，因为帧头的长度比较短，必须利用多个帧头来搭载完整 的扩频序列。在原地面数字电视广播系统中，帧头具有同步和信道估 计的作用，当利用多个幀头来搭载导航信息时，会对快变信道的信道 估计产生较大影响，必须予以考虑。对于时间信息、发射台的位置坐 标及单频网的网号，因各发射台需要发送的内容是相同的，可以釆用 同步方式广播发送。对于其它导航信息，针对各发射台发送的内容是 否相同，相应釆取轮流或广播形式发送。
控制段用于对数字电视发射台的信号进行检测，即监测搭载的导 航定位信号是否正确，发射台的时钟精确度等，对于功能不正常的发 射台，需要及时维护。
用户段用于接收导航定位信号，完成导航定位功能，其定位原理
图如图6所示。用户接收机接收搭载了导航信息的地面数字电视信
号，按照事先的约定提取其中的导航信号帧，可以利用原数字电视信 号帧头中的PN序列辅助完成导航信号帧起始位置的确定。对于导航 扩频序列，将接收机产生的本地扩频序列与接收到的扩频序列进行相 关运算，确定接收到的扩频序列号，再由扩频序列号确定发射台的台 号。已知单频网的网号及发射台的台号，通过查表的方法获得发射台 的位置坐标。根据扩频序列相关峰值的位置确定传播延迟，计算接收 机与发射台之间的伪距，当出现多个相关峰值时，选取第一个峰值作 为直达路径。对于发射台的位置坐标信息及单频网的网号，接收机接 收后存储下来以供以后查表使用。因为发射台的位置一般不发生变 化，并不需要对发射台位置坐标文件时时更新。也可以在用户接收机 中事先存储各电视发射台的位置，而不必将这些位置信息通过发射台 发送。对于时间信息，发射台接收后供授时使用。
令Pi表示接收机与第i个数字电视台发射台之间的伪距，接收机
位置坐标为(xu，yu，zu)，接收机时钟与数字电视发射台时钟之间的偏差 为At,光速为c，第i个数字电视发射台发射天线的位置坐标为
(Xi,yi，Zi)，则可以得到如下方程:_
Pi "(xu -Xi)2 +(yu — yi)2 +(zu — Zi)2 +cAt
如果能够接收到四个以上地面数字电视发射台的信号，则可以通 过求解上述方程得到接收机的三维位置坐标(xu,yu,zu)和时差At,在此 基础上可以进一步完成导航和授时的功能。
还可以利用地面数字电视发射台和导航卫星联合定位，方法与上 述方法相同。当数字电视发射台和导航卫星使用的系统参考时间不一 致时，需要在位置解算前作出调整。
下面举例说明如何利用地面数字电视信号进行导航定位，图7是 本发明实施例的一种导航定位示意图，其中A1、 A2、 A3和A4代表 四个地面数字电视发射台，p i ~ p4分别代表发射台与用户接收机之间
的伪距。地面数字电视信号的帧头模式选择PN420，每个帧头长度 420/7.56=55争，帧体3780个符号，长度500(xs，每个超帧有225个 信号帧。选择每个超帧的第9帧作为导航信号帧，帧头格式保持不变， 利用帧体搭载导航扩频序列。选择第9帧帧体搭载导航信息的好处 是，超帧起始位置到该帧帧体起始位置的时间为4.5ms，有利于信号 传播延迟时间的测量。四个发射台轮流发送导航扩频序列，不发送扩 频序列的发射台发送幅度为0的填充序列。四个发射台的导航扩频序 列发送完毕需要四个超帧，即500ms的时间。在每个超帧中，各帧头 PN序列的相位各不相同，用户接收机可以利用帧头的相位识别出导 航信号帧。用户接收机产生本地扩频序列与接收到的扩频序列进行相 关运算，当扩频序列相同时，会产生很强的相关峰值，根据相关峰值 的位置计算信号传播的延迟时间，进而获得用户接收机与发射台之间 的伪距。根据不同的扩频序列确定发射台的台号及坐标。联立方程
<formula>complex formula see original document page 13</formula>
通过最小二乘法求解(Xu,yu，Zu),得到用户的位置坐标，用所得时 间偏差修正用户接收机的时钟，完成授时功能。
本实施例通过在地面数字电视广播标准信号上搭载导航定位信 号，利用地面数字电视发射台独立实现导航定位功能，或者利用地面 数字电视发射台及导航卫星联合实现导航定位功能，可以抵抗更强的 干扰，在室内环境及卫星信号受到遮挡的条件下，仍然可以顺利完成 导航定位功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种导航定位的方法，其特征在于，包括以下步骤地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视信号；用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多个导航信息，分别进行伪距测量；用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台的坐标进行定位。
2、 如权利要求1所述的导航定位的方法，其特征在于，在用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台的坐标进行定位的步骤之后，还包括用户接收机根据所述导航信息完成授时功能。
3、 如权利要求1所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导航信息的搭载位置位于地面数字电视信号帧的帧头、帧体或整个帧。
4、 如权利要求1所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导航信息包括导航扩频序列、地面数字电视发射台的位置坐标和/或时间信息。
5、 如权利要求4所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导航扩频序列为Gold序列或Kasami序列。
6、 如权利要求4所述的导航定位的方法，其特征在于，在所述用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多个导航信息的步骤之后，还包括用户接收机通过所述导航扩频序列，识别发射对应导航信息的地面数字电视发射台。
7、 如权利要求1至6任一项所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导航信息的发送方式，据各发射台所发射内容是否相同选择轮流发送或广播式发送。
8、 如权利要求1至6任一项所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导航信息帧与数字电视信号帧保持严格的同步。
9、 一种导航定位的方法，其特征在于，包括以下步骤地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视信号，导航卫星发送卫星信号；用户接收机接收地面数字电视发射台发送的导航信息，接收导航 卫星发送的卫星信号，分别进行伪距测量；用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台和导航 卫星的坐标进行定位。
10、 如权利要求9所述的导航定位的方法，其特征在于，所述导 航信息包括导航扩频序列、地面数字电视发射台的位置坐标和/或时 间信息。
全文摘要
本发明公开了一种导航定位的方法，包括以下步骤地面数字电视发射台发送搭载有导航信息的数字电视信号；用户接收机接收多个地面数字电视发射台发送的多个导航信息，分别进行伪距测量；用户接收机根据测量的伪距及相应地面数字电视发射台的坐标进行定位。本发明还公开了一种利用数字电视信号和导航卫星信号进行联合定位的方法。本发明通过在地面数字电视广播标准信号上搭载导航定位信号，利用地面数字电视发射台独立实现导航定位功能，或者利用地面数字电视发射台及导航卫星联合实现导航定位功能，可以抵抗更强的干扰，在室内环境及卫星信号受到遮挡的条件下，仍然可以顺利完成导航定位功能。
文档编号H04N7/08GK101344584SQ20081011892
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月26日 优先权日2008年8月26日
发明者万晓峰, 彧 张, 杨知行, 潘长勇, 王劲涛 申请人:清华大学