一种利用数字调频广播进行导航定位的方法
【专利摘要】一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，属于无线导航领域。所述的利用数字调频广播进行导航定位的方法，包括以下步骤：调频广播发射机之间实现时间同步；调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)；调频广播接收机接收多个所述调频广播发射机广播的无线信号RF(t)，解析出RF(t)中的导航电文；调频广播接收机使用所述导航电文和自身信号接收时刻进行定位解算获得自身位置。与已有技术相比具有以下优势：调频广播发射机的发射功率大，与天基导航和天基导航增强技术相比室内覆盖能力更强；调频广播的带宽小，接收机复杂度低，因此成本低，易于推广。
【专利说明】一种利用数字调频广播进行导航定位的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导航定位方法与系统，尤其是一种利用数字调频广播进行导航定位的方法与系统，属于无线导航【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，全世界广播电视的数字化过程已经初步完成。数字地面电视、手机电视已进入稳定发展阶段，而有线电视的数字化已商用多年。数字化带来了更高质的节目制作、发送与接收，同时，使得用户享有了更优质的用户体验。在电影、电视、手机多媒体等诸多传媒的数字化取得显著成果之时，音频广播的数字化显得相对滞后，但这也带来了一个发展契机，即音频广播领域的数字化大有可为。将数字技术应用于音频广播可以带来高稳定的接收效果和高保真的音质，同时，可以支持文字信息、电台节目信息、股票信息等诸多图文并茂的广播数据业务，从而使音频广播行业获得面貌一新的发展。
[0003]数字音频广播最重要的两个部分是调频(FM)频段音频广播的数字化和调幅(AM)频段音频广播的数字化。在美国，HD Radio技术已经得到商用，而在欧洲，数字声音广播两大标准DAB和DRM已经推广开来。
[0004]在FM频段，可用频谱资源为88?108Mhz，该频段被进一步划分为IOOKhz的整数倍频道，分配给每一个广播电台。在美国，每一个广播电台被分配了 400Khz的频谱。在我国，每一个广播电台被分配了 200Khz频谱。由于立体声调频信号实际带宽在150Khz以内以及广播电台之间的频谱间隔缝隙，实际上，FM频段的频谱利用率并不高，有很多频谱空洞资源可以被进一步利用。美国的HDRadio就是利用FM频谱空洞兼容传统FM信号的同时实现数字音频广播的。
[0005]由于FM位于较低的频段，因此，FM本身具有传播距离远、绕射和传输能力强的特点，利用FM的这一特点实现导航或者导航增强就成为FM频段的一个潜在新的应用。对天基导航信号的增强方法中最常见的形式是地面伪卫星。伪卫星与天基导航卫星同步，并在天基导航卫星所在的频段以码分多址的方式广播定位信号。在接收机看来，伪卫星就是另外一颗导航卫星。此外，还有一些特色的导航技术，它们工作在专门的频段，因此不同于传统的伪卫星，例子之一是Locata技术(http://www.locatacorp.com),它采用TDMA方式工作，所有地面导航发射机采用无线方式相互同步，同步后的发射机同时发射导航信号，导航接收机的定位原理与一般导航接收机相同。Locata技术本身也可以独立于天基导航系统如GPS工作。另外一种导航增强技术是利用低轨卫星(如美国铱星)进行导航增强，如美国专利 US7, 489，926 (LEO-based positioning system for indoor and stand-alonenavigation)所公开的技术，地面用户接收机和参考接收机同时接收低轨卫星导航增强信号，参考接收机产生参考载波相位并通过低轨卫星的通信链路广播给用户接收机进行纠正伪矩中存在的时钟、电离层、对流层和低轨卫星轨道等误差，该节点类似GPS的地面段中的地面注入站是必须存在的节点，是传统导航增强技术在低轨卫星上的扩展。在数字地面无线电视广播技术发展起来后，也有人提出了基于地面数字无线电视广播进行无线定位的方法，但是由于单路电视无法进行定位，而电视信号较宽，同时接收多路来自不同发射塔的电视信号接收机代价较大，因此尚未能推广。
[0006]本发明公开了一种新的导航定位的方法与系统，与已有技术的核心差别在于它利用调频(FM)频段尚未充分利用的频谱或者数字广播信号进行导航信号和导航信息广播，是一种新型导航系统。与已有技术相比具有以下优势:
[0007](1)FM的发射功率大，与天基导航和天基导航增强技术相比室内覆盖能力更强；
[0008](2)FM的带宽小，尽管直接伪矩测量的误差稍大，但是接收机复杂度低，因此成本低，易于推广。
[0009]由于使用调频(FM)频段尚未充分利用的频谱或者数字广播信号进行导航信号和导航信息广播，因此，本发明与其它导航技术相比，在伪矩的获得方式、导航无线信号与传统无线调频信号共存的信号广播方式方面也不同。
【发明内容】
[0010]本发明公开了一种导航定位的方法与系统。本发明利用调频频段尚未充分利用的频谱广播导航信息，信号覆盖范围广、室内穿透能力强，可在天基导航系统和导航增强系统不可用时独立实现对用户导航接收机的定位，或者与天基导航系统共同实现对用户导航接收机的定位。
[0011]所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，包括以下步骤:
[0012]步骤11)调频广播发射机之间实现时间同步；
[0013]步骤12)调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)；
[0014]步骤13)调频广播接收机接收多个所述调频广播发射机广播的无线信号RF(t)，解析出RF(t)中的导航电文；
[0015]步骤14)调频广播接收机使用所述导航电文和自身信号接收时刻进行位置进行定位解算获得自身位置。
[0016]所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，还包括一个位置已知的参考接收机，参考接收机接收所述调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)，并监控广播发射机之间的时钟误差；所述时钟误差通过专门的通信链路传递给所述调频广播发射机，并以导航电文形式发给所述调频广播接收机；调频广播接收机使用所述时钟误差进行伪矩修正。
[0017]所述的调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)对应的基带信号形式是s(t) =?1(0+?(0，其中？11(0是传统调频信号的基带形式，p(t)是附加数字广播信号的基带形式，在附加数字广播信号上携带有导航电文。
[0018]所述的导航电文包括本调频广播发射机的具体位置和附加数字广播信号P (t)的发射时间。
[0019]所述的调频广播接收机使用所述导航电文和自身信号接收时刻进行位置解算，实现自身定位的方法，其特征在于，当调频广播接收机只能够接收到来自三个调频广播发射机的无线信号RF(t)时，根据导航电文中调频广播接收机的高度坐标来估算自身的高度。
[0020]所述的调频广播接收机根据导航电文中调频广播接收机的高度坐标来估算自身高度的方法为h = (Hl+H2+H3)/3，其中h为估算自身的高度，H1、H2和H3是能够接收到的调频广播接收机的高度。
[0021]所述的附加数字广播信号p(t)是数字扩频导航信号，其一般表达式为:
【权利要求】
1.一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤11)调频广播发射机之间实现时间同步； 步骤12)调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)； 步骤13)调频广播接收机接收多个所述调频广播发射机广播的无线信号RF(t)，解析出RF(t)中的导航电文； 步骤14)调频广播接收机使用所述导航电文和自身信号接收时刻进行位置进行定位解算获得自身位置。
2.如权I所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，包括一个位置已知的参考接收机，参考接收机接收所述调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)，并监控广播发射机之间的时钟误差；所述时钟误差通过专门的通信链路传递给所述调频广播发射机，并以导航电文形式发给所述调频广播接收机；调频广播接收机使用所述时钟误差进行伪矩修正。
3.如权I所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的调频广播发射机广播携带导航电文并可用于测距的无线信号RF(t)对应的基带信号形式是S(t) =?1(0+?(0，其中？11(0是传统调频信号的基带形式，p(t)是附加数字广播信号的基带形式，在附加数字广播信号上携带有导航电文。
4.如权3所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的导航电文包括本调频广播发射机的具体位置和附加数字广播信号P(t)的发射时间。
5.如权I所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的调频广播接收机使用所述导航电文和自身信号接收时刻进行位置解算实现自身定位的方法，其特征在于，当调频广播接收机只能够接收到来自三个调频广播发射机的无线信号RF(t)时，根据导航电文中调频广播接收机`的高度坐标来估算自身的高度。`
6.如权I所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的调频广播接收机根据导航电文中调频广播接收机的高度坐标来估算自身高度的方法为h =(Hl+H2+H3)/3，其中h为估算的自身的高度，Hl、H2和H3是能够接收到的调频广播接收机的高度。
7.如权3所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的附加数字广播信号p(t)是数字扩频导航信号，其一般表达式为:
8.如权3所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，所述的附加数字广播信号P (t)是正交多载波频分复用(OFDM)信号。
9.如权8所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，当P(t)是正交多载波频分复用(OFDM)信号时的定位方法如下: 步骤91)调频广播接收机接收并分离OFDM信号P (t)与调频信号FM(t)，解调出OFDM信号P(t)中的导航电文； 步骤92)调频广播接收机根据一般OFDM定位方法获得OFDM信号的发射时间； 步骤93)调频广播接收机根据OFDM信号的发射时间和调频广播接收机本地时间获得伪矩，并根据导航电文进行伪矩修正； 步骤94)调频广播接收机将接收机中频信号求平方，再以中频信号的2倍频作为中心进行带通滤波，利用锁相环锁定滤波输出信号的频率和相位，跟踪并测量该载波相位获得第一载波相位测量值； 步骤95)调频广播接收机将利用第一载波相位测量值进行伪矩平滑，得到平滑后的伪矩； 步骤96)调频广播接收机利用平滑后的伪矩和OFDM信号P (t)中的导航电文进行解算，获得自身位置信息。
10.如权8所述的一种利用数字调频广播进行导航定位的方法，其特征在于，调频广播接收机进行组合导航定位的方法为: 步骤101)调频广播接收机定位获得自身初始位置； 步骤102)调频广播接收机接收并分离OFDM信号P (t)与调频信号FM(t)，解调出OFDM信号P(t)中的导航电文； 步骤103)调频广播接收机根据一般OFDM定位方法获得OFDM信号的发射时间； 步骤104)调频广播 接收机根据OFDM信号的发射时间和调频广播接收机本地时间获得伪矩，并根据导航电文进行伪矩修正； 步骤105)调频广播接收机将接收机中频信号求平方，再以中频信号的2倍频作为中心进行带通滤波，利用锁相环锁定滤波输出信号的频率和相位，跟踪并测量该载波相位获得第一载波相位测量值； 步骤106)调频广播接收机解调至少来自一个调频广播发射机的P (t)中导航电文所携带的载波相位修正信息，对所述第一载波相位测量值进行载波相位修正获得第二载波相位测量值； 步骤107)调频广播接收机利用第二载波相位测量值、自身初始位置和惯性导航单元的测量值获得修正的位置并将其作为下一次位置解算的初始位置； 步骤108)输出修正的位置为当前位置。
【文档编号】G01S19/29GK103630915SQ201210303350
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】陈曦, 柳寒冰, 张光华 申请人:陈曦