CN102308228B - 通过tdoa和fdoa多信道估计来定位具有或不具有aoa的源的多路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于定位发射器E的方法和系统，该发射器朝着包括N(N≥1)个信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P≥1)个反射器B_i反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤：步骤1：对每个反射路径的到达时间差或TDOA τ_i，以及到达频率差或FDOA f_i进行多信道联合估计/检测的步骤；步骤2：利用角度测定方法对发射信号的直接路径的方向θ₁进行角估计的步骤；步骤3：至少基于(τ_i，f_i)对在平面中将发射器E的位置(x，y)进行定位的步骤。

Description

通过TDOA和FDOA多信道估计来定位具有或不具有AOA的源的多路径的方法

技术领域

本发明涉及用于在有多路径时在二维或三维中定位发射器的方法，该多个路径来自直接路径以及来自位置已知的障碍物的一个或多个反射路径。所述路径被单个多信道接收系统接收，该系统的位置同样是已知的。根据本发明的方法基于信号处理方法。

背景技术

图1显示了一示例性定位系统，其包括处于已知位置A的多传感器接收站，该接收站接收直接路径和反射自处于已知位置B的障碍物的路径。这两个接收的路径由位置待定位的源E发射。位置A的接收站接收来自发射源E的入射角为θ₁的直接路径，以及反射自位于B的障碍物的入射角为θ₂的路径。定位发射器一方面需要估计直接路径和反射路径之间的到达时间的差τ₂-τ₁，另一方面需要估计直接路径的入射角θ₁。这两个问题一方面涉及到达时间差(更公知为用语“到达时间差(TDOA，Time Difference Of Arrival)”)估计领域，另一方面涉及角度测定(goniometry)领域或到达角度估计(已知表示为到达角度(AOA，Angle of Arrival))领域。此后在下文中，我们将称为TDOA和AOA估计。

发射器、反射器和接收器可以是固定的或移动的，还需要估计路径的到达频率的差或到达频率差(FDOA，Frequency Difference OfArrival)。图2显示了有反射路径时，对在E的发射器的AOA/TDOA/FDOA定位首先包括估计直接路径和反射路径之间的到达时间差Δτ₁₂从而形成双曲线(hyperbola)，然后估计直接路径的方向θ₁从而形成一直线。那么发射器位于方向为θ₁的直线和与Δτ₁₂关联的双曲线的交点。在有多个反射路径时，发射器位于多个双曲线和该直线的交点处，因此致使AOA估计是可选的。

已知接收站实现为由多个传感器组成，本发明还涉及天线处理领域。在电磁背景中，传感器为根据极化来传播的天线和无线电源。在声学背景中，传感器为麦克风，源是可听到的。更具体地，本发明涉及角度测定或AOA估计领域，其包括估计源的到达角度，源涉及来自发射器的直接路径或反射自障碍物的路径。阵列的基本传感器接收多个源，所述源的相位和振幅尤其取决于它们的入射角和传感器的位置。图3表示具有相应坐标(x_n，y_n)的传感器的一特定阵列。入射角以方位角(azimuth)θ_m和仰角(elevation)Δ_m为参数来表示。天线处理技术的主要目标是利用在天线阵列上接收的信号的空间分集。

通过TDOA技术进行被动定位的领域非常广泛；特别引用了由参考文献[1]提出的方法。该方法提出了基于来自多个单信道站的信号来进行测量。那么可以在至少三个单轨(single-track)接收器的辅助下，通过双曲线的交点在二维中定位感兴趣的源。该技术必须解非线性方程式系统，以及采取线性最小平方(linearized least squares)方法，其需要初始化到靠近发射器的真实位置，从而不会发散。另外，需要所有的接收器时间同步并且利用数据融合中心。最后，该技术在多路径情形和有干扰时不是非常具有鲁棒性。文献[2]和文献[3]提出了TDOA技术，其能够基于多个源的周期特性的先验知识来分离该多个源。

已经研发出了基于TDOA/FDOA测量的定位技术，特别参见文献[4]，其中发射器和/或接收器是移动的。该方法能够减少接收器的使用数量，但是仍然需要同步。

在多信道接收站的辅助下，在有多路径时的AOA估计和定位的领域是非常广泛的，特别参见文献[5]。

AOA/TDOA联合估计(joint estimation)生成了大量的参考文献，例如引用的参见文献[6]。在与只有TDOA估计的方法的不同之处中，在此执行的处理操作是由多信道接收站完成的。但是：

●目标是针对从单个发射器E₁到在A₁的多信道接收站的具有多路径的信道进行参数分析。那么联合估计的参数为到达角度θ_11j和由于在R_j和R_j′的反射器造成的该同一发射器的路径之间的时间间隙τ_11j-τ_11j′。

●通常基于获知的导航信号(pilot signal)的知识来设想参数(θ_11j，τ_11j-τ_11j′)的联合估计。

因此，在文献[6]中，作者提出了一种方法，用于估计在天线阵列上接收到的源的相关多路径的到达角度和延迟。通过时-空矩阵(spatio-temporal matrix)来对该问题进行建模，由寻求的角度和延迟对所述时-空矩阵进行参数化。首先对传播信道进行盲估计或者在参考序列的辅助下进行估计，然后对参数进行估计。然而，该技术具有对发射信号进行假定的缺点；因此假定信号是数字的而且被已知波形调制。另外，其采用的是不执行源定位的信道估计方法。

本发明的最接近现有技术涉及单站定位(SSL，single-stationlocation)技术，该技术用在高频(HF，High Frequency)传输的框架内。HF SSL的领域非常广泛，例如参见文献[7]。在单个多信道接收站的辅助下进行定位。接收反射自电离层的路径，结合电离层模型的知识(层的高度)，能够计算发射器的位置。在某些方法中，估计从电离层的各层反射的多个路径之间的传播延迟，因此满足对电离层的模型的更完整的知识的需要以执行定位。然而，这些方法假定从层的反射发生在发射器/接收器距离的中间。另外，这些方法的缺点是它们假定了电离层的先验(priori)知识。

发明内容

本发明目的在于通过引入在单个多信道接收系统的辅助下来定位源的解决方案，来削弱现有技术的限制，本发明的优点是消除了当使用多个接收器时的同步问题。另外，根据本发明实现的方法是利用了反射自位置已知的障碍物的多路径，所述障碍物是可控的并且位于地球上，本发明不需要任何关于接收系统接收的信号的特性的特定知识。最后，本发明还能够处理有循环平稳信号时的定位情况。

为此，本发明的一个目标是提供一种定位方法，用于定位发射器E，该发射器朝着包括N(N≥1)个射频信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P≥1)个反射器B_i反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤：

步骤1：针对每个反射路径，对到达时间差或TDOA τ_i，以及到达频率差或FDOA f_i进行多信道联合估计/检测的步骤，该步骤1至少包括如下子步骤：

○步骤1.1：基于时间参数τ和频率参数f对接收器A接收的信号的自相关矩阵R_xx(τ，f)进行估计，

○步骤1.2：构造归一化标准

${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f)=1-\det (I_N-{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f){\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{(\mathrm{\τ},f)}^H)$

其中，det是矩阵的行列式，I_N是具有N行和N列的单位矩阵，

是自相关矩阵R_xx(τ，f)在点τ和f的估计值，

○步骤1.3：计算检测阈值

其中K＝B_noiseT，α(p_fa，2N²)由概率P_fa和等于2N²的自由度的chi-2定律表确定，

○步骤1.4：确定P个TDOA/FDOA对(τ_i，f_i)，其满足如下条件：

■ ${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}({\mathrm{\τ}}_i,f_i)>\mathrm{\η}(T,B)$

■

是标准

的局部最大值，

步骤2：通过角度测定方法对发射信号的直接路径的方向θ₁进行角估计的步骤，

步骤3：至少基于(τ_i，f_i)对，或者至少基于(τ_i，f_i)对和方向θ₁，在平面中将发射器E的位置(x，y)进行定位的步骤，所述步骤3至少包括如下子步骤：

○步骤3.1：绘制每个反射路径，基于估计的P个TDOA/FDOA对(τ_i，f_i)的知识，绘制P个双曲线分支，

○步骤3.2：绘制穿过接收器A并且具有入射角θ₁的直线，

○步骤3.3：通过至少两个曲线的交点确定发射器E的坐标(x，y)，所述至少两个曲线来自在步骤3.1中确定的双曲线的一个或多个分支和步骤3.2中确定的直线。

根据一个实施例，将步骤2的角度测定方法应用到与反射自反射器B_i的路径有关的P个矩阵R_xx(τ_i，f_i)中的一个，角θ₁为直线(AB_i)和(AE)形成的角度。

根据一个实施例，步骤2的角度测定方法实现了对P个矩阵R_xx(τ_i，f_i)的联合对角化，角θ₁为直线(AE)和参考直线之间形成的角度。

根据一个实施例，步骤2的角度测定方法为MUSIC类型的方法。

根据一个实施例，所述定位方法包括估计发射器E的高度坐标z的附加步骤，所述高度z确定为至少是步骤2的角度测定方法所提供的发射器E的仰角Δ₁的估计值的函数。

根据一个实施例，反射路径P的数量大于或等于3，执行估计发射器E的高度坐标z的附加步骤，至少通过P个双曲面的交点来确定所述高度z，所述P个双曲面基于在步骤3.1中获得的双曲线的P个分支而确定。

根据一个实施例，发射器发射的信号为循环平稳信号，所述方法的步骤1附加地包括如下步骤：

步骤1.5：基于τ＝0时的标准的截止来构造滤波模板g(f)，

步骤1.6：通过在标准的每个检测点(τ，f)，比较

的值与在以τ为中心的所述模板g(f)，以及通过删除标准的值小于g(f)的任何检测值(τ，f′)，来删除该标准的旁瓣。

本发明的主题还包括一种定位系统，其包括至少一个发射器E，一个或多个反射器B_i，以及接收站A，所述站包括适用于接收发射的信号的多个传感器，以及处理单元，该处理单元包括用于执行如前所述的方法中的步骤。

附图说明

通过阅读参照结合下述附图的全部非限制性描述给出的示例性实施例的说明书，根据本发明的方法和装置的其他特性和优点将更加明显，其中：

图1为定位系统，其包括在A的接收系统，在E的发射源和在B的反射障碍物，

图2显示了通过双曲线和直线的交点来定位在E的源的技术，

图3为位置为(x_m，y_m)的传感器的阵列的示例，

图4为具有有限时间支持(bounded temporal support)的自相关函数的实例，

图5为有平稳信号的直接路径和反射路径时的示例性TDOA/FDOA标准，该平稳信号的自相关函数具有有限时间支持，

图6显示了根据本发明的通过自相关来进行多信道TDOA/FDOA估计的方法，

图7为通过TDOA估计技术来定位在E的发射器的原理图，

图8显示了通过两个双曲线和一直线的交点来定位在E的源的技术，

图9为在有信号的直接路径和两个反射路径时的示例性TDOA/FDOA标准，该信号的自相关函数具有有限时间支持，

图10为有循环平稳信号的直接路径和两个反射路径时的示例性TDOA/FDOA标准，该信号的自相关函数具有有限时间支持，

图11为用于删除循环平稳信号中的二次(secondary)检测的示例性的模板。

具体实施方式

建模

根据本发明的方法涉及，在包括N个基本传感器的阵列的辅助下，在有直接路径和P≥1个时间去相关路径时来定位源。所述路径来自位置已知的P个障碍物的反射。图1显示了包括N＝6个传感器的阵列的情况，所述传感器接收来自源的直接路径和反射路径。在该情况中P＝1。

在源具有P-1个反射路径时，传感器阵列接收的信号的表达式可以写作：

$x\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ \·\·\·\\ x_n\left(t\right)\\ \·\·\·\\ x_N\left(t\right)\end{array}\right]=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{p}a\left({\mathrm{\θ}}_p\right)s_p(t-{\mathrm{\τ}}_p)+n\left(t\right)=\mathrm{As}\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(1\right)$

s_p(t)＝s(t)exp(j2πf_pt)

其中：

为第n个传感器输出的信号，

s(t)对应于源发射的时间信号。该信号可能是平稳的或循环平稳(cyclo-stationary)的，并且其自相关函数具有有限时间支持，如图4所示。

ρ_p，θ_p，τ_p分别为来自所述源的第p个路径的衰减、方向和延迟。

a(θ)为导向矢量(steering vector)，其表示传感器阵列对方向为θ的源的响应。

n(t)为附加噪声，该噪声分量在接收信道之间是独立的并且功率为σ²。该噪声还可能包括干扰。假定n(t)遵守高斯定律。

s(t)＝[s₁(t-τ1)...s_P(t-τ_P)]^T为包括直接路径的时间信号和反射路径的时间信号的矢量。

A为导向矢量的矩阵，A＝[a(θ₁)...a(θ_P)]。

词语TDOA指反射路径和直接路径之间的到达时间差Δτ_p。词语FDOA指反射路径和直接路径之间的频率差Δf_p。Δτ_p＝τ_p-τ₁和Δf_p＝f_p-f₁为本发明要估计的TDOA和FDOA，其中直接路径的到达时间为τ₁、频率为f₁。

导向矢量a(θ)取决于传感器的位置(x_n，y_n)，例如图3中所描绘的，并且可以写作：

$a\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}{a}_1\left(\mathrm{\θ}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_N\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]$ 其中 $a_n\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x_n\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+y_n\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\right)---\left(2\right)$

导向矢量a(θ)归一化为 $\sqrt{N}:a\left(\mathrm{\θ}\right).a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H=N.$

根据本发明的方法的一个目标是在包括N个传感器的矩阵的辅助下定位源。TDOA的多信道估计能够构造该源所在的双曲线。另外，可以通过角度测定技术来估计该源的直接路径的到达方向。双曲线和直接路径的到达方向的交点引出了该源的位置，例如图2所示。

在一个实施例中，针对展现了具有有限时间支持的自相关函数的去相关的平稳信号，通过考虑直接路径和反射路径，所述方法能够在二维中进行定位。

在另一个实施例中，所述方法还能够在三维中进行定位，只要有适合根据方位角和仰角评估信号的到达方向的传感器。

所述方法也考虑采用P≥1个反射路径的情况，以及信号为循环平稳的情况。

有平稳信号时的定位，该平稳信号包括去相关的直接路径和反射路径

在第一个实施例中，假定源发射的信号s(t)为平稳的并且其自相关函数具有有限时间支持。传感器阵列接收两个时间去相关路径(直接路径和反射路径)，所述路径具有时间偏移Δτ和频率偏移Δf。所述用于定位源的方法包括如下步骤：

步骤1：TDOA和FDOA的多信道估计和检测阶段，

步骤2：对直接路径进行角估计的阶段，

步骤3：定位源的阶段。

步骤1：TDOA和FDOA的多信道估计

待估计的参数为TDOA Δτ和FDOA Δf＝f₂-f₁。因此，首先需要估计如下维度为(N，N)的自相关矩阵：

$R_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f)=\underset{t}{\∫}E\left[x\left(t\right)x{(t-\mathrm{\τ})}^H\right]\exp (-j2\mathrm{\πft})\mathrm{dt}---\left(3\right)$

该方法包括搜寻该函数的最大值，以及将所述最大值与阈值相比较。实际上，通过假定发射信号的波形不是模糊的以及两个路径是非相关的，也就是说，它们的自相关函数的时间支持是分离的。R_xx(τ，f)在τ＝Δτ和f＝f₂-f₁处展现了局部最大值。

搜寻和检测自相关函数的最大值等同于搜寻直接路径和反射路径之间在(Δτ，f₂-f₁)的公共源的存在。

用于估计TDOA和FDOA的多信道方法包括如下四个子步骤：

步骤1.1：估计自相关矩阵

根据本发明的TDOA/FDOA估计方法的第一步骤包括估计自相关矩阵R_xx(τ，f)。在有限时间段T＝KT_e内观察信号x(t)，其中T_e为针对所述信号的采样时间，而K为正整数，该矩阵可以估计为：

${\hat{R}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f)=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k{T}_e\right)x{({\mathrm{kT}}_e-\mathrm{\τ})}^H\exp (-j2\mathrm{\πfk}{T}_e)---\left(4\right)$

步骤1.2：构造归一化标准

基于在前述步骤中计算出的估计值来构造出如下归一化标准：

${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f)=1-\det (I_N-{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f){\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{(\mathrm{\τ},f)}^H)---\left(5\right)$

该方法包括针对参数对(τ_i，f_j)在τ_i＝i.inc_Δτ和f_j＝j.inc_Δf时估算该二维标准，其中inc_Δτ和inc_Δf为相比于阈值η(T，B)的增量，该增量的值是预定的。

图5显示了针对给定的阈值，标准

在截面(τ，f)中的表示。

步骤1.3：计算阈值

阈值η(T，B)基于如下可能性比率的统计的知识：

$V=-2K\ln (1-{\hat{c}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f))$

$=-2K\ln \left(\det (I_N-{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f){\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{(\mathrm{\τ},f)}^H)\right)---\left(6\right)$

在只有高斯噪声时，后者遵从自由度为2N²的chi-2定律。因此可以认定当满足下式时，已经在(τ_i，f_j)检测到反射路径。

$-2K\ln (1-{\hat{c}}_{\mathrm{xx}}({\mathrm{\τ}}_i,f_j))>\mathrm{\α}(p_{\mathrm{fa}},2N^2)---\left(7\right)$

α(proba，d)由概率为proba和自由度为d的多个自由度的chi-2表确定。因此，满足

的阈值η(T，B)具有如下表示：

$\mathrm{\η}(T,B)=1-\exp (-\frac{\mathrm{\α}(p_{\mathrm{fa}},2N^2)}{2K})$ 其中K＝B_noiseT        (8)

其中p_fa为给定的虚警概率。

通过假定乘积K＝B_noiseT足够大，先前的阈值变为：

$\mathrm{\η}(T,B)=\frac{\mathrm{\α}(p_{\mathrm{fa}},2N^2)}{2K}$ 其中K＝B_noiseT        (9)

步骤1.4：检测/估计

当满足下式时在(τ_i，f_i)检测到有反射路径。

${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}({\mathrm{\τ}}_i,f_i)>\mathrm{\η}(T,B)$

展现了局部最大值

图6图示化显示了基于所述归一化标准的计算和所述检测阈值的计算，用于确定TDOA/FDOA估计值的方法。

在一个变形实施例中，通过针对标准的抛物线插值法来优化TDOA/FDOA对(τ_i，f_i)的估计。

所述方法的如下步骤包括估计直接路径的到达角度。

步骤2：角估计(AOA)

完成步骤1后，可以得到反射路径的TDOA和FDOA估计值

假定接收器和反射器的位置是已知的，并且天线已被预先校准，那么反射路径的导向矢量a(θ₂)也是已知的。那么角估计包括对直接路径的到达方向θ₁进行估计(源的方位角)。

在一变形实施例中，如果接收站的天线适用于处理三维信号，该方法的步骤2还包括估计发射直接路径的源的仰角Δ₁。

步骤2.1：估计直接路径的到达方向

所述方法包括使用角度测定方法来估计直接路径的到达方向。这里可以采用的本领域技术人员公知的方法是MUSIC方法，例如文献[8]中所描述的，其使用了在先前确定的检测点

处的自相关矩阵R_xx(τ，f)。已知该矩阵建模为：

$R_{\mathrm{xx}}({\widehat{\mathrm{\τ}}}_i,{\hat{f}}_i)=a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)r_s\left(\mathrm{0,0}\right)a{\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}^H$

其中r_s(τ，f)为信号s(t)的自相关函数。假定有单个源时，将MUSIC方法应用到R₂＝R_xx(τ_i，f_i)R_xx(τ_i，f_i)^H是足够的。

当然可以预见其他角度测定方法。

在接收器的天线适用于处理三维信号的情况中，可以使用也能够估计直接路径的仰角的角度测定方法。

根据本发明的方法的最后一个步骤包括使用TDOA、FDOA和AOA的估计值(方位角和可选的仰角(可选地))来定位源。

步骤3：定位源

在处理操作是在二维中进行的情况中，通过双曲线和直线的交点来定位该源。该双曲线是基于TDOA估计值(步骤1)构造的，而该直线是基于源的角估计(步骤2)而获得的。

步骤3.1：绘制双曲线分支

图7图示化显示了接收器在位置A而反射器在位置B时，通过TDOA的估计值来定位在位置E的发射器的原理。

‖BA‖是点A和B之间的距离。距离D＝Δτ*c，其中c为速度，是基于两个路径(TDOA)之间的时间差Δτ的估计值而计算出的。因此，点E属于由下式确定的多个点M(x，y)的曲线：

D＝‖MB‖+‖BA‖-‖MA‖                (10)

其中点M的坐标(x，y)为该曲线的一个点。

所述坐标满足：

$x=x_A+\frac{D(D-2|\left|\mathrm{BA}\right|\left|\right)}{2\left(\right|\left|\mathrm{BA}\right||(1-\cos \left(\mathrm{\θ}\right))-D)}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$ 和

$y=y_A+\frac{D(D-2|\left|\mathrm{BA}\right|\left|\right)}{2\left(\right|\left|\mathrm{BA}\right||(1-\cos \left(\mathrm{\θ}\right))-D)}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(11\right)$

其中(x_A，y_A)为点A的坐标。图2给出了定位点E的示例性双曲线，点E的等式如(10)和(11)中给出。

在寻求在三维中定位源的情况中，那么步骤3.1的目标是构造双曲面分支而不是双曲线。可以与二维中进行定位所述的情况相似的方式来获得该双曲面分支，只要基于TDOA的估计值。

步骤3.2：绘制直线

该子步骤包括绘制穿过接收器的直线，该直线与将接收器连接到反射器的直线形成的角度为

如图2所示。在3D定位的情况中，通过方位角

和仰角Δ₁来确定该直线。

步骤3.3：定位源

该步骤能够通过在步骤3.1确定的双曲线和步骤3.2中确定的直线的交点来获得源的位置。

在一个变形实施例中，当在三维中进行定位时，源的位置附加地由步骤2.2中确定的仰角确定。

有平稳信号时的定位，该平稳信号包括直接路径和去相关的P个反射路径

先前所述的方法可以扩展为通过接收站接收多个(P个)去相关的反射路径的实施例。仍认为该信号是平稳的并且其自相关函数具有有限时间支持。

该方法的步骤在功能上与先前描述的情况(单反射路径)相同：

步骤1：P个反射路径的TDOA和FDOA的多信道估计

在有P＞1个去相关反射路径和一直接路径的情况中，对于τ＞0，f＞0，矩阵R_xx(τ，f)在多个点(τ_i，f_i)，i∈[1，P]展现了局部最大值。先前针对反射路径所解释的方法对于估计P个反射路径的每一个的TDOA/FDOA仍然有效。为此，如前所述来实施子步骤1.1，1.2，1.3和1.4。图9显示了针对给定的阈值，标准在P＝2个反射路径的情况中在截止平面(τ，f)中的表示。在点(Δτ₁，Δf₁)和(Δτ₂，Δf₂)确定的局部最大值对应于两个反射路径，而直接路径在原点(0，0)展现了局部最大值。

步骤2：直接路径的角估计

完成先前的步骤1后，对于反射路径可以获得P个TDOA/FDOA对

其中i从1变化到P。假定接收器和反射器的位置是已知的，假定天线已将预先校准，那么可以获得针对所有反射路径的导向矢量

那么角估计包括对直接路径的到达方向进行估计。

步骤2.1bis(重复)：根据直接路径的方位角θ₁估计到达方向

该方法包括利用角度测定方法来估计直接路径的到达方向。例如，可以在P个矩阵R_xx(τ，f)上在检测点

实施MUSIC方法。已知所述矩阵可以建模为：

$R_{\mathrm{xx}}({\widehat{\mathrm{\τ}}}_i,{\hat{f}}_i)=a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)r_s\left(\mathrm{0,0}\right)a{\left({{\mathrm{\θ}}^i}_{\mathrm{MT}}\right)}^H$

其中a(θⁱ _MT)为第i个反射路径的导向矢量。对每个矩阵R₂＝R_xx(τ_i，f_i)R_xx(τ_i，f_i)^H应用MUSIC方法，假定有单个源。

然后在P个矩阵的一个

上估计直接路径的到达方向(递归步骤2.1bis与先前描述的步骤2.1相同)，或者通过针对这些P个矩阵的整个集合执行联合对角化(joint diagonalization)来进行直接路径的到达方向的估计，这具有获得更好精度的到达方向的优点。在后一种情况中，通过估计所述将源连接到接收器的直接路径和参考点之间的角度θ_TD，可以估计直接路径的到达方向，所述参考点例如为地理上的北方。

步骤2.2bis：根据直接路径的仰角估计到达方向

在接收器的天线适用于处理三维信号的情况中，也可以应用角度测定方法来估计直接路径的仰角。角度测定方法例如可以是MUSIC方法。

步骤3：定位源

为了(在平面或空间中)定位源，那么要获得具有对应于P个反射路径的分支的P个双曲线。以与单个反射路径相似的方式，通过对直接路径的角估计获得的这些双曲线和所述直线的交点能够在平面中定位该源。通过使用附加的信息项目，在步骤2.2中确定的源的仰角，也可以在空间中进行定位。

实施与单个反射路径的情况相同的子步骤。

步骤3.1 bis：针对二维中的定位来绘制双曲线的分支，或者针对三维中的定位来绘制双曲面的分支。

步骤3.2：绘制对应于直接路径的方向的直线。该步骤与单个反射路径的情况相同。

步骤3.3 bis：该步骤包括使用在先前步骤中产生的各种要素，来在平面或空间估计源的位置。可以有多个变形：

在P个双曲线和所述直线的交点确定平面中的定位。图8显示了P＝2的情况。

在P个可用的双曲线中的至少2个双曲线的交点确定平面中的定位。在该情况中，步骤3.2是可选地。

在P个双曲面和所述直线的交点确定空间中的定位，所述直线通过估计直接路径的方位角和仰角而确定。

在P个(假定P＞3)可用的双曲面中的至少3个双曲面的交点确定空间中的定位。在该情况中，步骤3.2也是可选地。

有循环平稳信号时的定位，该循环平稳信号包括直接路径和去相关的P(P＞0)个反射路径

先前描述的根据本发明的方法假定了平稳信号的情况。该方法还可以通过引入两个附加的步骤来实施到循环平稳信号上。

以与先前相同的方式，所述路径是去相关的，并且该信号的自相关函数具有时间有限支持。

针对一个或多个反射路径的TDOA/FDOA的多轨迹(multi-track)估计的第一个步骤相似于先前描述的步骤1。现在假定所述信号为循环平稳的。它们的自相关函数R_xx(τ，f)以及相应的标准在信号的周期频率的等级上展现了非零值。图10给出了有P＝2个反射路径和一直接路径时，循环平稳信号的示例性标准。因此步骤1.1至1.4不仅引起针对找到的TDOA/FDOA对

的检测，还有针对对

和

的检测，k是正整数，对应于二次峰值，其中f_α为信号的周期频率。

那么根据本发明的方法包括利用滤波模板来删除二次检测值。所述两个附加步骤实施为：

步骤1.5：构造滤波模板

标准在τ＝0的截止(cut)能构造取决于频率的滤波模板g(f)。那么该模板对应于该截止点加上一倍增系数。图11给出了示例性模板。

步骤1.6：删除二次检测

根据本发明的方法此后包括，在标准的每个检测点(τ，f)，沿着频率轴，比较的

值和以τ为中心的模板g(f)。然后删除使得标准值小于g(f)的任何检测(τ，f′)。

下述的角估计步骤(步骤2)和在二维或三维中定位的步骤(步骤3)与先前描述的步骤相同。

本发明主要应用于目标为在传播受控的情况中来定位发射器的装置。例如，其可以涉及在市内设置或郊区设置中定位固定的或便携发射器。本发明还可以在与无源雷达相关的处理的框架内实施，目标是基于位置已知的发射源的知识来定位目标，发射源例如数字地面电视天线。在该情况中，目标扮演反射器的角色，而发射器的位置是已知的。那么该方法可以通过转换发射器和反射器的角色来应用。

本发明主要呈现了如下优点：

通过利用单个多信道接收站，可以进行发射器的2D或3D定位。所提出的解决方案无需执行多个接收器之间的时间同步。

执行的处理操作不需要任何与发射信号有关的先验信息。

当有两个反射器(2D)或三个反射器(3D)时，不需要角度测定方法，使得任何天线校准阶段不相关。

也可以考虑循环平稳信号的情况。

参考文献：

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[2]Gardner，W.A.；Chen，C.-K.Signal-selective time-difference-of-arrivalestimation for passive location of man-made signal sources in highlycorruptive environments.I.Theory and method IEEE trans on SP vol 40 n°5May 1992，pp 1168-1184

[3]Chen，C.-K.；Gardner，W.A.Signal-selective time-difference of arrivalestimation for passive location of man-made signal sources in highlycorruptive environments.II.Algorithms and performance IEEE trans on SPvol 40 n°5May 1992，pp 1168-1184

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Claims (8)

1.一种定位方法，用于定位发射器E，该发射器朝着包括N(N≥1)个射频信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P≥1)个反射器B_i反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤：

步骤1：对每个反射路径的到达时间差τ_i，以及到达频率差f_i执行多信道联合估计/检测的步骤，该步骤1至少包括如下子步骤：

○步骤1.1：基于时间参数τ和频率参数f，对接收器A接收的信号的自相关矩阵R_xx(τ，f)进行估计，

○步骤1.2：构造归一化标准

${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f)=1-\det (I_N-{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}(\mathrm{\τ},f){\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xx}}{(\mathrm{\τ},f)}^H)$

其中，det是矩阵的行列式，I_N是具有N行和N列的单位矩阵，

是自相关矩阵R_xx(τ，f)在点τ和f的估计值，

○步骤1.3：计算检测阈值

其中K＝BT，其中α(p_fa，2N²)由概率p_fa和自由度等于2N²的chi-2定律表确定，

○步骤1.4：确定P个TDOA/FDOA对(τ_i，f_i)，其满足如下条件：

■ ${\hat{c}}_{\mathrm{xx}}({\mathrm{\τ}}_i,f_i)>\mathrm{\η}(T,B)$

■

是标准的局部最大值，

步骤2：通过角度测定方法对发射信号的直接路径的方向θ₁进行角估计的步骤，

步骤3：至少基于(τ_i，f_i)对，或者至少基于(τ_i，f_i)对和方向θ₁，在平面中将发射器E的位置(x，y)进行定位的步骤，所述步骤3至少包括如下子步骤：

○步骤3.1：针对每个反射路径，基于估计的P个TDOA/FDOA对(τ_i，f_i)的知识，绘制P个双曲线分支，

○步骤3.2：绘制穿过接收器A并且具有入射角θ₁的直线，

○步骤3.3：通过来自在步骤3.1中确定的双曲线的一个或多

个分支的至少两个曲线与步骤3.2中确定的直线的交点确定发射器E的坐标(x，y)。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，将步骤2的角度测定方法应用到与从反射器B_i反射的路径有关的P个矩阵R_xx(τi，f_i)中的一个，角θ₁为直线(AB_i)和(AE)形成的角度。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤2的角度测定方法实现了对P个矩阵R_xx(τ_i，f_i)的联合对角化，角θ₁为直线(AE)和参考直线形成的角度。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤2的角度测定方法为MUSIC类型的方法。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的定位方法，其特征在于，执行估计发射器E的高度坐标z的附加步骤，所述高度z至少根据步骤2的角度测定方法所提供的发射器E的仰角Δ₁的估计值来确定。

6.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，反射路径P的数量大于或等于3，以及其特征在于，执行估计发射器E的高度坐标z的附加步骤，至少通过P个双曲面的交点来确定所述高度z，所述P个双曲面基于在步骤3.1中获得的双曲线的P个分支而确定。

7.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，发射器发射的信号为循环平稳信号，以及其特征在于，所述方法的步骤1附加地包括如下步骤：

步骤1.5：基于τ＝0时的标准

的截止来构造滤波模板g(f)，

步骤1.6：通过在标准的每个检测点(τ，f)，比较

的值与中心为τ的所述模板g(f)，以及通过删除标准

的值小于g(f)的任何检测值(τ，f′)，来删除该标准的旁瓣。

8.一种定位系统，包括至少一个发射器E，一个或多个反射器B_i，以及接收站A，所述接收站包括适用于接收发射的信号的多个传感器，以及处理单元，该处理单元包括用于执行权利要求1至7中所述的方法中的步骤的装置。

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