CN113029147B - 一种直达波空中传播时延的估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直达波空中传播时延的估计方法，通过接收设备中获得多径波到达接收端的方位角、俯仰角和总时延；用波反射的几何关系获得反射波的离开角；在直达波射线上选取一个假设点作为发射端，并以此计算出直达波的空中传播时延与反射波的反射点位置；根据直达波和反射波的总时延以及假设点位置计算出反射波的传播时延与距离；根据假设点、反射点、接收端的坐标，选取绝对值最小的假设点作为发射端位置，通过计算发射端与接收端的距离获得直达波的空中传播时延。本发明能够获得直达波在空中的传播时延，进而获得直达波的传播距离，完成测距和定位的需求。

Description

一种直达波空中传播时延的估计方法
技术领域
本发明属于无线电定位技术领域，特别涉及一种利用反射波辅助对直达波空中传播时延进行估计的方法。
背景技术
无线电波具有在介质中的传播速度稳定，检测难度低等优势，使得无线电波在测距领域中具有重要应用和巨大潜力，利用无线电波的传播速度乘以传播时延，即可获得无线电波在介质中的传播距离，从而获得测量点与被测目标的距离，常见的如雷达等测距设备。对于单基地的雷达系统，记录探测到的回波时延乘以波在介质中的传播速度得到的距离为目标距离的两倍，从而测得站址与目标的距离，类似的技术同样被用于卫星测距定位系统中，由此可见，利用无线电波的传播时延测距是一种广泛应用的技术手段。
利用传播时延，室外卫星定位技术得以顺利施行，随着移动互联网技术的普及，室内定位技术同样面临着巨大的需求，然而建筑物的遮挡导致的电磁波信号的衰减，使得卫星定位技术在室内难以施行，进而需要寻求新的测距定位技术，近年来，得益于无线通信技术的发展，室内无线通信系统的部署日趋完善，以无线局域网(Wireless Local AreaNetwork，WLAN)为代表的室内无线通信网络的覆盖已经普遍完成。无论是在生活、办公、商业或者工业场景中，无线通信设备的布设均已非常完善，在满足用户通信需求的同时，兼顾满足用户需要的位置请求服务，已成为一个重要趋势。位置获取的一个关键因素在于电磁波传播时延的获取，但是如今存在的室内无线通信场景中，收发端所处环境复杂，同时面临着多用户请求和网络拥堵等诸多不利因素带来的挑战，使得设备获得的时延除了电磁波的传播时延外还包括了系统的响应时延，因此如何去除这个系统响应时延，估计直达波的空中传播时延成为室内定位和测距技术的关键。
目前常见的处理方式时通过往返时间(Round Trip Time,RTT)来测量用户终端的位置，利用的原理是收发单侧的时间是同步的，利用用户终端侧的收发时间差减去接入点(Access Point,AP)侧的收发时间差，从而获得信号RTT。然而这种方法存在的问题是该方法虽然校准了信息在AP侧的处理时延，却仍然无法获得信号的检测时延，这个时延的数量级对小范围的测距与定位仍然有着不可忽略的影响，会直接影响测距的精度以及定位的成败。
发明内容
发明目的：测距和定位技术的关键在于空中传播时延的获取，利用现有的通信设备作为测量工具获取接收信号的时延包含系统响应时延，无法测得信号的传播时延，本发明提供一种直达波空中传播时延的估计方法，利用反射波信息作为辅助，估计获得直达波在空中的传播时延，进而获得直达波的传播距离，完成测距和定位的需求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种直达波空中传播时延的估计方法，包括以下步骤：
步骤1，通过电波接收设备获得接收信号，估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延。估计出的多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延包括直达波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延分别
Figure BDA0002960834500000021
反射波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延
Figure BDA0002960834500000022
反射波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为
Figure BDA0002960834500000023
直达波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为
Figure BDA0002960834500000024
步骤2，根据波反射的几何原理以及电波接收设备测得的反射波的到达角，获得反射波的离开角。反射波的到达角指反射波的到达方位角和到达俯仰角，反射波的离开角指反射波的离开方位角和离开俯仰角。
步骤3，在直达波到达角所在射线上选取一个假设点作为发射端，计算出在该假设点下直达波的空中传播时延与反射波的反射点位置。反射点位置由反射波离开角所在射线与到达角所在射线的公垂线段中点确定。
由于角度测量误差的存在，反射波的离开方向所在射线与到达方向所在射线不相交于一点，为了平滑反射点位置的估计误差，取这两条射线的公垂线的中点作为反射点所在位置。
到达角所在方向的射线指代以接收端为端点，方向沿着到达角方向的射线，离开角所在方向的射线指代以发送端为端点，方向沿着离开角方向的射线。
步骤4，根据直达波总时延、反射波总时延以及选取的假设点位置计算出反射波的传播距离。
lsc＝|rr-rsc|+|rsc-rp|
其中，lsc表示反射波的传播距离，rr表示接收端的坐标，rsc表示估计的反射波的反射点坐标，rp表示假设点坐标，|·|表示取模值。
步骤5，计算发射端假设点到反射点以及反射点到接收端之间的距离之和，并与反射波的传播距离作差并取绝对值，选取绝对值最小的假设点作为发射端位置。计算发射端与接收端的距离，除以电波的传播速度，获得直达波空中传播时延的估计值。
反射波到达接收端时的路径传播时延为：
τp,1＝τr,1-τr,0+τp,0
其中，τp,1表示反射波到达接收端时的路径传播时延，τr,1表示测得反射波的总时延，τr,0表示测得直达波的总时延，τp,0表示发射端假设点P到接收端的直达路径传播时延。
反射波到达接收端时的路径传播距离为l′sc＝cτp,1，c为电磁波在空间中的传播速度。
选取合适的P点位置获得最小的代价函数：
f(rp)＝|lsc-l′sc|
其中，f(rp)表示代价函数，lsc表示根据空间位置坐标算出来的反射波的传播距离，l′sc表示根据所计算的反射波到达接收端时的路径传播时延计算出来的反射波传播距离。
直达波的传播时延估计值
Figure BDA0002960834500000031
为：
Figure BDA0002960834500000032
其中，
Figure BDA0002960834500000033
表示直达波的传播时延的估计值，rp表示所假设的发射点到接收端的距离，τ表示直达波的传播时延。
步骤3中选取合适的假设点作为发射端，以满足过程步骤5中距离差值最小的要求，这个过程可视为一个优化过程。
优选的：步骤1中利用角度时延联合估计方法估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延。
优选的：步骤2中反射波的到达角与反射波的离开角关系：
Figure BDA0002960834500000034
或
Figure BDA0002960834500000035
其中，
Figure BDA0002960834500000036
表示反射波的到达方位角，
Figure BDA0002960834500000037
表示反射波的离开方位角，θr,1表示反射波的到达俯仰角，θt,1表示反射波的离开俯仰角。
优选的：步骤3中在直达波到达角所在射线上选取一假设点作为发射端，记假设点为P点，假设点到接收端的距离为rP，以接收端为坐标原点，假设点的坐标表示为：
Figure BDA0002960834500000038
其中，rP表示假设点坐标，
Figure BDA0002960834500000039
表示直达波的离开方位角，θr,0表示直达波的到达俯仰角。
优选的：步骤3中反射点位置由反射波离开角所在射线与到达角所在射线的公垂线段中点确定的方法：根据步骤2获得反射波的离开角
Figure BDA0002960834500000041
和接收端的坐标rr，获得反射波的发射射线与接收射线的公垂线段，最终获得公垂线线段的中点，记为rsc，即为所估计反射波的反射点。
优选的：步骤1中通过给定接收端的位置坐标或者以接收端为坐标原点，根据最终获得的传播时延结合装置测出的直达波到达角信息完成对于发射端的定位。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
对于现有的室内无线通信系统来说，空中传播时延的获取是一个巨大的挑战，这对室内定位与测距同样带来了困难。现有的室内无线定位方案采用多台AP协同工作，通过信号到达不同AP的时间差来完成对室内终端的定位。这种定位方案需要多台AP实现同步，并同时工作，对于一些无法满足终端到多台AP同时处于视距传播条件下的场景，这种方案将会失效。因此，只利用单个接收端来实现室内定位具有重要的实际意义。本发明能够在仅有一个AP到终端处于视距传播并且只需接收端工作的条件下，完成直达波空中传播时延的估计，对室内定位与测距具有极其重要的价值。
附图说明
图1包含离开角与到达角的直达波和反射波参数定义；
图2假设点选取与反射点位置估计模型；
图3最优假设点估计结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，在本具体实施例中，接收端是具有测向功能的接收机，发射端发送具有特定格式和一定带宽的设备，本例中在接收端通过测向天线阵列获得电磁波的到达角与信号时延。应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种直达波空中传播时延的估计方法，其中估计传播时延需要的已知条件有，接收端直达波和反射波的到达角度和信号经历的总时延，该信息可以通过角度时延联合估计算法获得，包括以下步骤：
步骤1，通过电波接收设备获得接收信号，估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延。如图1所示，总时延包括电波在空中传播时延与系统响应时延两个部分，将系统响应时延从总时延中估计出来的过程为本发明的主要过程。
利用角度时延联合估计方法估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延。估计出的多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延包括直达波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延分别
Figure BDA0002960834500000051
反射波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延
Figure BDA0002960834500000052
定义：反射波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为
Figure BDA0002960834500000053
直达波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为
Figure BDA0002960834500000054
反射波指单次反射波，在同一坐标系下，波反射体表面发生镜面反射时，入射波的离开角与反射波的到达角呈现特定的代数关系。
步骤2，根据波反射的几何原理以及电波接收设备测得的反射波的到达角，获得反射波的离开角，反射波的到达角指反射波的到达方位角和到达俯仰角，反射波的离开角指反射波的离开方位角和离开俯仰角，根据反射波的到达角与反射波的离开角关系获得反射波的离开角：
Figure BDA0002960834500000055
其中，
Figure BDA0002960834500000056
表示反射波的到达方位角，
Figure BDA0002960834500000057
表示反射波的离开方位角，θr,1表示反射波的到达俯仰角，θt,1表示反射波的离开俯仰角。
可见，当测向装置获取了反射波到达角后，离开角也将被限制在一定的组合范围内，由此可以获得有限组离开角度的可能性，遍历所有的离开角度，从中选择能够使反射波的离开角所在射线与到达角所在射线公垂线距离最短的离开角作为真实的反射波离开角。其中反射波到达角所在射线指代以接收端为端点向到达角方向延伸的射线，满足式(1)的离开角可能存在与到达角所在射线无公垂线的情况，在选定真实离开角时该情况对应的离开角可直接排除。
步骤3，如图2所示，在直达波到达角所在射线上选取一个假设点作为发射端，计算出在该假设点下直达波的空中传播时延与反射波的反射点位置。反射点位置由反射波离开角所在射线与到达角所在射线的公垂线段中点确定。
选取假设点作为发射端，选取假设点的位置到接收端的位置传播时间不超过接收设备中估计的总时延。记假设点为P点，假设点到接收端的距离为rP，以接收端为坐标原点，P点的坐标表示为：
Figure BDA0002960834500000061
其中，rP表示P点的坐标，
Figure BDA0002960834500000062
表示直达波的离开方位角，θr,0表示直达波的到达俯仰角。
根据步骤2可以获得反射波的离开角
Figure BDA0002960834500000063
和接收端的坐标rr，再利用估计所得的到达角
Figure BDA0002960834500000064
以及已知的接收端的坐标，此处不妨定义接收端的坐标为rr，可以获得反射波的发射射线与接收射线的公垂线段，最终获得公垂线线段的中点，记为rsc，即为所估计反射波的反射点。
反射波离开角可根据式(2)中的代数关系筛选至有限组，再计算反射波反射前和反射后所在直线的公垂线段的长度，选择能使得对应公垂线最小的角度作为反射波的离开角。
步骤4，反射路径是由接收端、反射点和发射端连线构成，在选取假设点作为发射端后，获得了反射点的位置，再利用已知的接收端的位置，则反射波的传播距离可以计算出来如下：
lsc＝|rr-rsc|+|rsc-rp| (3)
其中，lsc表示反射波的传播距离，|·|表示取模值。
步骤5，计算发射端假设点到反射点以及反射点到接收端之间的距离之和，并与反射波的传播距离作差并取绝对值，选取绝对值最小的假设点作为发射端位置。计算发射端与接收端的距离，除以电波的传播速度，获得直达波空中传播时延的估计值。
令发射端假设点P到接收端的直达路径传播时延为τp,0，根据直达波和反射波是同时从发射端出发，并在不同时刻到达接收端的这一原理，不难计算出反射波到达接收端时的路径传播时延为：
τp,1＝τr,1-τr,0+τp,0 (4)
其中，τp,1表示反射波到达接收端时的路径传播时延，τr,1表示测得反射波的总时延，τr,0表示测得直达波的总时延，τp,0表示发射端假设点P到接收端的直达路径传播时延。
反射波到达接收端时的路径传播距离为l′sc＝cτp,1，c为电磁波在空间中的传播速度。
选取合适的P点位置获得最小的代价函数：
f(rp)＝|lsc-l′sc| (5)
其中，f(rp)表示代价函数，lsc表示根据空间位置坐标算出来的反射波的传播距离，l′sc表示根据所计算的反射波到达接收端时的路径传播时延计算出来的反射波传播距离。
如图3所示，为最优假设点估计结果。
直达波的传播时延估计值
Figure BDA0002960834500000071
为：
Figure BDA0002960834500000072
其中，
Figure BDA0002960834500000073
表示直达波的传播时延的估计值，rp表示所假设的发射点到接收端的距离，τ表示直达波的传播时延。
本发明电波不限于电波，同样适用于声波，本发明用于定位和测距等领域。
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。

Claims (6)

1.一种直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过电波接收设备获得接收信号，估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延；估计出的多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延，包括直达波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延
Figure FDA0003710443530000011
反射波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延
Figure FDA0003710443530000012
步骤2，根据波反射的几何原理以及电波接收设备测得的反射波的到达角，获得反射波的离开角；反射波的到达角指反射波的到达方位角和到达俯仰角，反射波的离开角指反射波的离开方位角和离开俯仰角；
步骤3，在直达波到达角所在射线上选取一个假设点作为发射端，计算出在该假设点下直达波的空中传播时延与反射波的反射点位置；反射点位置由反射波离开角所在射线与到达角所在射线的公垂线段中点确定；
步骤4，根据直达波总时延、反射波总时延以及选取的假设点位置计算出反射波的传播距离；
lsc＝|rr-rsc|+|rsc-rp|
其中，lsc表示反射波的传播距离，rr表示接收端的坐标，rsc表示估计的反射波的反射点坐标，rp表示假设点坐标，|·|表示取模值；
步骤5，计算发射端假设点到反射点以及反射点到接收端之间的距离之和，并与反射波的传播距离作差并取绝对值，选取绝对值最小的假设点作为发射端位置；计算发射端与接收端的距离，除以电波的传播速度，获得直达波空中传播时延的估计值；
反射波到达接收端时的路径传播时延为：
τp,1＝τr,1-τr,0+τp,0
其中，τp,1表示反射波到达接收端时的路径传播时延，τr,1表示测得反射波的总时延，τr,0表示测得直达波的总时延，τp,0表示发射端假设点P到接收端的直达路径传播时延；
反射波到达接收端时的路径传播距离为l′sc＝cτp,1，c为电磁波在空间中的传播速度；
选取合适的P点位置获得最小的代价函数：
f(rp)＝|lsc-l′sc|
其中，f(rp)表示代价函数，lsc表示根据空间位置坐标算出来的反射波的传播距离，l′sc表示根据所计算的反射波到达接收端时的路径传播时延计算出来的反射波传播距离；
直达波的传播时延估计值
Figure FDA0003710443530000021
为：
Figure FDA0003710443530000022
其中，
Figure FDA0003710443530000023
表示直达波的传播时延的估计值，rp表示所假设的发射点到接收端的距离，τ表示直达波的传播时延。
2.根据权利要求1所述直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于：步骤1中利用角度时延联合估计方法估计出多径波到达接收端的到达方位角、俯仰角和每条径的总时延。
3.根据权利要求2所述直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于：步骤2中反射波的到达角与反射波的离开角关系：
Figure FDA0003710443530000024
或
Figure FDA0003710443530000025
其中，
Figure FDA0003710443530000026
表示反射波的到达方位角，
Figure FDA0003710443530000027
表示反射波的离开方位角，θr,1表示反射波的到达俯仰角，θt,1表示反射波的离开俯仰角。
4.根据权利要求3所述直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于：步骤3中在直达波到达角所在射线上选取一假设点作为发射端，记假设点为P点，假设点到接收端的距离为rP，以接收端为坐标原点，假设点的坐标表示为：
Figure FDA0003710443530000028
其中，rP表示假设点坐标，
Figure FDA0003710443530000029
表示直达波的离开方位角，θr,0表示直达波的到达俯仰角。
5.根据权利要求4所述直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于：步骤3中反射点位置由反射波离开角所在射线与到达角所在射线的公垂线段中点确定的方法：根据步骤2获得反射波的离开角
Figure FDA00037104435300000210
和接收端的坐标rr，获得反射波的发射射线与接收射线的公垂线段，最终获得公垂线线段的中点，记为rsc，即为所估计反射波的反射点。
6.根据权利要求5所述直达波空中传播时延的估计方法，其特征在于：步骤1中通过给定接收端的位置坐标或者以接收端为坐标原点，根据最终获得的传播时延结合装置测出的直达波到达角信息完成对于发射端的定位。
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