CN113473593B - 一种基于单站的目标被动定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单站的目标被动定位方法。首先，利用接收机的多天线组成线性阵列及扩展天线，使其能在不同空间位置接收发射端发出的信号，并同时估计出信道状态信息；然后，基于阵列获取的信道状态信息，估计直达信号和目标反射信号的波达角以及信号到达时间，并基于扩展天线获取的信道状态信息估计出直达信号和目标反射信号到达时间；其次，利用直达信号波达角以及到达阵列和扩展天线时间差，估计发射机位置；最后，基于发射机位置、目标反射信号波达角以及直达信号和反射信号到达时间差，估计出目标位置，目标被动定位。实验和分析表明，本发明在仅有一个多天线接收机的情况下，通过构建接收阵列和扩展天线，可实现单站目标被动定位。

Description

一种基于单站的目标被动定位方法
技术领域
本发明属于被动定位技术，具体涉及在Wi-Fi系统下，一种基于单站的目标被动定位方法。
背景技术
近年来，随着智能设备与无线网络的普及，人们对于场景感知、环境智能等应用需要在不断增加，同时对用户位置信息精度的要求也在不断提高。
传统的目标被动定位研究大多基于雷达完成。基于雷达的系统通常需要配备专业的信号收发设备，使得设备成本较高。随着无线网络技术的不断提高与相关设备的普及，越来越多的研究人员开始研究利用Wi-Fi等无线信号完成目标被动定位。被动定位系统Widar2.0估计出反射信号波达角、到达时间以及多普勒信息，并结合收发两端的位置最终完成目标被动定位；被动定位系统Indotrack，利用多个多天线接收机捕获反射信号并估计出信号波达角以及多普勒信息，并最终联合多个接收机估计出的结果实现目标被动定位。此类系统仅能在发射机位置已知且配备多个接收端的情况下对目标进行被动定位。
针对上述问题，本发明在Wi-Fi系统下，设计了一种基于单站的目标被动定位方法。该方法在信号发射端位置未知的情况下，利用接收机配备的多天线组成天线阵列以及扩展天线，在不同的空间位置获取信号并估计出直达信号及反射信号相关参数，并利用估计的参数构建约束方程，实现对目标的被动定位。
发明内容
本发明的目的是在Wi-Fi系统下，提供一种基于单站的目标被动定位方法，它能在信号发射端位置未知的情况下，仅依靠单接收机获取的信息实现目标被动定位。
本发明所述的是，基于单站的目标被动定位方法，具体包括以下步骤：
步骤一、首先利用Wi-Fi接收机的多天线组成阵列天线以及扩展天线获取信号，并估计出直达信号及目标反射信号的波达角及到达时间；
1a、利用多天线Wi-Fi接收机的部分接收天线组成天线间距为半波长的阵列天线，利用馈线将接收机其中一根天线延伸到另一已知空间位置组成扩展天线；
1b、对于阵列天线，第l条传播路径，l∈{GD∪GR}，GR为反射路径集合，GD为直射路径集合，第i根天线、第k个子载波接收的真实信道状态信息(Channel State Information,CSI)信号为
Figure BDA0003128564880000021
其中，αl为衰减，τl为到达时间，θl为信号波达角，fc为中心频率，fk＝fc+(k-1)Δf为第k个子载波的频率，Δf为两个子载波之间的频率间隔，λb和λo分别为由分组检测时延和采样频率偏移引起的时延，e-j2πβ为由中心频率偏移引起的相位偏移，
Figure BDA0003128564880000022
为噪声；
1c、对于扩展天线，第l条传播路径，第k个子载波接收的真实CSI信号为
Figure BDA0003128564880000023
其中，α′l为衰减，
Figure BDA0003128564880000024
为噪声；
1d、利用多重信号分类算法估计出直达信号到达阵列天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000025
直达信号到达扩展天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000026
及直达信号到达阵列天线的波达角
Figure BDA0003128564880000027
目标反射信号到达阵列天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000028
目标反射信号到达阵列天线的波达角
Figure BDA0003128564880000029
步骤二、利用估计出的直达信号波达角以及到达阵列和扩展天线的时间，构建约束方程：
Figure BDA00031285648800000210
其中||·||2为二范数操作符，lT＝[xt,yt]为发射机的坐标，lA＝[xa,ya]为接收阵列的位置，lE＝[xe,ye]为扩展天线的位置，Δτ为收发两端未同步引入的时间误差，εTA和εTE为直达信号到达时间估计误差，
Figure BDA00031285648800000211
直达信号波达角估计误差，c为光速；
步骤三、基于构建的约束方程估计出信号发射端的位置：
Figure BDA00031285648800000212
其中
Figure BDA00031285648800000213
步骤四、基于估计出的发射机位置、目标反射信号的波达角以及达到接收阵列的时间，构建约束方程：
Figure BDA0003128564880000031
其中εTRA为反射信号到达时间估计误差，εθ为反射信号波达角估计误差；
步骤五、基于构建的约束方程，计算出目标位置，实现目标被动定位：
Figure BDA0003128564880000032
其中
Figure BDA0003128564880000033
有益效果
本发明首先利用接收端配备多天线组成一个阵列天线以及一根扩展天线，使得阵列和扩展天线在不同的空间位置接受信号并估计出信道状态信息；然后，基于阵列获取的信道状态信息估计出直达信号和目标反射信号的波达角以及信号到达阵列的时间，基于扩展天线获取的信道状态信息估计出直达信号和目标反射信号到达扩展天线的时间；其次，基于估计的直达信号波达角以及到达阵列和扩展天线的时间，构建约束方程，估计出发射端的位置；最后，利用估计的发射机位置、目标反射信号波达角以及目标反射信号到达阵列的时间，构建约束方程，求解出目标位置，从而实现基于单站的目标被动定位。本发明设计了一种单站目标被动定位方法，在仅有一个多天线接收端的情况下，实现了对目标的被动定位，同时还能够实现对发射机的定位，能够更好的满足实际的定位需求。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明测试场景示意图
具体实施方案
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
步骤一、首先利用Wi-Fi接收机的多天线组成阵列天线以及扩展天线获取信号，并估计出直达信号及目标反射信号的波达角及到达时间；
1a、利用多天线Wi-Fi接收机的部分接收天线组成天线间距为半波长的阵列天线，利用馈线将接收机其中一根天线延伸到另一已知空间位置组成扩展天线；
1b、对于阵列天线，第l条传播路径，l∈{GD∪GR}，GR为反射路径集合，GD为直射路径集合，第i根天线、第k个子载波接收的真实信道状态信息(Channel State Information,CSI)信号为
Figure BDA0003128564880000041
其中，αl为衰减，τl为到达时间，θl为信号波达角，fc为中心频率，fk＝fc+(k-1)Δf为第k个子载波的频率，Δf为两个子载波之间的频率间隔，λb和λo分别为由分组检测时延和采样频率偏移引起的时延，e-j2πβ为由中心频率偏移引起的相位偏移，
Figure BDA0003128564880000042
为噪声；
1c、对于扩展天线，第l条传播路径，第k个子载波接收的真实CSI信号为
Figure BDA0003128564880000043
其中，α′l为衰减，
Figure BDA0003128564880000044
为噪声；
1d、利用多重信号分类算法估计出直达信号到达阵列天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000045
直达信号到达扩展天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000046
及直达信号到达阵列天线的波达角
Figure BDA0003128564880000047
目标反射信号到达阵列天线的到达时间
Figure BDA0003128564880000048
目标反射信号到达阵列天线的波达角
Figure BDA0003128564880000049
步骤二、利用估计出的直达信号波达角以及到达阵列和扩展天线的时间，构建约束方程：
Figure BDA00031285648800000410
其中||·||2为二范数操作符，lT＝[xt,yt]为发射机的坐标，lA＝[xa,ya]为接收阵列的位置，lE＝[xe,ye]为扩展天线的位置，Δτ为收发两端未同步引入的时间误差，εTA和εTE为直达信号到达时间估计误差，
Figure BDA00031285648800000411
直达信号波达角估计误差，c为光速；
步骤三、基于构建的约束方程估计出信号发射端的位置：
Figure BDA00031285648800000412
其中
Figure BDA00031285648800000413
步骤四、基于估计出的发射机位置、目标反射信号的波达角以及达到接收阵列的时间，构建约束方程：
Figure BDA0003128564880000051
其中εTRA为反射信号到达时间估计误差，εθ为反射信号波达角估计误差；
步骤五、基于构建的约束方程，计算出目标位置，实现目标被动定位：
Figure BDA0003128564880000052
其中
Figure BDA0003128564880000053

Claims (1)

1.一种基于单站的目标被动定位方法，其特征包括系统整体框架，具体如下：
步骤一、首先利用Wi-Fi接收机的多天线组成阵列天线以及扩展天线获取信号，并估计出直达信号及目标反射信号的波达角及到达时间；
1a、利用多天线Wi-Fi接收机的部分接收天线组成天线间距为半波长的阵列天线，利用馈线将接收机其中一根天线延伸到另一已知空间位置组成扩展天线；
1b、对于阵列天线，第l条传播路径，l∈{GD∪GR}，GR为反射路径集合，GD为直射路径集合，第i根天线、第k个子载波接收的真实信道状态信息(Channel State Information,CSI)信号为
Figure FDA0003128564870000011
其中，αl为衰减，τl为到达时间，θl为信号波达角，fc为中心频率，fk＝fc+(k-1)Δf为第k个子载波的频率，Δf为两个子载波之间的频率间隔，λb和λo分别为由分组检测时延和采样频率偏移引起的时延，e-j2πβ为由中心频率偏移引起的相位偏移，
Figure FDA0003128564870000012
为噪声；
1c、对于扩展天线，第l条传播路径，第k个子载波接收的真实CSI信号为
Figure FDA0003128564870000013
其中，α′l为衰减，
Figure FDA0003128564870000014
为噪声；
1d、利用多重信号分类算法估计出直达信号到达阵列天线的到达时间
Figure FDA0003128564870000015
直达信号到达扩展天线的到达时间
Figure FDA0003128564870000016
及直达信号到达阵列天线的波达角
Figure FDA0003128564870000017
目标反射信号到达阵列天线的到达时间
Figure FDA0003128564870000018
目标反射信号到达阵列天线的波达角
Figure FDA0003128564870000019
步骤二、利用估计出的直达信号波达角以及到达阵列和扩展天线的时间，构建约束方程：
Figure FDA00031285648700000110
其中||·||2为二范数操作符，lT＝[xt,yt]为发射机的坐标，lA＝[xa,ya]为接收阵列的位置，lE＝[xe,ye]为扩展天线的位置，Δτ为收发两端未同步引入的时间误差，εTA和εTE为直达信号到达时间估计误差，
Figure FDA00031285648700000111
直达信号波达角估计误差，c为光速；
步骤三、基于构建的约束方程估计出信号发射端的位置：
Figure FDA0003128564870000021
其中
Figure FDA0003128564870000022
步骤四、基于估计出的发射机位置、目标反射信号的波达角以及达到接收阵列的时间，构建约束方程：
Figure FDA0003128564870000023
其中εTRA为反射信号到达时间估计误差，εθ为反射信号波达角估计误差；
步骤五、基于构建的约束方程，计算出目标位置，实现目标被动定位：
Figure FDA0003128564870000024
其中
Figure FDA0003128564870000025
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