基于反射信號相位差的被動式定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于反射信號相位差的被動式定位 方法，該方法不僅適用于簡單的室外環(huán)境，也適用于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。部署密度小，具有很 好的定位效果。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線定位技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為溝通人與科技的橋梁，并且成為過去二十年 的重要研究方向。無線定位技術(shù)的研究和普及，為智能家居、雷達(dá)定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、安全防 盜、行為監(jiān)測、商品識別等帶來了無限可能，同時帶來了巨大的應(yīng)用需求和市場前景，并成 為我們生活的重要組成部分。
[0003] 無線定位技術(shù)根據(jù)定位方式的不同分為兩大類，主動式定位技術(shù)和被動式定位 技術(shù)，主動式定位技術(shù)是基于目標(biāo)攜帶特殊輔助設(shè)備而實(shí)現(xiàn)定位，被動式定位則不需要 通過特殊輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位。常見的主動式定位有：GPS(Global化sitioning System,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）定位、RFID(RadioRrequen巧Identification,射頻識別）定 位等。其中GI^S定位主要應(yīng)用于室外的多種場景，公路、森林、海上等沒有遮擋GI^S信號的 戶外。常見的主動式RFID定位包括了手機(jī)與基站之間的通信定位，Wi-Fi等利用RFID發(fā) 射信號強(qiáng)度的定位等。主動式定位具有精度高、范圍廣的特點(diǎn)，但是受到被定位目標(biāo)群體的 限制，在無法攜帶輔助設(shè)備的場景下完全無法工作。常見的被動式定位有：RSS巧eceived SignalStrength,接收信號強(qiáng)度）定位、反射信號定位、雷達(dá)定位、圖像識別、壓力定位等， 其中使用最多的是RSS定位和反射信號定位。由于缺少被定位目標(biāo)的輔助，被動式定位的 精度要低于主動式定位。但是被動式定位W其與設(shè)備無關(guān)和對監(jiān)測視角要求不高等特點(diǎn)成 為一個最近發(fā)展迅速的研究熱點(diǎn)。RSS定位是通過分析人對無線電信號產(chǎn)生的影響從而實(shí) 現(xiàn)定位，RSS定位技術(shù)中主要是通過建立射頻指紋的方法，其中WRASS、RADAR、RF為主要代 表，主要原理是將目標(biāo)位置變化與其接收信號強(qiáng)度建立映射關(guān)系。但是僅通過接收信號強(qiáng) 度定位目標(biāo)時，仍然會存在不可忽視的定位誤差。為了降低環(huán)境誤差帶來的影響只能通過 在接收信號強(qiáng)度與目標(biāo)位置關(guān)系的定位算法上進(jìn)行優(yōu)化W提高定位精度。雖然優(yōu)化算法在 一定程度上提高了RSS定位的精度，但是仍然無法避免其本身易受干擾的缺點(diǎn)。通過RSS 進(jìn)行被動式定位時，為了獲得良好的定位精度，必須保證監(jiān)測區(qū)域內(nèi)發(fā)射端和接收端的高 密度部署。運(yùn)將產(chǎn)生大量的部署開銷，同時后期維護(hù)中大量的人工開銷也無法避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對主動式定位技術(shù)的應(yīng)用限制W及目前常用的被動式定位技術(shù)存在的一些缺 陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種被動式的定位方法，該方法部署密度小，并且具有很好的 定位有效性和魯棒性，能夠適用于多種定位環(huán)境。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予W解決：
[0006] 一種基于反射信號相位差的被動式定位方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)安裝USRP，wUSRP上的發(fā)射端為中屯、對稱布置兩個接收端， 每個接收端上安裝一組陣列天線；
[000引步驟2 :在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無目標(biāo)時采集信號；在設(shè)定目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域后，采集目標(biāo) 與發(fā)射端不同距離下的信號；
[0009] 步驟3 :在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無目標(biāo)情況下W及有目標(biāo)時目標(biāo)距離發(fā)射端的每種距離 下，分別建立每組陣列天線接收信號的向量模型；如果是在高信噪比環(huán)境下，執(zhí)行步驟4對 目標(biāo)定位，如果是在低信噪比環(huán)境下，執(zhí)行步驟5對目標(biāo)定位；
[0010] 步驟4 :根據(jù)步驟3得到的向量模型得到高信噪比環(huán)境下目標(biāo)反射信號的入射方 向角，根據(jù)目標(biāo)反射信號的入射方向角實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位；
[0011] 步驟5 :根據(jù)步驟3得到的向量模型得到低信噪比環(huán)境下目標(biāo)反射信號的入射方 向角，根據(jù)目標(biāo)反射信號的入射方向角實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟3中，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無目標(biāo)情況下W及有目標(biāo)時目標(biāo)距離發(fā) 射端的每種距離下，分別建立每組陣列天線接收信號的向量模型包括：
[0013] 假設(shè)一組陣列天線包含m根天線，監(jiān)測區(qū)域中有P個信號源，相鄰兩根天線間隔為 d，d小于天線工作波長A的一半；第i個信號源發(fā)出的信號為Si(n)，i= 1，2,…，p;n= 1，2,…，N;用0康示Si(n)信號到達(dá)天線的入射方向角；將1號天線作為參考天線，信號 到達(dá)不同天線的時間與參考天線存在延遲，信號到達(dá)延遲產(chǎn)生的距離差為dsin01，信號傳 播引起的相位差為信號入射方向角0 1與相位差I(lǐng)1之間的關(guān)系如公式2:
[0014]
公式 2
[001引信號Si(n)至IJ達(dá)第k根天線的信號與信號Si(n)至IJ達(dá)參考天線的信號之間的相位 差T1見公式3 :
[0016]
公式 3
[0017] 式中，k= 1，…，m;
[001引信號Si(n)到達(dá)第k根天線上的信號見公式4 :
[0019]
公式 4
[0020] 式中，j為虛數(shù)單位；i= 1，2，…，P;
[0021] 由公式4可知，信號Si(n)到達(dá)m根天線的信號的相位差組成的向量a(0)見公 式5 :
[0022]
公式 5
[0023] 式中i指信號源的編號，j為虛數(shù)單位，H表示轉(zhuǎn)置；
[0024] 在第k根天線上接收到的所有信號源發(fā)來的信號見公式6 : 陽02引
公式6
[00%] 式中，6k(n)表示第k根天線接收到信號上的加性觀測噪聲；ak(Ti)表示信號Si(n)到達(dá)第k根天線的信號的相位差；
[0027] 將m根天線上接收的信號組成mXl維觀測數(shù)據(jù)向量和mXl噪聲觀測向量，見公 式7 :
[0028]
公式7
[0029]將公式6代入到公式7,得到所有天線接收到所有信號源發(fā)來的信號，即接收信號 的向量模型，見公式8:
陽03；3]s(n) = [Si(n),. . . ,Sp(n)]H公式 10
[0034] 式中，p同樣指信號源的個數(shù)，H表示轉(zhuǎn)置；m是指一組陣列天線包含的天線數(shù)目； Si(n)是指第一個信號源發(fā)出的信號。
[0035] 進(jìn)一步的，所述步驟4包括：
[0036] 步驟41 :根據(jù)步驟3得到的向量模型，得到目標(biāo)反射信號的入射方向角；具體如 下：
[0037] (1)分別根據(jù)步驟3得到的有目標(biāo)時的每種距離下的兩組陣列天線接收信號的向 量模型求得對應(yīng)的協(xié)方差矩陣R，見公式11 : 陽03引
公式11
[0039] 式中，H為轉(zhuǎn)置，N為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無目標(biāo)時或者有目標(biāo)時目標(biāo)與發(fā)射端在不同距離 下采集的信號組數(shù)；
[0040] (2)對每種距離下每一組陣列天線接收信號的向量模型分別求得的協(xié)方差矩陣 R，再根據(jù)協(xié)方差矩陣R得到每種距離下目標(biāo)反射信號分別到每組陣列天線的入射方向角：
[0041] 步驟42 :根據(jù)目標(biāo)反射信號分別到兩組陣列天線的入射方向角，利用=角測量法 確定目標(biāo)的位置；
[0042]目標(biāo)與兩組陣列天線同處于一個坐標(biāo)系內(nèi)，兩組陣列參考天線的坐標(biāo)（XI，yi)和 (X2，y2)已知，兩組陣列天線對應(yīng)的目標(biāo)反射信號的入射方向角目1和02已知，利用公式15 得到目標(biāo)在平面內(nèi)的坐標(biāo)位置；
[0043]
公式15
[0044] 綜上，得到在每種距離下目標(biāo)在平面內(nèi)的坐標(biāo)位置。
[0045] 進(jìn)一步的，所述步驟41的（2)中，根據(jù)協(xié)方差矩陣R得到每種距離下目標(biāo)反射信 號分別到每組陣列天線的入射方向角包括：
[0046]A、對協(xié)方差矩陣R進(jìn)行特征值分解，得到m個特征值和對應(yīng)的特征向量；在m個特 征值中，有m-p個相等的小的特征值W及P個大的特征值，P為檢測區(qū)域內(nèi)信號源的個數(shù)；
[0047] B、將P個大的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成如公式12所示的信號子空間也將多重 個相等的小的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成如公式13所示的噪聲子空間U。，運(yùn)兩個子空間正 交；
[0048]Us=[U1,咕…，Up] 公式 12 W例其中，叫，U2,...，Up分別表示與信號對應(yīng)的P個特征向量（即指P個大的特征值對 應(yīng)的特征向量）； 陽050] Un= [Up",Up。，…，。 公式 13 陽0