一种面向多重应用的被动式定位方法技术

本发明专利技术公开了一种面向多重应用的被动式定位方法，该方法利用接收端阵列天线接收信号的相位差来估计目标反射信号的到达角度，进而结合参考阵元的位置对目标进行定位；在商用设备的场景下，设备上采集得到的CSI受随机噪声以及发射机与接收机之间的时钟不同步的影响，其原始相位信息很不稳定，本发明专利技术试图获取并整合可用的相位信息，计算得到稳定的相位差，使其能够用于可靠的信号到达角度估计；为了实现目标反射信号到达角度估计，本发明专利技术首先利用静止干扰源的角度误差补偿来缓减信号到达角度随时间产生的偏移；其次利用不同种类反射信号之间的相干与非相干性，对环境中移动干扰源和静止干扰源反射信号的到达角度进行消除从而进行目标位置计算。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多重应用的被动式定位方法
本专利技术涉及无线定位
，具体涉及一种面向多重应用的被动式定位方法，该方法无需大规模训练学习，并且在廉价商用设备与专用设备上兼有效，普适性强，具有良好的鲁棒性和定位效果。
技术介绍
无线定位技术发展到今天，已经成为沟通人与科技的桥梁，并且成为过去二十年的重要研究方向。无线定位技术的研究和普及，为智能家居、雷达定位、卫星导航、安全防盗、行为监测、商品识别等带来了无限可能，同时带来了巨大的应用需求和市场前景，并成为我们生活的重要组成部分。当今无线定位技术不但成为无线通信、传感网和物联网的研究热点(如Sigcomm、MobiCom、MobiSys、NSDI、IPSN等旗舰会议都有无线定位方向稳定的主题)，更成为TexasInstruments、linear等高科技公司技术创新和应用热点。当前无线定位技术最具代表性工作有MIT的D.Katabi，指尖戴上RFID标签在空中滑动就可以实现英文单词输入，实现了人类虚拟输入屏幕的梦想。然而现有定位方法要求目标携带设备主动参与到定位过程中，即主动式定位技术，难以适用目标无法或不方便携带设备的行为监测场景。相反，被动式定位技术则不需目标携带设备，同时具备数据处理方便并且对视线和监测视角要求不高等优点，因此是当今行为监测的有效解决方案之一。从国际前沿进展可以看到，以感知信号扰动为中心的被动式定位，将在未来极大的改变和影响人类生活而成为历史上最为精彩的一刻，刘云浩等在商场实现无需顾客参与的消费者移动轨迹跟踪，实现了“无意识协作感知”，突破了“专门人员参与”这个壁垒。同时，被动式定位也促进了新型无需视频头参与的人机交互方式出现，D.Katabi利用调频连续波分辨目标手臂指向；Q.Pu等提取不同手势引起的多普勒频偏，实现9种手势识别。但是现有的被动式定位方法为达到高精度，要么需要大规模训练学习从而导致勘测代价大，要么需要专用设备导致应用场景受限。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种无需学习、通用性好的被动式目标定位方法，以克服现有被动式定位技术勘测代价大、应用场景受限的弊端。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种面向多重应用的被动式定位方法，包括以下步骤：步骤一，在监测区域内部署一个无线信号发送设备，两个无线信号接收设备，三个设备不共线；步骤二，在监测区域内没有目标时，两个接收设备均采集1组发送设备发出的无线信号；当待测目标进入监测区域后，两个接收设备均采集r组无线信号；步骤三，针对上述每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，对每一个接收设备的阵列天线中每一个阵元采集得到的每一组无线信号均进行相位的提取，对提取的相位信息进行线性变换以获取可用的相位特征信息；步骤四，对于每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，分别建立每一个接收设备的阵列天线上所有阵元的信号接收矩阵；步骤五，根据步骤四得到的不同信号接收矩阵，得到待测目标进入监测区域后无线信号到达两个接收设备的到达角度，以实现待测目标的定位。进一步地，所述的可用的相位特征信息是指：记两个接收设备分别为接收端一和接收端二，每个接收设备的阵列天线均有多个阵元，记每一个接收设备上其中一个阵元为参考阵元，其余的阵元为接收阵元；当监测区域中没有目标时，接收端一采集无线信号记为情况一，接收端二采集无线信号记为情况二；待测目标进入监测区域后，接收端一采集无线信号记为情况三，接收端二采集无线信号记为情况四；分别计算在每一种情况下：接收端一和接收端二的每个接收阵元接收到的信号的相位特征信息减去该接收端的参考阵元接收到的相位特征信息，从而获取每个接收阵元相对于参考阵元引起的相位差。进一步地，所述的步骤四中，信号接收矩阵的建立过程为：接收设备的阵列天线在接收无线信号时，无线信号到达接收阵元的时间相对于到达参考阵元的时间存在延迟；令无线信号的传播延迟在第一个接收阵元上引起的相位差为τi，则在第二个接收阵元引起的相位差为2τi，在第m-1个接收阵元引起的相位差为(m-1)τi，记监测区域内有p个信号源，天线阵列共包含m个阵元，则所有信号源发出的信号si(n)到达不同阵元的相位差组成的向量矩阵A(τ)表示为：上式中：a(τi)表示第i(i＝1,2...,p)个信号源发出的信号到达m个阵元的相位差所组成的向量；τi表示信号si(n)电波传播延迟在第一个接收阵元引起的相位差；j表示虚数单位，m表示阵元数目；设不同阵元上的加性观测噪声为：e(n)＝[e1(n),...,em(n)]T，其中ei(n)表示信号到达第i(i＝1,2,...m)个阵元上的加性噪声，则所有阵元的信号接收矩阵表示为：上式中：s(n)＝[s1(n),...,sp(n)]H其中H表示转置。进一步地，步骤五的具体过程包括：步骤5.1，对于所述的信号接收矩阵，计算其对应的协方差矩阵R；对协方差矩阵R进行特征值分解，得到g个特征值和对应的特征向量；在g个特征值中，有g-p个相等的小的特征值以及p个大的特征值；将p个大的特征值对应的特征向量构成信号子空间Us；将相等的小的特征值对应的特征向量构成噪声子空间UN，这两个子空间正交；利用两个子空间计算谱函数，则谱函数的所有峰值对应的角度即为无线信号达到各个阵元的角度；步骤5.2，区分监测区域内的静止干扰源和除了待测目标之外的其他移动干扰源，并消除移动干扰源和静止干扰源；步骤5.3，利用三角测量法确定待测目标的位置。本专利技术与现有技术相比具有以下技术特点：1.本专利技术通过获取接收端的不同天线接收信号的稳定相位差，结合参考阵列天线的位置来实现基于到达角度的目标定位，保证了商用设备下的定位精度；2.本专利技术利用静止干扰源的角度误差补偿来缓减信号到达角度随时间产生的偏移；其次利用不同种类反射信号之间的相干与非相干性，对环境中移动干扰源和静止干扰源反射信号的到达角度进行消除，实现了高鲁棒性和高精度的目标反射信号到达角度估计。3.本专利技术不需要大规模的训练学习，从而解决勘测代价问题；4.本专利技术在廉价商用设备与专用设备上兼可有效工作，在实际应用中具有很好的普适性。附图说明图1为本专利技术方法的系统流程图；图2为无线信号多径传播的模型图；图3为接收设备上阵列天线接收信号的示意图；图4为步骤三中所述的相位提取前后的结果图；图5为消除移动干扰源和静止干扰源结果图，其中(a)为区分移动信源与静止信源的示意图；(b)为解相干前的示意图；(c)为解相干后的示意图；图6为真实实验环境与设备布设示意图，其中其中(a)为室内空旷条件下的示意图；(b)为室内环境简单时的示意图；(c)为室内环境复杂时的示意图；图7为图6的三种实验场景下定位误差分析图；其中(a)为图6中(a)情况的分析图，其中(b)为图6中(b)情况的分析图，其中(c)为图6中(c)情况的分析图；图8为不同接收设备数目及不同移动干扰目标数目下定位误差分析图；其中(a)(b)为USRP设备的分析图，(c)和(d)为WI-FI设备的分析图；图9为到达角度的估计误差分析图；其中(a)为USRP设备的分析图，(b)为WI-FI设备的分析图；具体实施方式本专利技术针对现有被动式定位技术勘测代价大、应用场景受限的弊端，提出一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多重应用的被动式定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在监测区域内部署一个无线信号发送设备，两个无线信号接收设备，三个设备不共线；步骤二，在监测区域内没有目标时，两个接收设备均采集1组发送设备发出的无线信号；当待测目标进入监测区域后，两个接收设备均采集r组无线信号；步骤三，针对上述每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，对每一个接收设备的阵列天线中每一个阵元采集得到的每一组无线信号均进行相位的提取，对提取的相位信息进行线性变换以获取可用的相位特征信息；步骤四，对于每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，分别建立每一个接收设备的阵列天线上所有阵元的信号接收矩阵；步骤五，根据步骤四得到的不同信号接收矩阵，得到待测目标进入监测区域后无线信号到达两个接收设备的到达角度，以实现待测目标的定位。

【技术特征摘要】
1.一种面向多重应用的被动式定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在监测区域内部署一个无线信号发送设备，两个无线信号接收设备，三个设备不共线；步骤二，在监测区域内没有目标时，两个接收设备均采集1组发送设备发出的无线信号；当待测目标进入监测区域后，两个接收设备均采集r组无线信号；步骤三，针对上述每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，对每一个接收设备的阵列天线中每一个阵元采集得到的每一组无线信号均进行相位的提取，对提取的相位信息进行线性变换以获取可用的相位特征信息；步骤四，对于每一个接收设备在监测区域内有目标、没有目标时采集的无线信号，分别建立每一个接收设备的阵列天线上所有阵元的信号接收矩阵；步骤五，根据步骤四得到的不同信号接收矩阵，得到待测目标进入监测区域后无线信号到达两个接收设备的到达角度，以实现待测目标的定位。2.如权利要求1所述的面向多重应用的被动式定位方法，其特征在于，所述的可用的相位特征信息是指：记两个接收设备分别为接收端一和接收端二，每个接收设备的阵列天线均有多个阵元，记每一个接收设备上其中一个阵元为参考阵元，其余的阵元为接收阵元；当监测区域中没有目标时，接收端一采集无线信号记为情况一，接收端二采集无线信号记为情况二；待测目标进入监测区域后，接收端一采集无线信号记为情况三，接收端二采集无线信号记为情况四；分别计算在每一种情况下：接收端一和接收端二的每个接收阵元接收到的信号的相位特征信息减去该接收端的参考阵元接收到的相位特征信息，从而获取每个接收阵元相对于参考阵元引起的相位差。3.如权利要求1所述的所述的面向多重应用的被动式定位方法，其特征在于，所述的步骤四中，信号接收矩阵的建立过程为：接收设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓江，陈丽丽，倪礼刚，汤战勇，牛进平，房鼎益，彭瑶，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61