一种直达波空中传播时延的估计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。完成测距和定位的需求。完成测距和定位的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种直达波空中传播时延的估计方法


[0001]本专利技术属于无线电定位
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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 Area Network，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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：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，本专利技术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。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种直达波空中传播时延的估计方法，包括以下步骤：
[0008]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反射波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延
[0009]反射波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为直达波的离开方位角、离开俯仰角和离开总时延表示为
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]l
sc
＝|r
r
‑
r
sc
|+|r
sc
‑
r
p
|
[0016]其中，l
sc
表示反射波的传播距离，r
r
表示接收端的坐标，r
sc
表示估计的反射波的反射点坐标，r
p
表示假设点坐标，|
·
|表示取模值。
[0017]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。
[0018]反射波到达接收端时的路径传播时延为：
[0019]τ
p,1
＝τ
r,1
‑
τ
r,0
+τ
p,0
[0020]其中，τ
p,1
表示反射波到达接收端时的路径传播时延，τ
r,1
表示测得反射波的总时延，τ
r,0
表示测得直达波的总时延，τ
p,0
表示发射端假设点P到接收端的直达路径传播时延。
[0021]反射波到达接收端时的路径传播距离为l
′
sc
＝cτ
p,1
，c为电磁波在空间中的传播速度。
[0022]选取合适的P点位置获得最小的代价函数：
[0023]f(r
p
)＝|l
sc
‑
l
′
sc
|
[0024]其中，f(r
p
)表示代价函数，l
sc
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。
[0025]直达波的传播时延估计值为：
[0026][0027]其中，表示直达波的传播时延的估计值，r
p
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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]优选的：步骤2中反射波的到达角与反射波的离开角关系：
[0031]或
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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分别反射波的到达方位角、到达俯仰角和到达总时延步骤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；l
sc
＝|r
r
‑
r
sc
|+|r
sc
‑
r
p
|其中，l
sc
表示反射波的传播距离，r
r
表示接收端的坐标，r
sc
表示估计的反射波的反射点坐标，r
p
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：τ
p,1
＝τ
r,1
‑
τ
r,0
+τ
p,0
其中，τ
p,1
表示反射波到达接收端时的路径传播时延，τ
r,1
表示测得反射波的总时延，τ
r,0
表示测得直达波的总时延，τ
p,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
＝cτ

【专利技术属性】
技术研发人员：王海明，杨本圣，吴文昊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：