本發(fā)明涉及無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向多重應(yīng)用的被動式定位方法，該方法無需大規(guī)模訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并且在廉價商用設(shè)備與專用設(shè)備上兼有效，普適性強，具有良好的魯棒性和定位效果。

背景技術(shù)：

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。當(dāng)今無線定位技術(shù)不但成為無線通信、傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(如sigcomm、mobicom、mobisys、nsdi、ipsn等旗艦會議都有無線定位方向穩(wěn)定的主題)，更成為texasinstruments、linear等高科技公司技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用熱點。

當(dāng)前無線定位技術(shù)最具代表性工作有mit的d.katabi，指尖戴上rfid標(biāo)簽在空中滑動就可以實現(xiàn)英文單詞輸入，實現(xiàn)了人類虛擬輸入屏幕的夢想。然而現(xiàn)有定位方法要求目標(biāo)攜帶設(shè)備主動參與到定位過程中，即主動式定位技術(shù)，難以適用目標(biāo)無法或不方便攜帶設(shè)備的行為監(jiān)測場景。

相反，被動式定位技術(shù)則不需目標(biāo)攜帶設(shè)備，同時具備數(shù)據(jù)處理方便并且對視線和監(jiān)測視角要求不高等優(yōu)點，因此是當(dāng)今行為監(jiān)測的有效解決方案之一。從國際前沿進展可以看到，以感知信號擾動為中心的被動式定位，將在未來極大的改變和影響人類生活而成為歷史上最為精彩的一刻，劉云浩等在商場實現(xiàn)無需顧客參與的消費者移動軌跡跟蹤，實現(xiàn)了“無意識協(xié)作感知”，突破了“專門人員參與”這個壁壘。同時，被動式定位也促進了新型無需視頻頭參與的人機交互方式出現(xiàn)，d.katabi利用調(diào)頻連續(xù)波分辨目標(biāo)手臂指向；q.pu等提取不同手勢引起的多普勒頻偏，實現(xiàn)9種手勢識別。但是現(xiàn)有的被動式定位方法為達到高精度，要么需要大規(guī)模訓(xùn)練學(xué)習(xí)從而導(dǎo)致勘測代價大，要么需要專用設(shè)備導(dǎo)致應(yīng)用場景受限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種無需學(xué)習(xí)、通用性好的被動式目標(biāo)定位方法，以克服現(xiàn)有被動式定位技術(shù)勘測代價大、應(yīng)用場景受限的弊端。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種面向多重應(yīng)用的被動式定位方法，包括以下步驟：

步驟一，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署一個無線信號發(fā)送設(shè)備，兩個無線信號接收設(shè)備，三個設(shè)備不共線；

步驟二，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沒有目標(biāo)時，兩個接收設(shè)備均采集1組發(fā)送設(shè)備發(fā)出的無線信號；當(dāng)待測目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后，兩個接收設(shè)備均采集r組無線信號；

步驟三，針對上述每一個接收設(shè)備在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)、沒有目標(biāo)時采集的無線信號，對每一個接收設(shè)備的陣列天線中每一個陣元采集得到的每一組無線信號均進行相位的提取，對提取的相位信息進行線性變換以獲取可用的相位特征信息；

步驟四，對于每一個接收設(shè)備在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)、沒有目標(biāo)時采集的無線信號，分別建立每一個接收設(shè)備的陣列天線上所有陣元的信號接收矩陣；

步驟五，根據(jù)步驟四得到的不同信號接收矩陣，得到待測目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后無線信號到達兩個接收設(shè)備的到達角度，以實現(xiàn)待測目標(biāo)的定位。

進一步地，所述的可用的相位特征信息是指：

記兩個接收設(shè)備分別為接收端一和接收端二，每個接收設(shè)備的陣列天線均有多個陣元，記每一個接收設(shè)備上其中一個陣元為參考陣元，其余的陣元為接收陣元；

當(dāng)監(jiān)測區(qū)域中沒有目標(biāo)時，接收端一采集無線信號記為情況一，接收端二采集無線信號記為情況二；待測目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后，接收端一采集無線信號記為情況三，接收端二采集無線信號記為情況四；分別計算在每一種情況下：

接收端一和接收端二的每個接收陣元接收到的信號的相位特征信息減去該接收端的參考陣元接收到的相位特征信息，從而獲取每個接收陣元相對于參考陣元引起的相位差。

進一步地，所述的步驟四中，信號接收矩陣的建立過程為：

接收設(shè)備的陣列天線在接收無線信號時，無線信號到達接收陣元的時間相對于到達參考陣元的時間存在延遲；令無線信號的傳播延遲在第一個接收陣元上引起的相位差為τi，則在第二個接收陣元引起的相位差為2τi，在第m-1個接收陣元引起的相位差為(m-1)τi，記監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有p個信號源，天線陣列共包含m個陣元，則所有信號源發(fā)出的信號si(n)到達不同陣元的相位差組成的向量矩陣a(τ)表示為：

上式中：

a(τi)表示第i(i＝1,2...,p)個信號源發(fā)出的信號到達m個陣元的相位差所組成的向量；

τi表示信號si(n)電波傳播延遲在第一個接收陣元引起的相位差；

j表示虛數(shù)單位，m表示陣元數(shù)目；

設(shè)不同陣元上的加性觀測噪聲為：e(n)＝[e1(n),...,em(n)]^t，其中ei(n)表示信號到達第i(i＝1,2,...m)個陣元上的加性噪聲，則所有陣元的信號接收矩陣表示為：

上式中：

s(n)＝[s1(n),...,sp(n)]^h

其中h表示轉(zhuǎn)置。

進一步地，步驟五的具體過程包括：

步驟5.1，對于所述的信號接收矩陣，計算其對應(yīng)的協(xié)方差矩陣r；對協(xié)方差矩陣r進行特征值分解，得到g個特征值和對應(yīng)的特征向量；在g個特征值中，有g(shù)-p個相等的小的特征值以及p個大的特征值；將p個大的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成信號子空間us；將相等的小的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成噪聲子空間un，這兩個子空間正交；利用兩個子空間計算譜函數(shù)，則譜函數(shù)的所有峰值對應(yīng)的角度即為無線信號達到各個陣元的角度；

步驟5.2，區(qū)分監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的靜止干擾源和除了待測目標(biāo)之外的其他移動干擾源，并消除移動干擾源和靜止干擾源；

步驟5.3，利用三角測量法確定待測目標(biāo)的位置。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)特點：

1.本發(fā)明通過獲取接收端的不同天線接收信號的穩(wěn)定相位差，結(jié)合參考陣列天線的位置來實現(xiàn)基于到達角度的目標(biāo)定位，保證了商用設(shè)備下的定位精度；

2.本發(fā)明利用靜止干擾源的角度誤差補償來緩減信號到達角度隨時間產(chǎn)生的偏移；其次利用不同種類反射信號之間的相干與非相干性，對環(huán)境中移動干擾源和靜止干擾源反射信號的到達角度進行消除，實現(xiàn)了高魯棒性和高精度的目標(biāo)反射信號到達角度估計。

3.本發(fā)明不需要大規(guī)模的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，從而解決勘測代價問題；

4.本發(fā)明在廉價商用設(shè)備與專用設(shè)備上兼可有效工作，在實際應(yīng)用中具有很好的普適性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)流程圖；

圖2為無線信號多徑傳播的模型圖；

圖3為接收設(shè)備上陣列天線接收信號的示意圖；

圖4為步驟三中所述的相位提取前后的結(jié)果圖；

圖5為消除移動干擾源和靜止干擾源結(jié)果圖，其中(a)為區(qū)分移動信源與靜止信源的示意圖；(b)為解相干前的示意圖；(c)為解相干后的示意圖；

圖6為真實實驗環(huán)境與設(shè)備布設(shè)示意圖，其中其中(a)為室內(nèi)空曠條件下的示意圖；(b)為室內(nèi)環(huán)境簡單時的示意圖；(c)為室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜時的示意圖；

圖7為圖6的三種實驗場景下定位誤差分析圖；其中(a)為圖6中(a)情況的分析圖，其中(b)為圖6中(b)情況的分析圖，其中(c)為圖6中(c)情況的分析圖；

圖8為不同接收設(shè)備數(shù)目及不同移動干擾目標(biāo)數(shù)目下定位誤差分析圖；其中(a)(b)為usrp設(shè)備的分析圖，(c)和(d)為wi-fi設(shè)備的分析圖；

圖9為到達角度的估計誤差分析圖；其中(a)為usrp設(shè)備的分析圖，(b)為wi-fi設(shè)備的分析圖；

具體實施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有被動式定位技術(shù)勘測代價大、應(yīng)用場景受限的弊端，提出一種面向多重應(yīng)用的被動式定位方法。主要思路是：利用接收端陣列天線接收信號的相位差來估計目標(biāo)反射信號的到達角度，進而結(jié)合參考陣元的位置對目標(biāo)進行定位。在商用設(shè)備的場景下，設(shè)備上采集得到的csi受隨機噪聲以及發(fā)射機與接收機之間的時鐘不同步的影響，其原始相位信息很不穩(wěn)定，本發(fā)明試圖獲取并整合可用的相位信息，計算得到穩(wěn)定的相位差，使其能夠用于可靠的信號到達角度估計。為了實現(xiàn)目標(biāo)反射信號到達角度估計，進而對目標(biāo)進行定位，本發(fā)明首先利用靜止干擾源的角度誤差補償來緩減信號到達角度隨時間產(chǎn)生的偏移；其次利用不同種類反射信號之間的相干與非相干性，對環(huán)境中移動干擾源和靜止干擾源反射信號的到達角度進行消除從而進行目標(biāo)位置計算，具體步驟介紹如下：

步驟一，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署一個無線信號發(fā)送設(shè)備，兩個無線信號接收設(shè)備，三個設(shè)備不共線；本實施例中：

在5m*5m的監(jiān)測區(qū)域中部署一個無線信號發(fā)送設(shè)備，兩個無線信號接收設(shè)備，我們分別為這兩個無線信號接收設(shè)備命名為接收端一與接收端二，使得三個設(shè)備分布在三角形的三個頂點上，其中發(fā)送設(shè)備與接收端一和接收端二之間各間隔5m，接收端一與接收端二之間間隔3m，如圖6所示。另外，每個接收端上安裝一組陣列天線，接收端一上的陣列天線稱之為陣列天線一，接收端二上的陣列天線稱之為陣列天線二，本實施例中采用的是商用的wi-fi設(shè)備，天線數(shù)目固定為三根，因此在本方案中陣元數(shù)(即陣列天線包含的天線數(shù)目)固定為3。

步驟二，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沒有目標(biāo)時，兩個接收設(shè)備同時進行數(shù)據(jù)的采集，兩個接收設(shè)備均采集1組發(fā)送設(shè)備發(fā)出的無線信號；最終陣列天線一中的每個陣元與陣列天線二中的每個陣元都得到1組信號，每一組信號包含監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有信號源的發(fā)射信號數(shù)據(jù)(信號源即為產(chǎn)生反射信號的障礙物或目標(biāo))；監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無目標(biāo)時只有障礙物存在，記接收端一采集無線信號記為情況一，接收端二采集無線信號記為情況二；

當(dāng)待測目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后(目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域的位置是不定的)，兩個接收設(shè)備均采集r組無線信號；采集持續(xù)時間不少于5s，這是由于目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后可能存在移動信源，移動信源發(fā)出的信號到達陣列天線的到達角度是會隨時間而變化的，而靜止信源發(fā)出的信號到達陣列天線的到達角度是不會隨時間而變化的，這將在步驟五中詳細(xì)描述，那么我們通過一個短時間內(nèi)的信號采集就可區(qū)別移動信源和靜止信源，進而對移動信源進行剔除。最終數(shù)據(jù)采集結(jié)束后陣列天線一中的每個陣元與陣列天線二中的每個陣元都得到r組信號，記此時接收端一采集無線信號記為情況三，接收端二采集無線信號記為情況四。

步驟三，針對上述每一個接收設(shè)備在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)、沒有目標(biāo)時采集的無線信號，即上述的情況一至情況四這四種情況下，對每一個接收設(shè)備的陣列天線中每一個陣元采集得到的每一組無線信號均進行相位的提取，對提取的相位信息進行線性變換以獲取可用的相位特征信息；具體為：

在處理過程中我們設(shè)定陣列天線一中的第一個陣元為此陣列天線中的參考陣元，其他陣元為接收陣元，同樣我們設(shè)定陣列天線二中的第一個陣元為此陣列天線中的參考陣元，其他陣元為接收陣元。按照這樣的設(shè)定，我們通過上述過程中得到的相位特征信息，用同樣的方法分別計算得到4種情況下各個接收陣元上的每一組相位信息相對于參考陣元的相位差。

對于每種情況下，數(shù)據(jù)處理的方法都是相同的，這里以其中一組信號為例，處理方法的具體實施步驟如下：

一組陣列天線包含m個陣元，m為3，若監(jiān)測區(qū)域中有p個信號源，無目標(biāo)時只有障礙物存在，相鄰兩個陣元間隔為d，d小于天線工作波長的一半，第i個信號源發(fā)出的信號為si(n)，i＝1,2,…,p；n＝1,2,…,r，在無目標(biāo)時，我們只采集了一組信號數(shù)據(jù)，此時r＝1，每一個信號中固定的包含了30個子載波，每一個子載波上都包含了信號的幅度和相位信息；在本文中首先需要對每一組中的每一個信號中的每一個子載波上的相位信息進行提取，其中第w(w＝1,2,…,30)個子載波上的觀測相位值ζw可表示為：

公式中：

ψw表示第w個子載波的真實相位值；

δ表示接收端的時鐘偏移，

α表示未知的相位偏移量，

χ表示測量噪聲。

kw表示第w個子載波的編號(在ieee802.11n中取值在-28到28之間)，

g是快速傅里葉變換采樣數(shù)(在ieee802.11a/g/n中等于64)

通過公式(1)我們可以得到每一個信號中的每一個子載波上的原始相位信息，但是利用公式(1)得到的相位信息會受到隨機噪聲的影響，為減少隨機噪聲的影響，文中在原始相位上執(zhí)行了一個線性變換，主要通過結(jié)合整個頻帶上的相位，來消除δ和α，因此定義a和b兩個變量：

由于子載波頻率是對稱的，所以則公式(3)可以變形為：

進而，從觀測相位ζj中減去線性項akj+b，并忽略掉很小的測量噪聲值，即獲得了真實相位值的線性組合：

本文將公式(5)所表示的線性組合，作為信號中的每一個子載波真實相位的特征值，從而消除了隨機的相位偏移量，圖4展示了處理前后的相位分布，可見處理后的相位分布相對穩(wěn)定集中。

獲得真實相位的特征值之后，利用公式(6)可以得到每一個信號到達陣元的真實相位的特征值，

公式(6)中，λi(n)表示第i個信號源發(fā)射出的第n個信號到達第u個陣元的真實相位的特征值；

通過公式(6)我們得到了信號真實相位的特征值，將陣列天線中的陣元1作為參考陣元，剩余的陣元為非參考陣元，信號到達其他陣元的時間相對于參考陣元存在延遲，因此信號傳播會引起相位差，令信號si(n)電波傳播延遲在第2個陣元引起的相位差為τi，則在第3個陣元引起的相位差為2τi，在第u個陣元引起的相位差為(u-1)τi，其中τi為在信號si(n)在第2個陣元上真實相位的特征值與在參考陣元上真實相位的特征值的差值，公式為：

τi＝λ2i(n)-λ1i(n)(7)

通過上述方法的描述，在四種情況下都按照同樣的方法對陣列天線各個陣元采集得到每一組信號數(shù)據(jù)進行處理，分別計算得到每一種情況下各信號達到陣列天線中各非參考陣元相對于參考陣元引起的穩(wěn)定的相位差。

步驟四，對于每一個接收設(shè)備在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)、沒有目標(biāo)時采集的無線信號，即情況一至情況四這四種情況下，分別建立每一個接收設(shè)備的陣列天線上所有陣元的信號接收矩陣；

對于前述的四種情況下，信號到達陣列天線，陣列天線中的各個陣元是同時接收數(shù)據(jù)的，因此陣列天線中的各個陣元接收信號數(shù)據(jù)的組數(shù)是相同的，那么對于每一種情況，我們利用陣列天線中陣元1(參考陣元)、陣元2(接收陣元)、陣元3(接收陣元)上在同一時間接收到的信號數(shù)據(jù)，建立信號到達陣列天線的所有陣元的信號接收矩陣。

以情況3為例，信號到達陣列天線一，陣列天線一中的各個陣元同時進行數(shù)據(jù)的采集，在數(shù)據(jù)采集完成后陣列天線一中的各個陣元分別得到了r組信號數(shù)據(jù)，此時我們利用各個陣元在同一時間接收到的信號數(shù)據(jù)，即是提取陣元1、陣元2和陣元3在同一時刻上得到的信號數(shù)據(jù)，從第一組開始到最后一組(r＝1開始到達結(jié)束)，分別建立信號到達陣列天線一所有陣元的信號接收矩陣，具體方法過程如下：

如圖2所示，信號si(n)到達各陣元的方向角相同，用θi表示。以陣元1作為參考陣元，信號到達其他接收陣元的時間相對于參考陣元存在延遲。令信號si(n)電波傳播延遲在第一個接收陣元引起的相位差為τi，則在第二個接收陣元引起的相位差為2τi，在第m-1個陣元引起的相位差為(m-1)τi。記監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有p個信號源，天線陣列包含m個陣元，則所有信號源發(fā)出的信號si(n)到達不同陣元的相位差所組成的向量矩陣可表示為：

上式中：

a(τi)表示第i(i＝1,2...,p)個信號源發(fā)出的信號到達m個陣元的相位差所組成的向量；

τi表示信號si(n)電波傳播延遲在第一個接收陣元引起的相位差；

j表示虛數(shù)單位，m表示陣元數(shù)目，e表示自然常數(shù)約為2.71878；

設(shè)不同陣元上的加性觀測噪聲為：e(n)＝[e1(n),...,em(n)]^t，其中t表示矩陣轉(zhuǎn)置，ei(n)表示信號到達第i(i＝1,2,...m)個陣元上的加性噪聲，m表示陣元總數(shù)目，則所有陣元的信號接收矩陣表示為：

上式中：

s(n)＝[s1(n),...,sp(n)]^h(10)

其中h表示轉(zhuǎn)置。

通過步驟四，我們用如上述同樣的方法，獲得了分別在情況一，情況二，情況三及情況四下的信號接收矩陣。

步驟五，根據(jù)步驟四得到的不同信號接收矩陣，得到待測目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后無線信號到達兩個接收設(shè)備的到達角度，以實現(xiàn)待測目標(biāo)的定位。

步驟5.1，對于所述的信號接收矩陣，計算其對應(yīng)的協(xié)方差矩陣r；

式中，h為轉(zhuǎn)置，r為陣列天下采集的信號數(shù)據(jù)組數(shù)。

接著，對協(xié)方差矩陣r進行特征值分解，得到g個特征值和對應(yīng)的特征向量；在g個特征值中，有g(shù)-p個相等的小的特征值以及p個大的特征值，p為檢測區(qū)域內(nèi)的信源個數(shù)。下來將p個大的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成信號子空間us；將小的特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成噪聲子空間un，這兩個子空間正交；

上式中：

us表示信號子空間；

u1,u2,…,up分別表示與信號對應(yīng)的p個特征向量；

un表示噪聲子空間；

up+1,up+2,…,ug分別表示與噪聲對應(yīng)g-p的個特征向量；

利用公式(14)計算譜函數(shù)pmusic(θ)，譜函數(shù)中會得到多個峰值，那么峰值個數(shù)就是信號源的個數(shù)，即是信號源個數(shù)p的求解，另外得到的譜函數(shù)pmusic(θ)的所有峰值對應(yīng)的角度便包括每一組信號中p個信號源發(fā)出信號到達整個陣列天線的角度估計值θ1,θ2，…,θp，又由于信號到達各陣元的方向角相同，因此這估計得到的角度值也是信號到達各個陣元的角度：

公式中，

pmusic(θ)表示譜函數(shù)，

a(θ)表示m個陣元的相位差組成的向量；

un表示噪聲子空間；

h表示轉(zhuǎn)置。

在計算譜函數(shù)的過程中，θ的范圍從0到π，且變化間隔為1度。

通過步驟5.1，我們可以得到每一種情況下，信號中的p個信號源發(fā)出的信號到達陣列天線的角度估計值。

步驟5.2.1：區(qū)分靜止干擾源與除了待測目標(biāo)之外的其他移動干擾源，并消除移動干擾源，具體為：

目標(biāo)進入監(jiān)測區(qū)域后，陣列天線一與陣列天線二同時開始數(shù)據(jù)采集，并采集一小段時間的數(shù)據(jù)，即為情況三與情況四，兩種情況下是同時進行，并且處理方式相同。

以情況三為例，如圖5(a)所示，從t_start時刻到t_end時刻，陣列天線一中的各個陣元各得到了r組信號數(shù)據(jù)，每一組信號數(shù)據(jù)包括p個信號源，按照步驟一到步驟四中的方法，我們會得到r組角度值，每一組角度值中含有p個信號源到達陣列天線的角度，其中p個信號源含有移動信源和靜止信源，在圖中移動信源從a點移動到b，在這個時間段內(nèi)，估計得到的移動信源信號到達角度是變化的，即是得到的r組角度值之中，移動信源到達陣列天線的角度是變化的，而靜止信源在這個時間段內(nèi)，是靜止的，因此在得到的r組角度值之中，靜止信源的信號到達角度不變，本發(fā)明根據(jù)信號到達陣列天線的角度是否隨時間變換，將靜止信源(待測目標(biāo)信源)和移動信源區(qū)分開，具體利用公式(15)來計算信號在不同的時刻到達陣列天線的角度，從而來估計是移動信號源還是靜止信號源：

公式中，

是反射信號到達時間；

τ為信號的相位；

f為信號的頻率；

a(θ)表示m個陣元的相位差組成的向量；

通過公式(15)我們得知，如果是移動信號源，信號的到達角度在θt_start～θt_end之間變化，如果是靜止信號源，信號的到達角度是不變的，綜上，通過排除θt_start～θt_end之間的角度，可以消除掉移動干擾源，即剩下所有靜止信源的信號到達角度，也就是說得到r組角度中，每一組角度值只剩下靜止干擾源和目標(biāo)信號到達陣列天線的角度，接下來再通過步驟5.2.2來消除靜止干擾源，剩下的角度值即為目標(biāo)信號到達陣列天線的角度。在情況四下處理的方法和上述相同，最終也只會得到目標(biāo)信號和靜止干擾源信號到達陣列天線二的角度。

步驟5.2.2：消除靜止干擾源

通過步驟5.2.1我們得到了r組角度值，其中每一組角度值只含有目標(biāo)信號和靜止干擾源信號的到達陣列天線的角度，對于靜止干擾源信號我們已經(jīng)在監(jiān)測區(qū)域中沒有目標(biāo)時，采集得到了信號數(shù)據(jù)，做為參考信號，此時監(jiān)測區(qū)域中只有靜止干擾源，通過步驟一到四的計算，我們就可以得到每一個靜止干擾源到達陣列天線的角度，那么情況三以情況一做為參考，情況四以情況二做為參考，最終將步驟5.1.1得到的r組角度值中每一組中的靜止干擾源角度值進行剔除，最終就得到r組目標(biāo)信號到達陣列天線的角度值，具體實施為:

首先將無目標(biāo)時的兩組陣列天線的接收信號矩陣經(jīng)過正交變換得到的協(xié)方差矩陣修正為toeplitz矩陣：

rx＝r+ivr^*iv(16)

上式中：

rx是toeplitz矩陣；

r是接收信號矢量經(jīng)過正交變換得到的協(xié)方差矩陣，具體為：

r^*是r的轉(zhuǎn)置矩陣；

iv是反向單位矩陣，具體為：

接著對對toeplitz矩陣rx進行奇異值分解：

[n,s,u]＝svd(rx)(18)

上式中：

n和v中分別含有rx的奇異向量；

s中含有rx的奇異值；

最后將n作為un帶入公式(15)中，估計信號的到達角度，達到的效果如圖5(b)和圖5(c)所示。進而通過將有目標(biāo)和無目標(biāo)情況下的估計結(jié)果進行對比即可剔除靜止干擾信源信號的到達角度。

步驟5.3：通過步驟5.2，在情況三和情況四下我們分別得到了r組角度值，情況三下每一組角度值中只含有目標(biāo)信號到達陣列天線一的到達角度，并且這r組角度值是相同的，情況四下每一組角度值中只含有目標(biāo)信號到達陣列天線二的到達角度，并且這r組角度值是相同的，那么我們就選取r＝1時，目標(biāo)信號分別到陣列天線一與陣列天線二的到達角度，利用三角測量法確定目標(biāo)的位置，具體實施為：

根據(jù)目標(biāo)信號到兩組陣列天線的到達角度和兩個參考陣元的位置關(guān)系來進行位置估計，目標(biāo)與兩組陣列天線同處于一個坐標(biāo)系內(nèi)，兩組陣列天線的坐標(biāo)(x1,y1)和(x2,y2)已知，兩組陣列天線對應(yīng)的目標(biāo)信號的到達角度θ1和θ2已知，則有：

則由公式(18)得到目標(biāo)在監(jiān)測區(qū)域平面內(nèi)的坐標(biāo)位置。

實驗驗證

實驗?zāi)康?/p>

(1)本發(fā)明提出的方法是否對商用wi-fi設(shè)備和專用設(shè)備下采集的電信號分析都有效？

(2)本發(fā)明提出的方法是否適用于干擾源分布密集程度不同的環(huán)境？

實驗環(huán)境

本發(fā)明選擇三種真實場景進行實驗：

(1)室外空曠環(huán)境，有少量靜止干擾物，如圖6(a)所示，收發(fā)設(shè)備的水平高度為1.1m；

(2)室內(nèi)簡單環(huán)境，有較多靜止干擾物，如圖6(b)所示，收發(fā)設(shè)備的水平高度為1.1m；

(3)室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，有大量靜止干擾物,如圖6(c)所示，收發(fā)設(shè)備的水平高度為0.75m。

實驗設(shè)備

未驗證本發(fā)明提出方法的通用性，本發(fā)明分別在商用wi-fi設(shè)備和專用的usrp實驗平臺下進行實驗。

商用設(shè)備：發(fā)射端為現(xiàn)有的wlan設(shè)備(tl-wr2041n300m三天線無線路由器)，接收端使用intel5300網(wǎng)卡(有三根接收天線，增益為3dbi)。

專用設(shè)備：發(fā)射端用北京海曼公司開發(fā)的usrp，產(chǎn)生頻率為2488mhz的無線電信號(正弦信號)，發(fā)射天線(型號wa5vjb)為850mhz至6.5ghz的對數(shù)周期定向天線，增益為5-6dbi。接收端用四天線陣列和示波器相連，接收天線工作頻率為2.4ghz全向天線，增益為3dbi。

實驗一

實驗一的目標(biāo)在于驗證本發(fā)明的有效性。將本發(fā)明中的方法分別在兩種不同實驗平臺與三種真實實驗場景環(huán)境下的定位精度與傳統(tǒng)的兩種方法rass和lcs進行對比，為方便將該方法在usrp和wi-fi平臺上實現(xiàn)記為maloc1和maloc2。

實驗一的測試結(jié)果：

如圖7所示，隨著環(huán)境的逐步復(fù)雜化，四種定位方法的精度逐步降低(中值誤差大約由0.75m到1m,再到1.5m左右變化)，并且本發(fā)明方法的精度略高于傳統(tǒng)方法的精度，逐步變化到向傳統(tǒng)方法的精度靠攏,除此之外，還可以看出本文定位模型在兩種不同實驗平臺下的定位誤差基本相近，可見本文對商用設(shè)備下的信號不穩(wěn)定相位進行處理對保證定位精度起到了關(guān)鍵性的作用,綜上充分表明了本發(fā)明中所提及方法的有效性。

實驗二

實驗二的目標(biāo)在于研究接收端個數(shù)和移動干擾目標(biāo)個數(shù)對定位精度的影響。本發(fā)明通過兩個擴展實驗對此進行分析，1)移動干擾目標(biāo)個數(shù)取默認(rèn)值1，將接收端個數(shù)從2增加到5；2)接收端個數(shù)取默認(rèn)值2，將移動干擾目標(biāo)個數(shù)從1增加到4。

實驗二的測試結(jié)果：

如圖8所示。定位精度隨著環(huán)境的復(fù)雜化逐漸降低。本發(fā)明在專用usrp下的定位精度要高于在商用wi-fi設(shè)備下的定位精度，但是相差不超過0.25m，可見本文對商用設(shè)備下的不穩(wěn)定相位進行處理有效提高了其定位性能。對比后發(fā)現(xiàn)，隨著接收端個數(shù)增加，定位精度提高，可見結(jié)合多次定位的結(jié)果可有效緩解因某次定位偏差大(比如測量盲點)導(dǎo)致整體定位精度降低的問題。而隨著環(huán)境中移動干擾目標(biāo)個數(shù)的增加，定位精度降低，此結(jié)果是由于移動干擾目標(biāo)出現(xiàn)會導(dǎo)致接收端對目標(biāo)反射信號的到達角度分辨能力減弱，最終導(dǎo)致定位精度降低。

實驗三

實驗三的目標(biāo)在于對到達角度估計誤差分析，在不同實驗平臺下，不同實驗場景環(huán)境下對得到的目標(biāo)反射信號進行對比。

實驗三的測試結(jié)果

如圖9所示。環(huán)境越復(fù)雜，到達角度與距離的估計誤差越大。其中，在專用usrp平臺下，三種場景下的到達角度估計的中值誤差分別為8°，10.05°和12.5°。在商用wi-fi平臺下，三種場景下的到達角度估計的中值誤差分別為10.4°，12.6°和13.79°。兩種平臺下的到達角度估計誤差相差甚微。由此可見，本發(fā)明對商用設(shè)備下采集的信號相位校準(zhǔn)方法有效緩解了原始相位不穩(wěn)定性帶來的影響。