专利名称：通过tdoa和fdoa多信道估计来定位具有或不具有aoa的源的多路径的方法
技术领域：
本发明涉及用于在有多路径时在二维或三维中定位发射器的方法，该多个路径来自直接路径以及来自位置已知的障碍物的一个或多个反射路径。所述路径被单个多信道接收系统接收，该系统的位置同样是已知的。根据本发明的方法基于信号处理方法。
背景技术：
图1显示了一示例性定位系统，其包括处于已知位置A的多传感器接收站，该接收站接收直接路径和反射自处于已知位置B的障碍物的路径。这两个接收的路径由位置待定位的源E发射。位置A的接收站接收来自发射源E的入射角为Q1的直接路径，以及反射自位于B的障碍物的入射角为92的路径。定位发射器一方面需要估计直接路径和反射路径之间的到达时间的差τ 2-τ工，另一方面需要估计直接路径的入射角θ1()这两个问题一方面涉及到达时间差(更公知为用语“到达时间差(TDOA, Time Difference Of Arrival)”) 估计领域，另一方面涉及角度测定(goniometry)领域或到达角度估计(已知表示为到达角度(AOA, Angle of Arrival))领域。此后在下文中，我们将称为TDOA和AOA估计。发射器、反射器和接收器可以是固定的或移动的，还需要估计路径的到达频率的差或到达频率差(FDOA，Frequency Difference Of Arrival)。图2显示了有反射路径时， 对在E的发射器的A0A/TD0A/FD0A定位首先包括估计直接路径和反射路径之间的到达时间差Δ τ 12从而形成双曲线(hyperbola)，然后估计直接路径的方向Q1从而形成一直线。那么发射器位于方向为Q1的直线和与△ τ 12关联的双曲线的交点。在有多个反射路径时， 发射器位于多个双曲线和该直线的交点处，因此致使AOA估计是可选的。已知接收站实现为由多个传感器组成，本发明还涉及天线处理领域。在电磁背景中，传感器为根据极化来传播的天线和无线电源。在声学背景中，传感器为麦克风，源是可听到的。更具体地，本发明涉及角度测定或AOA估计领域，其包括估计源的到达角度，源涉及来自发射器的直接路径或反射自障碍物的路径。阵列的基本传感器接收多个源，所述源的相位和振幅尤其取决于它们的入射角和传感器的位置。图3表示具有相应坐标Ocn，yn) 的传感器的一特定阵列。入射角以方位角(azimuth) θω和仰角(elevation) Am*参数来表示。天线处理技术的主要目标是利用在天线阵列上接收的信号的空间分集。通过TDOA技术进行被动定位的领域非常广泛；特别引用了由参考文献[1]提出的方法。该方法提出了基于来自多个单信道站的信号来进行测量。那么可以在至少三个单轨 (single-track)接收器的辅助下，通过双曲线的交点在二维中定位感兴趣的源。该技术必须解非线性方程式系统，以及采取线性最小平方(linearized least squares)方法，其需要初始化到靠近发射器的真实位置，从而不会发散。另外，需要所有的接收器时间同步并且利用数据融合中心。最后，该技术在多路径情形和有干扰时不是非常具有鲁棒性。文献[2] 和文献[3]提出了 TDOA技术，其能够基于多个源的周期特性的先验知识来分离该多个源。已经研发出了基于TD0A/FD0A测量的定位技术，特别参见文献W]，其中发射器和
4/或接收器是移动的。该方法能够减少接收器的使用数量，但是仍然需要同步。在多信道接收站的辅助下，在有多路径时的AOA估计和定位的领域是非常广泛的，特别参见文献[5]。A0A/TD0A联合估计(joint estimation)生成了大量的参考文献，例如引用的参见文献W]。在与只有TDOA估计的方法的不同之处中，在此执行的处理操作是由多信道接收站完成的。但是·目标是针对从单个发射器E1到在A1的多信道接收站的具有多路径的信道进行参数分析。那么联合估计的参数为到达角度θ⑴和由于在民和~的反射器造成的该同一发射器的路径之间的时间间隙Tllj-Tllj,。 通常基于获知的导航信号(pilot signal)的知识来设想参数(θ nj， τ η厂Tllj,)的联合估计。因此，在文献W]中，作者提出了一种方法，用于估计在天线阵列上接收到的源的相关多路径的到达角度和延迟。通过时-空矩阵(spatio-temporal matrix)来对该问题进行建模，由寻求的角度和延迟对所述时-空矩阵进行参数化。首先对传播信道进行盲估计或者在参考序列的辅助下进行估计，然后对参数进行估计。然而，该技术具有对发射信号进行假定的缺点；因此假定信号是数字的而且被已知波形调制。另外，其采用的是不执行源定位的信道估计方法。本发明的最接近现有技术涉及单站定位(SSL，single-station location)技术， 该技术用在高频(HF，High Frequency)传输的框架内。HF SSL的领域非常广泛，例如参见文献[7]。在单个多信道接收站的辅助下进行定位。接收反射自电离层的路径，结合电离层模型的知识(层的高度)，能够计算发射器的位置。在某些方法中，估计从电离层的各层反射的多个路径之间的传播延迟，因此满足对电离层的模型的更完整的知识的需要以执行定位。然而，这些方法假定从层的反射发生在发射器/接收器距离的中间。另外，这些方法的缺点是它们假定了电离层的先验(priori)知识。

发明内容
本发明目的在于通过引入在单个多信道接收系统的辅助下来定位源的解决方案， 来削弱现有技术的限制，本发明的优点是消除了当使用多个接收器时的同步问题。另外，根据本发明实现的方法是利用了反射自位置已知的障碍物的多路径，所述障碍物是可控的并且位于地球上，本发明不需要任何关于接收系统接收的信号的特性的特定知识。最后，本发明还能够处理有循环平稳信号时的定位情况。为此，本发明的一个目标是提供一种定位方法，用于定位发射器E，该发射器朝着包括1)个射频信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P ^ 1)个反射器Bi反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤>步骤1 针对每个反射路径，对到达时间差或TDOA τ 以及到达频率差或FDOA fi进行多信道联合估计/检测的步骤，该步骤1至少包括如下子步骤〇步骤1. 1 基于时间参数τ和频率参数f对接收器A接收的信号的自相关矩阵 Rxx(T，f)进行估计，
〇步骤1. 2 构造归一化标准^r (tj) = 1-det(^ ^ Mgx (0, Of1 K (τ,Ι)Κ Rxr Jf)其中，det是矩阵的行列式，In是具有N行和N列的单位矩阵，是自相关矩阵Rxx(Lf)在点τ和f的估计值，〇步骤1. 3 计算检测阈值5) = ^1^^1，其中 K = BnoiseT, α (pfa, 2Ν2)由
概率Pfa和等于2N2的自由度的chi-2定律表确定，〇步骤1. 4 确定P个TD0A/FD0A对(τ ^ ，其满足如下条件Λαχχ(τι,/,)>η{Τ,Β)是标准的局部最大值，>步骤2 通过角度测定方法对发射信号的直接路径的方向θ工进行角估计的步骤，>步骤3 至少基于(τ pf》对，或者至少基于(τ ^fi)对和方向θ i，在平面中将发射器E的位置(X，y)进行定位的步骤，所述步骤3至少包括如下子步骤〇步骤3. 1 绘制每个反射路径，基于估计的P个TD0A/FD0A对(τ ^ f)的知识， 绘制P个双曲线分支，〇步骤3. 2 绘制穿过接收器A并且具有入射角θ工的直线，〇步骤3. 3 通过至少两个曲线的交点确定发射器E的坐标(X，y)，所述至少两个曲线来自在步骤3. 1中确定的双曲线的一个或多个分支和步骤3. 2中确定的直线。根据一个实施例，将步骤2的角度测定方法应用到与反射自反射器Bi的路径有关的P个矩阵Rxx( τ i，fi)中的一个，角θ i为直线(ABi)和(AE)形成的角度。根据一个实施例，步骤2的角度测定方法实现了对P个矩阵Rxx ( τ ρ 的联合对角化，角Q1为直线(AE)和参考直线之间形成的角度。根据一个实施例，步骤2的角度测定方法为MUSIC类型的方法。根据一个实施例，所述定位方法包括估计发射器E的高度坐标ζ的附加步骤，所述高度ζ确定为至少是步骤2的角度测定方法所提供的发射器E的仰角△工的估计值的函数。根据一个实施例，反射路径P的数量大于或等于3，执行估计发射器E的高度坐标 ζ的附加步骤，至少通过P个双曲面的交点来确定所述高度z，所述P个双曲面基于在步骤 3. 1中获得的双曲线的P个分支而确定。根据一个实施例，发射器发射的信号为循环平稳信号，所述方法的步骤1附加地包括如下步骤>步骤1. 5 基于τ = 0时的标准,/)的截止来构造滤波模板g (f)，>步骤1. 6 通过在标准的每个检测点(τ，f)，比较,/)的值与在以τ为中心的所述模板g(f)，以及通过删除标准Kh/')的值小于g(f)的任何检测值(τ，Γ )，来删除该标准的旁瓣。本发明的主题还包括一种定位系统，其包括至少一个发射器Ε，一个或多个反射器 Bi,以及接收站Α，所述站包括适用于接收发射的信号的多个传感器，以及处理单元，该处理单元包括用于执行如前所述的方法中的步骤。


通过阅读参照结合下述附图的全部非限制性描述给出的示例性实施例的说明书， 根据本发明的方法和装置的其他特性和优点将更加明显，其中>图1为定位系统，其包括在A的接收系统，在E的发射源和在B的反射障碍物，>图2显示了通过双曲线和直线的交点来定位在E的源的技术，>图3为位置为Um，ym)的传感器的阵列的示例，>图4为具有有限时间支持(bounded temporal support)的自相关函数的实例，>图5为有平稳信号的直接路径和反射路径时的示例性TD0A/FD0A标准，该平稳信号的自相关函数具有有限时间支持，>图6显示了根据本发明的通过自相关来进行多信道TD0A/FD0A估计的方法，>图7为通过TDOA估计技术来定位在E的发射器的原理图，>图8显示了通过两个双曲线和一直线的交点来定位在E的源的技术，>图9为在有信号的直接路径和两个反射路径时的示例性TD0A/FD0A标准，该信号的自相关函数具有有限时间支持，>图10为有循环平稳信号的直接路径和两个反射路径时的示例性TD0A/FD0A标准，该信号的自相关函数具有有限时间支持，>图11为用于删除循环平稳信号中的二次(secondary)检测的示例性的模板。
具体实施例方式建模根据本发明的方法涉及，在包括N个基本传感器的阵列的辅助下，在有直接路径和P> 1个时间去相关路径时来定位源。所述路径来自位置已知的P个障碍物的反射。图 1显示了包括N = 6个传感器的阵列的情况，所述传感器接收来自源的直接路径和反射路径。在该情况中P = 1。在源具有P-I个反射路径时，传感器阵列接收的信号的表达式可以写作 X1CO
权利要求
1.一种定位方法，用于定位发射器E，该发射器朝着包括1)个射频信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P ^ 1) 个反射器Bi反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤>步骤1:对每个反射路径的到达时间差或TDOA τ i，以及到达频率差或FDOA fi执行多信道联合估计/检测的步骤，该步骤1至少包括如下子步骤〇步骤1.1:基于时间参数τ和频率参数f，对接收器A接收的信号的自相关矩阵 Rxx(T，f)进行估计，〇步骤1. 2 构造归一化标准
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，将步骤2的角度测定方法应用到与从反射器A反射的路径有关的P个矩阵Rxx(τ”。中的一个，角Q1为直线(ABi)和(AE) 形成的角度。
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤2的角度测定方法实现了对P个矩阵Rxx( ^ i，fi)的联合对角化，角θ工为直线(AE)和参考直线形成的角度。
4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤2的角度测定方法为MUSIC类型的方法。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的定位方法，其特征在于，执行估计发射器E的高度坐标ζ的附加步骤，所述高度ζ至少根据步骤2的角度测定方法所提供的发射器E的仰角~的估计值来确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的定位方法，其特征在于，反射路径P的数量大于或等于3，以及其特征在于，执行估计发射器E的高度坐标ζ的附加步骤，至少通过P个双曲面的交点来确定所述高度z，所述P个双曲面基于在步骤3. 1中获得的双曲线的P个分支而确定。
7.根据上述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，发射器发射的信号为循环平稳信号，以及其特征在于，所述方法的步骤1附加地包括如下步骤>步骤1.5:基于τ = 0时的标准的截止来构造滤波模板g(f)， >步骤1. 6 通过在标准的每个检测点(τ，f)，比较^r ,/)的值与中心为τ的所述模板g(f)，以及通过删除标准己(r,/’)的值小于g(f)的任何检测值(τ，f ‘)，来删除该标准的旁瓣。
8.—种定位系统，包括至少一个发射器E，一个或多个反射器Bi,以及接收站A，所述站包括适用于接收发射的信号的多个传感器，以及处理单元，该处理单元包括用于执行权利要求1至7中所述的方法中的步骤的装置。
全文摘要
本发明涉及用于定位发射器E的方法和系统，该发射器朝着包括N(N≥1)个信道的接收器A发射信号，所述信号的特性对于所述接收器是未知的，所述信号被位置已知的P(P≥1)个反射器Bi反射，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤步骤1对每个反射路径的到达时间差或TDOA τi，以及到达频率差或FDOA fi进行多信道联合估计/检测的步骤；步骤2利用角度测定方法对发射信号的直接路径的方向θ1进行角估计的步骤；步骤3至少基于(τi，fi)对在平面中将发射器E的位置(x，y)进行定位的步骤。
文档编号G01S3/74GK102308228SQ200980156129
公开日2012年1月4日 申请日期2009年12月11日 优先权日2008年12月23日
发明者A·费雷奥尔, C·耶蒙德 申请人:泰勒斯公司