本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种采用观测站天线阵列接收目标辐射源信号直达波和散射体反射波，利用观测站天线阵列测量的目标直达波的方位角、散射体反射波的方位角以及目标辐射源信号直达波和散射体反射波之间的到达时差tdoa，对目标进行定位的方法。
背景技术：
无线电波传播的主要方式是空间波，即直射波、反射波、折射波、绕射波以及它们的合成波。多径环境对较低离地高度天线影响较大，其路径损耗系数大于2，当天线离地高度增加时，其路径损耗系数则趋向于自由空间的损耗系数值2；也就是说，天线离地高度越低，对路径损耗的影响就越大。此外，相对垂直极化，水平极化的路径损耗系数曲线具有更多纹波。在复杂的电磁环境下，由于电磁散射效应，周边的一些非目标散射体会产生大量的多径分量。在此种情况下，目标体回波信号与背景环境多径散射信号往往会混杂在一起，一同进入天线，引起目标体回波信号的幅度衰落与相位改变，从而导致定位与距离测量误差。当无线电波遇到物体时，产生反射、折射和散射，而在电波传播的过程中会遇到不同的物体，因而会产生不同的发射、折射和散射，所以在任何一个接受点上均可能收到来自不同路径的同源电磁波，这就是多径传播。多径传播效应是由于大型建筑物或山脉反射信号所引起的。接收天线将会收到直达信号和经反射而有延迟的信号。多径效应会产生失真，在收看电视节目时，多径传播效应便会让图像出现“重影”。接收端接收到的信号是直达波和多个反射波的合成。造成多径传播的原因很多，而起主要作用的是信号源与基站周围存在的散射体对无线电波的反射与折射。由于大气折射是随时间变化的，传播路径差也会随时间和地形地物而变化。多径信号如果同相，则相加；如果反相，则抵消。由此造成接收端信号的幅度变化，称为衰落。由于这种衰落是由多径引起的，因此称之为多径衰落。扩频测距系统中，来自信号源的信号在其发射和传播过程中由于受到环境因素的影响而导致接收信号中带入周围环境造成的反射或者绕射信号，这种信号畸变使接收信号的极化方式、相位、多普特频移发生变化，从而产生定位偏差甚至信号失锁，构成多径效应。多径效应属于偶然误差范畴，具有较强的地域性和时变性。由于信号源与接收天线的相对位置时刻在变化，信号的入射角度也相应发生变化，因而多径效应也是时变的。扩频测距系统一般采用卫星做信号源，若接收机位置是固定的，卫星空间结构相对于观测点是依卫星的运行周期而重复的，因此产生多路径的场景也是重复的。这直接导致多路径效应具有重复性。多径信号并不能归结为一个确定的周期性信号，也不可能用某一模型来准确预测，因此它应该属于随机信号。由于环境复杂多变，信号传播过程中会有各种各样的绕射、散射、反射，入射电波从不同方向传播到达，由于信号传播会遇到不同的路径，各个路径的传播距离也不同，因而各路径到达接收机的时间不同，不同时延的多径信号在接收端经过叠加，有时多径信号同相叠加会增强，有时多径信号反向叠加会减弱，因此，接收到的多径信号的幅度将会发生变化，产生了信号的衰落，这种衰落是因为多径效应引起的，所以称为多径衰落。在一些存在复杂多径的环境下，对于直达路径的检测也不是很容易的。这是因为在复杂多径的环境下，存在目标体散射多径以及大量的非目标体散射多径，此时直达路径如果存在的话，很有可能不是最强路径，这加大了检测的难度；另一个原因是如果存在多径之间彼此不能分辨的情况，接收脉冲之间就可能存在干扰，因此，直达路径就有可能和其它路径产生重合。
近年来，由于标签成本的大幅度降低，射频识别rfid应用显著增加。通常，射频识别rfid系统可以分为有源和无源两种，由于成本的关系，无源射频识别rfid系统更广泛地应用于现实生活当中。无源rfid系统是基于负载调制或反向散射调制(backscattering)原理来工作的。rfid发射信号在到达接收端之前不是单一的散射机制，而是需要经过多次反射、折射、衍射和散射。在影响rfid系统有效识别范围预测众多因素中，多径传播为决定性因素。由于来自物体的多重反射信号和其他拓扑特征的变化，接收功率强度随时间和空间发生变化。接收信号强度的变化量取决于非视距(nlos)的程度。采用脉冲到达方向doa定位的主要误差来源于城市的多径传播。目标体相对于参考节点的角度就是信号到达角度，通常利用天线阵列来测量一个信号的aoa，它是通过测量到来信号到达每个天线单元时间上的差异来计算的。aoa方法的缺点是它容易受到多径和nlos影响，而且算法一般比较复杂。在实际应用过程中，目标与单站之间由于散射体的阻挡，直接视距los条件往往难以满足，目标发送的信号往往通过多个路径到达单站，由此形成非视距传播。信号的非视距传播导致定位错误的一个重要因素是移动台和基站之间信号的nlos传播现象。los传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件，但是多个基站之间实现直接视距los传播通常是很困难的，更多的情况是通过反射和折射的方式进行传播的，从而影响了接收电波的rssi、信号的到达角度aoa以及信号到达时间toa。在这样环境下，即使是没有多径效应且时钟的定时精度比较高，nlos传播也会引的影响是提高无线定位精度的关键所在。由于对nlos传播模型及其所带来的误差的概率统计特性仍然缺乏足够的认识，因此至今还没有一个完全有效的方法来解决这一个问题。为了在多径环境下精确的提取出到达时间差tdoa时延差信息，很多学者做了大量的研究。p.c.chen提出的残差加权算法，该方法判别到达时延差中是否存在非视距误差是通过相对于参考位置的残差来判别的，这种方法是通过对冗余定位结果进行加权或取舍处理来减小非视距(nlos)的影响，但是需要有较多的已知位置的锚节点参与定位；wylie提出的方法根据多径环境中不同nlos误差的性质，对测量的到达时间差tdoa时延差数据进行处理，实现近似的视距，line再利用重构后的到达时间差tdoa测量值的数据信息进行定位处理，但这种方法需要知道关于视距环境的先验参数，因为随着tdoa时延差测量值及多径环境的变化，时延误差的偏移量也随之改变。因此在动态变化的多径环境中，该方法的参数估计很难实现，于是测量的toa就会与真实的toa有所偏移。单天线测距系使用同一副天线发送探测信号并接收目标回波信号，但信号在历经滤波器、功率放大器、低噪声放大器以及天线等器件时会产生难以精确估计的信号传输时延，此种情况下，因器件传输延迟造成的系统测量误差是无法避免的。此外，影响时域测量精度的因素还有时钟偏移，噪声等，在实际的测距应用中，多数系统采用收/发天线共用，即使用同一副天线发送探测信号并接收目标回波信号。尽管这种系统在系统结构上可以得到简化，但信号在历经滤波器、功率放大器、低噪声放大器、以及天线等器件时会产生一定的传输时延，而且这种时延难以精确估计。因此，采用收/发共用单天线系统，因器件传输延迟造成的系统测距误差是无法避免的。
在现有技术中，采用雷达或激光等设备对目标进行定位属于有源定位，也就是采用主动有源的装置来测量估计出目标的位置。这带来的一个重大威胁就是可能会遭到电子干扰或反辐射打击，危及系统的安全。对于目标的定位还可以采用无源定位技术，观测站本身并不主动发射电磁波，而是利用目标辐射或散射的无线电信号来实现对目标的定位。其基本任务就是通过利用位置已知的观测站接收来自目标辐射源或散射源的信号，提取出可用于目标定位的观测量，实现对目标位置参数的估计或解算。无源定位速度相当于有源定位要慢很多，冷启动可长达数分钟。无源定位技术是利用技术手段对目标的信号进行测量，根据测量结果来估计待定位目标的空间坐标的技术集合。从观测站数量上划分，无源定位技术分为单站定位技术和多站定位技术，单站定位技术具有设备量小、成本低的优点，但由于单观测站获得的信息量少于多个观测站，因此，单站定位技术的实现难度较大；同时在复杂的传播环境下，目标和观测站之间非视距(nlos)传播普遍存在，单站定位技术中利用散射体信息在给系统增加信息量的同时，也使得nlos传播对定位精度的影响更加严重。单站无源定位，也可以和其他方式联合定位。基于到达角的定位是利用智能天线确定电波的来波方向doa，一旦确定了来波方向doa可以利用双站交叉定位或单站混合定位确定移动站的位置。但随着tdoa时延差测量值及多径环境的变化，时延误差的偏移量也随之改变。因此在动态变化的多径环境中，参数估计很难实现。
外辐射源雷达是一种特殊的双(多)基地雷达，该雷达系统利用普通的调频广播、电视信号、卫星信号、手机基站信号等民用机会照射源，利用空中目标的外辐射源反射回波进行相关的信号处理，可提取出目标的时延、多普勒和到达方向等参数，并以此来对目标进行跟踪、识别和定位，选择影响着这种基于外辐射源雷达的目标探测性能。从强直达波、多径、同频干扰等干扰中分离并提取目标信息，是基于调频广播雷达系统信号处理的关键部分。基于外辐射源的无源雷达是一种特殊的双(多)基地雷达，其本身不发射电磁波信号，而仅仅通过检测外辐射对目标的反射信号来检测目标。无源雷达系统由于接收信号和接收环境的特殊性，接收信号中除了还有微弱的目标回波之外，往往还含有直达波、多径和干扰等杂波，接收信号建模的精确与否，影响了后续信号处理以及目标的参数提取。为了抑制直达波和多径等杂波，接收站一般分为主通道和参考通道两路同时接收，其中主通道为一阵列天线，接收包含杂波在内的目标回波。由于目标回波很微弱，邻台直达波然后会把目标回波给淹没，进而无法准确的进行目标检因此，需要采取一定的采取措施抑制同频干扰。外辐射源的波形及其模糊函数的特性决定了距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平以及多普勒分辨率。几何布站和机会照射源的波形及模糊函数等特征是设计基于外辐射源雷达系统的关键因素，雷达的波形及其模糊函数的性质决定了雷达的距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平以及多普勒分辨率等系统指标，由于直达波信号会高出目标回波功率80db甚至100db以上，仅利用天线波束指向和增加相关时间获得的处理增益无法满足探测目标的指标要求，目标回波与参考信号的时频二维相关峰被强直达波和多径等杂波信号的旁瓣所淹没，无法提取目标回波的参数。目标的跟踪和识别仅利用单一外辐射源、单站实现目标的定位精度不高，目前对无源定位技术的研究主要侧重于多站定位技术，而在现有的单站定位技术研究成果中，针对nlos误差抑制的研究成果较少。这是由于在单站定位技术中，要获得定位所需的足够的信息量，往往使用机动观测站，机动观测站在机动测量的过程中，虽然能给系统带来更多信息，但观测站的机动会让nlos传播环境更加复杂，加大了消除nlos误差的难度。但nlos误差抑制是提高定位精度的关键所在，基于以上背景，在单观测站获取信息量有限的条件下克服nlos误差将更具挑战性和新颖性。
技术实现要素：
本发明的目的是针对雷达系统中存在的直达波和多径干扰、同频干扰分离等问题和上述现有技术存在的问题，提供一种定位快速，减小定位误差的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案实现。一种多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，具有如下技术特征：在目标位置未知的情况下，根据截获目标信号，估计目标辐射源直达波与非直达波之间的时差和观测站天线阵列测量目标直达波的方位角θ0、散射体反射波的非直达波方位角θn，计算出散射体与观测站之间的距离和目标与观测站之间的距离，估计目标位置，利用测量的观测站位置坐标和散射体位置坐标，以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波来波方位和目标辐射源信号直达波和非直达波之间的到达时差tdoa、散射体与观测站之间的距离，确定目标辐射源与观测站之间的距离和目标位置的闭式解，然后将求取的tdoa时延差转化为求解接收信号中的基准点，获得tdoa时延差的值，得到tdoa时延差后，利用定位算法估计出待定位节点的位置坐标。
与现有技术相比，本发明方案的有益效果是：
定位快速。本发明利用环境中目标辐射源发射电磁波信号通过直达径和与散射体反射的非直达径传输到观测站，观测站天线阵列接收目标辐射源信号直达波和散射体反射波，即可在目标位置未知的情况下利用测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波来波方位、目标辐射源信号直达波和非直达波之间的到达时差tdoa确定目标位置的闭式解，对改进和提高入侵目标体的测距精度效果显著。因此具有快速定位的优点。利用视距(los)和非视距(nlos)的条件概率作为交互模式的前提，能很好的抑制了非视距误差，提高定位精度。
定位误差小。本发明利用观测站天线阵列测量目标直达波和散射体反射波的来波方向doa，再测量目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差，利用观测站天线阵列测量的目标直达波的方位角、散射体反射波的方位角以及目标辐射源信号直达波和散射体反射波之间的到达时差，对目标进行定位最后对目标进行定位，只需要一个具有天线阵列的观测站、1个以上的散射体即可在目标位置未知的情况下实现利用测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa确定目标的位置的目的。提高散射体位置以及散射距离的估计精度，能够有效消除背景环境多径，减小定位误差。
本发明将求取的tdoa时延差转化为求解接收信号中的基准点，此方法能精确的获得tdoa时延差的值，而且能提高时延估计的分辨率，得到tdoa时延差后，利用定位算法估计出待定位节点的位置坐标。在多径环境比较弱的情况下，定位误差为0.14m左右；在多径环境比较强的情况下，定位误差为1.6m左右。
附图说明
图1是本发明多径传播条件下散射体位置已知的定位流程图。
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
整体实施流程参阅图1。根据本发明，在直达径和与散射体反射的非直达径环境中，观测站天线阵列接收目标辐射源信号直达波和散射体反射波，将目标辐射源发射电磁波信号传输到观测站，测量观测位置坐标和散射体位置坐标，确定散射体与观测站之间的距离，利用观测站天线阵列测量目标直达波和散射体反射波的来波方向doa，测量目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn；以天线阵列的观测站固定不动位置为坐标原点构建直角坐标系，将测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标、观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa和目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn写入内存；在目标位置未知的情况下，根据截获目标信号，估计目标辐射源直达波与非直达波之间的时差τn和观测站天线阵列测量目标直达波的方位角θ0、散射体反射波的非直达波方位角θn，计算出散射体与观测站之间的距离和目标与观测站之间的距离，估计目标位置，利用测量的观测站位置坐标和散射体位置坐标，以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波来波方位和目标辐射源信号直达波和非直达波之间的到达时差tdoa、散射体与观测站之间的距离，确定目标辐射源与观测站之间的距离和目标位置的闭式解，然后将求取的tdoa时延差转化为求解接收信号中的基准点，获得tdoa时延差的值，得到tdoa时延差后，利用定位算法估计出待定位节点的位置坐标。
散射体与观测站之间的距离由测量的观测位置坐标、散射体位置坐标确定；目标辐射源与观测站之间的距离，由观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa，和目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差，以及散射体与观测站之间的距离确定。且其与观测站之间的距离为rn＝||sn-q||，其中，s为散射体，n＝1,2,...,ns，ns表示散射体个数，q为观察位置坐标。
目标辐射源的位置由测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn、目标辐射源与观测站之间的距离确定。
写入主机内存数据包括：测量的观测站位置坐标q＝(x0,y0)、散射体位置坐标
观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn和散射体与观测站之间的距离确定目标辐射源与观测站之间的距离：
式中，c表示电磁波传输速度。
目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn、目标辐射源与观测站之间的距离确定目标辐射源的位置为：
实施例1
在可选的实施例中观测站位置坐标为(0，0)，目标辐射源位置坐标为(543.112，51.903)，散射体位置坐标为(942.394，-24.053)、(708.224,523.854)，单位均为米。目标相对于观测站天线阵列的来波方位是5.4589度，两个散射体相对于观测站天线阵列的来波方位分别是-14.8035度和36.4893度，与观测站之间的距离分别是974.7481米和880.9110米，目标辐射源信号的直达波和非直达波之间的到达时差tdoa分别为3.097微秒和2.784微秒。
本实施例由测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa确定目标的位置。
为考察本发明的定位方法抑制测量误差的能力，观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa的误差服从均值为0度、标准差为3度的高斯分布，测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa的误差服从均值为0纳秒、标准差为100纳秒的高斯分布。
实施例2
步骤1：将测量的观测站位置坐标(0，0)米、散射体位置坐标(942.394，-24.053)米和(708.224,523.854)米、观测站天线阵列测量目标直达波和散射体反射波的方位角分别为5.4589度及-14.8035度和36.4893度、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa3.097微秒和2.784微秒数据写入主机内存；
步骤2：由测量的观测位置坐标、散射体位置坐标确定散射体与观测站之间的距离，为974.7481米和880.9110米；
步骤3：由观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa、散射体与观测站之间的距离确定目标辐射源与观测站之间的距离，为473.2102米；
步骤4：由测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa、目标辐射源与观测站之间的距离确定目标辐射源的位置，为(479.0012，139.1055)米。
可见，在观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波来波方位的误差分别为31.2663度及-97.5789度和-8.4172度、测量的目标辐射源信号直达波和非直达波波之间的到达时差tdoa的误差分别为-3.0970秒和-2.7840秒的情况下，本发明确定的目标位置与观测站位置之间距离的误差为76.5326米。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
1.一种多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，具有如下技术特征：在目标位置未知的情况下，根据截获目标信号，估计目标辐射源直达波与非直达波之间的时差和观测站天线阵列测量目标直达波的方位角θ0、散射体反射波的非直达波方位角θn，计算出散射体与观测站之间的距离和目标与观测站之间的距离，估计目标位置，利用测量的观测站位置坐标和散射体位置坐标，以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波来波方位和目标辐射源信号直达波和非直达波之间的到达时差tdoa、散射体与观测站之间的距离，确定目标辐射源与观测站之间的距离和目标位置的闭式解，然后将求取的tdoa时延差转化为求解接收信号中的基准点，获得tdoa时延差的值，得到tdoa时延差后，利用定位算法估计出待定位节点的位置坐标。
2.如权利要求1所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：在直达径和与散射体反射的非直达径环境中，观测站天线阵列接收目标辐射源信号直达波和散射体反射波，将目标辐射源发射电磁波信号传输到观测站，测量观测位置坐标和散射体位置坐标，确定散射体与观测站之间的距离，利用观测站天线阵列测量目标直达波和散射体反射波的来波方向doa，测量目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn；以天线阵列的观测站固定不动位置为坐标原点构建直角坐标系，将测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标、观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa和目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn写入内存。
3.如权利要求1所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：散射体与观测站之间的距离由测量的观测位置坐标、散射体位置坐标确定；目标辐射源与观测站之间的距离，由观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa，和目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差，以及散射体与观测站之间的距离确定；目标辐射源的位置由测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn、目标辐射源与观测站之间的距离确定。
4.如权利要求3所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：观测站之间的距离为rn＝||sn-q||，
其中，s为散射体，n＝1,2，…ns，ns为散射体的个数，q为观察位置坐标。
5.如权利要求2所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：写入主机内存数据包括：测量的观测站位置坐标q＝(x0,y0)、散射体位置坐标
6.如权利要求4所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn和散射体与观测站之间的距离确定目标辐射源与观测站之间的距离：
式中，c表示电磁波传输速度。
7.如权利要求4或5所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差τn、目标辐射源与观测站之间的距离确定目标辐射源的位置为：
8.如权利要求1所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：通过测量的观测站位置坐标、测量的散射体位置坐标以及观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa确定目标的位置。
9.如权利要求1所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa的误差服从均值为0度、标准差为3度的高斯分布，测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa的误差服从均值为0纳秒、标准差为100纳秒的高斯分布。
10.如权利要求1所述的多径传播条件下散射体位置已知的定位方法，其特征在于：由测量的观测位置坐标、散射体位置坐标确定散射体与观测站之间的距离为974.7481米和880.9110米；
由观测站天线阵列测量的目标直达波和散射体反射波的来波方向doa、测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa、散射体与观测站之间的距离确定目标辐射源与观测站之间的距离为473.2102米；由测量的目标辐射源直达波与非直达波之间的到达时差tdoa、目标辐射源与观测站之间的距离确定目标辐射源的位置为(479.0012，139.1055)米。
技术总结