[发明专利]基于信号检测概率和波达角估计的单接收机定位方法

摘要

一种基于检测概率和波达角估计的单接收机定位方法，只需要一个接收机的接收数据就能同时估计距离和角度，该方法分为三个部分，第一部分通过估计目标用户的检测概率并建立检测概率和距离的关系，从而求得接收机与目标用户的距离，实现了无线电网络对目标用户的基于测距的算法，降低了算法的复杂度；第二部分利用多重信号分类算法求出目标用户信号源的波达角度，得到目标用户与接收机之间的夹角；第三部分结合第一部分和第二部分的结果经简单计算即可求出目标用户的位置坐标。本发明相较于传统的方法有两大优点：1.只需要一个接收机就能实现目标用户定位，硬件成本低；2.利用检测概率计算距离，简单易行，大大减少了系统开销。

主权项

1.一种基于信号检测概率和波达角估计的单接收机定位方法，该方法共分三个部分。第一部分通过估计目标用户的检测概率，建立检测概率和距离之间的数学换算关系，从而求得与目标用户的距离；第二部分利用接收机接收数据计算目标用户信号源的波达角度，得到目标用户与接收机之间的夹角；第三部分结合前两部分的结果，经简单计算就能得到目标的位置坐标。第一部分：利用检测概率求距离1.)在瑞利Rayleigh衰落模型下，设天线阵列接收的能量为Y，可根据虚警概率公式算出λ，其中λ为能量门限，u＝WE，W为宽带，E为接收时间，Γ(·)和Γ(·，·)分别为完全和不完全Gamma函数；P_D为成功检测概率，即PD=e-λ2Σk=0u-21k!(λ2)k+(1+γγ)u-1×((e-λ2(1+γ))-e-λ2Σk=0u-21k!(λγ2(1+γ))k)=f(γ,λ),]]>其中γ为信噪比，即γ＝k₀A²/(d^ασ²)，k₀和α分别代表路径损耗常数和路径衰落因子，k为u的个数，A²为目标用户的信号发射功率，d为目标用户和接收机的距离，σ²为零均值加性高斯白噪音的方差。2.)根据信道模型，在E时间段内，接收机检测到信道处于繁忙状态有b(n)次，假设目标用户的发送率为β，根据大数定理，检测概率应为P_D＝b(n)/βE；3.)利用步骤1)中P_D＝f(γ，λ)可得到γ，再根据公式γ＝k₀A²/(d^ασ²)可算出d，即为接收机与目标用户之间的距离。第二部分：利用MUSIC算法计算目标用户信号源的波达角度1.)天线阵列接收数据向量X(t)；2.)根据估计式计算数据协方差矩阵R_X的估计值其中L为数据快拍数，上标H表示矩阵共轭转置运算，t表示时刻；3.)对进行特征值分解，得到U₁＝[u₁，L，u_M]表示由特征向量u₁，L，u_M构成的的矩阵，∑₁＝diag(λ₁，L，λ_M)表示以特征值λ₁，L，λ_M为对角线元素的对角矩阵；4.)将特征值以降序排列，q个大特征值对应的特征向量构成信号子空间，即u₁，L，u_q表示q个大特征值对应的特征向量，而M-q个小特征值对应的特征向量构成噪声子空间，即u_q+1，L，u_M表示M-q个小特征值对应的特征向量；5.)根据噪声子空间构造谱估计公式：其中P(ω)为功率谱值，a(ω)为导引向量；6.)根据谱估计公式计算结果，极大值点对应的角度就是信号入射方向θ_i，i＝1，L，q，即为目标用户和接收机之间的夹角。第三部分：如图1所示，建立坐标系，接收机处于原点处，以一个目标用户mb为例，接收机与目标用户之间的距离d和夹角θ分别由第一部分和第二部分求得，设(v₁，v₂)为目标用户mb的坐标，则有：v1=dsin(θ)v2=dcos(θ)]]>