一种基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法

摘要

本发明提供了一种基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法，具体按照以下步骤进行：步骤一，场景设置；步骤二，定位信号的产生；步骤三，定位信号接收与定位角度的确定；步骤四，根据三个信标保存的子信道序号，确定信标对应的定向天线的角度信息，从而确定移动目标的位置。该方法能够仅根据目标移动对信标发送频率的多普勒影响，来确定目标相对于对于三个信标方向，在被动式定位场景中完成单个移动目标的定位，同时使用较少的定位设备以及与定位时间成本，同时提高了对于移动被动式目标定位的效果。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络定位领域，具体涉及一种被动式定位方法，特别是涉及一种基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法。 

背景技术

与主动式定位的方法(如全球定位系统(GPS)、射频识别(RFID)、基于FM的定位方法)相比，无设备被动式定位已经在无线网络很多应用中成为一个热点。例如，将其应用在安全与入侵检测系统、野生动物检测、购物与零售习惯分析、老年或残障人士的援助中。在这些场景中，定位目标回避携带或者不方便携带任何设备。目前，对于目标被动式定位的研究方法较多，大体分为以下三类： 

第一种，基于非无线电信号定位的方法：这种方法包括光学视频、红外传感器等定位方法，目前在军事和安全领域应用有所应用。与基于无线电信号的方法，该方法不能对于不在视线范围的室外环境或者是充满浓烟的建筑屋里使用。另外，非无线电信号也会因为监视区域的限制，而不适用于移动目标的定位。 

第二种，基于RSS固定链路数定位方法：这种方法与第三类都属于无线电信号定位方法。它的主要思想是首先在单链路的菲涅尔区内收集目标在不同位置时的绕射信号强度，组成RSS的数据地图。其次建立定位单元，通过定位单元内的RSS数据与先前建立的数据地图比较，估计出目标的位置。部署区域被这些单元覆盖就可获得目标的位置。由于RSS数据容易受环境因素影响，大量定位单元部署在环境不同的区域显然对于定位精度会产生很大影响，同时，移动目标的定位需要频繁的RSS数据获取。因此，这种定位方式更加适合长期的固定场景下静态目标的检测，并不适合临时场景的移动目标定位。 

第三种，基于RSS非固定链路数定位方法：与基于RSS固定链路数定位方法不同，这种定位方法的主要思想是将大量的定位设备部署成一种拓扑结构，然后收集从设备到另一个设备的多链路散射或绕射信息，通常体现在RSS值不同。最终，利用这些多链路信息使用不同的算法去实现定位。然而，移动目标会造成对于更多链路产生影响，这不但会影响定位精度，还会增加定位的时间成本。因此这种定位方式同样不适合移动目标或是需求较少设备的情况。 

第四种：基于多普勒频移定位方法：目前多普勒频移主要应用于军事用途以及手势识别领域，该定位方法主要与到达方向(Direction of Arriva,DOA)或到达时间差(Time Difference of Arriva,TDOA)的方法相结合，用于高速运动目标的定位，例如定位飞机。与前者结合的目的是测向，主要是利用雷达与飞机之间相对运动形成的多普勒频移，根据目标移动方向对多普勒频移的影响，判定目标的方向。与后者结合的目的是测距，主要是获得移动目标反射的信号在雷达不同天线之间的相位差(或者信号发射到接收的时间差)，推算出飞机与雷达之间的距离。然而这样的定位方法并不适用于人体等低速目标定位。首先，飞机等高速运动目标可以引起的多普勒频移范围更广，而低速移动目标频移范围小，检测难度更大。其次，获得相位差等信息对于硬件设备的成本要求较高，现有的雷达设备还面临着功率高、体积大、成本高等问题，因此现有的雷达定位方法并不适合无线网络中低速移动目标的定位。现有基于多普勒频移的手势识别应用中，对于移动目标定位的相关讨论还未完全展开。 

综上，现有的被动式定位方法不能很好的应用于移动目标被动式定位的场景中，尤其是对于低速目标的定位，定位精度也不能够很好的保证，因此，研究一种适用于低速移动目标，定位精度高、通信开销小的被动式定位方法是很有必要的。 

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法(简称DEIL算法)，该方法能够在被动式定位场景中完成单个移动目标的定位，同时使用较少的定位设备以及与定位时间成本。 

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现： 

一种基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法，具体按照以下步骤进行： 

步骤一，场景设置： 

步骤S11：在一个无遮挡的待测区域中设置，待测区域内除了定位目标以外均为静止物体。待测区域由多个正方形的定位单元组成，每个定位单元中设置有三个已知位置的信标，在水平方向上，每两个相邻的定位单元有一个信标是共用的，在竖直方向上的定位单元之间没有共用信标；每个定位单元中的三个信标依次记为信标X、信标A、信标Y，三个信标间距d相等，每个信标含有个定向天线，N表示子信道数量； 

待测区域中的每个定位单元的定位步骤完全相同，每个定位单元中的信标与其相邻的定位单元中的信标工作在不同频率或工作在不同时刻；以下步骤为单个定位单元的定位步骤； 

步骤二，定位信号的产生 

步骤S21：待测区域中的所有信标均基于FMT传输协议发送信号；该定位单元中的每个信标周期性产生一组固定的符号；对每组符号进行IFFT变换为一组共N个调制符号，IFFT变换的具体计算如下式所示： 

$x_n=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{X}_k{e}^{i\frac{2\pi }{N}\mathrm{kn}},n=0,...,N-1$

式中： 

N表示子信道数量； 

k表示序列数； 

n表示调制符号序列数； 

X_k表示第k个子信道中调制比特； 

x_n表示FMT信号在时域调制符号； 

步骤S22：每个信标将产生的每组x_n均按照如下方式向定位单元发送：每个调制符号对应一个子信道，从每组x_n的第0个到第N-1个调制符号对应的子信道依次两两分段，共得到段，将每段通过一个定向天线发送，共使用个定向天线； 

步骤三，定位信号接收与定位角度的确定： 

步骤S31：三个信标实时接收信号，且仅接收如式2所示的时间以内的信号，如果接收到有信号，则保存，执行步骤S32；否则，对于未接收到的子信道，将步骤S22中每个信标发送的相应子信道补偿到接收信号中，并执行步骤S32； 

$T_k=\frac{{2l}_k}{c}$

式中： 

T_k表示每个子信道的接收时间，单位：秒； 

l_k表示第k个子信道在一个定位单元内能够达到的最远距离，单位：米； 

c表示光速； 

步骤S32：当每个信标保存的信号达到两组时，则该信标通过下式对接收的信号进行2FFT变换： 

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}\mathrm{kn}}(1+e^{-\mathrm{i\pi k}}),k=0,...,N-1$

式中： 

N表示子信道数量； 

k表示序列数； 

n表示调制符号序列数； 

X_k表示第k个子信道中调制比特； 

x_n表示FMT信号在时域调制符号； 

步骤S33：三个信标分别检测多普勒频移，并保存发生多普勒频移的子信道序号；否则三个均未检测到多普勒频移认为此时不存在目标，并执行步骤S32； 

步骤四，根据三个信标保存的子信道序号，确定信标对应的定向天线的角度信息，从而确定移动目标的位置。 

由于信标中每个定向天线的发射方向是固定的，所以子信道对应的定向天线的角度信息已知。因此，本发明用定向天线的角度信息来定位移动目标。 

进一步的，所述步骤一中的三个信标间距d取1～4米。 

进一步的，所述步骤一中的子信道数量N为2ⁿ，n为4、5或6。 

进一步的，所述步骤一中，在每个定位单元的极坐标系下，信标X中的用于该定位单元的定向天线所覆盖的方向范围为0到信标A用于该定位单元的定向天线的所覆盖方向范围为0到π，信标Y用于该定位单元的定向天线的方向所覆盖范围为到π。 

进一步的，所述步骤四的信标联合定位的具体步骤如下： 

步骤S41：根据三个信标保存的子信道序号，确定信标对应的定向天线的角度信息，具体分为以下几种情况对移动目标进行定位； 

第1种：当获取α、β时，根据下式获得移动目标位置信息： 

$a=d\times \frac{\sin \alpha }{\sin (\beta -\alpha )}$

式中： 

a表示信标A与检测到目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

α表示信标X保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

β表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

移动目标的坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=a\cos \beta \\ y_T=a\sin \beta \end{array}\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

第2种：当获取β、γ时，根据下式获得移动目标位置信息： 

$a=\frac{d\sin \gamma }{\sin (\gamma -\beta )}$

式中： 

a表示信标A与检测到目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

β表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

γ表示信标Y保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

移动目标的横轴坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=a\cos \beta \\ y_T=a\sin \beta \end{array}\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

第3种：当获取α、γ或者α、β、γ时，根据以下公式获得移动目标位置信息： 

$b=2d\times \frac{\sin \alpha }{\sin (\gamma -\alpha )}$

式中： 

b表示信标X与检测到移动目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

α表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

γ表示信标Y保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

移动目标的横轴坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=b\sin \alpha \\ y_T=d-b\cos \alpha \end{array}\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

(x_T,y_T)即为移动目标的位置坐标。 

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下： 

本发明可仅根据目标(人体)移动对信标发送频率的多普勒影响，来确定目标相对于对于三个信标方向，从而完成对于目标的被动式定位，该方法具有较低的通信开销，同时提高了对于移动被动式目标定位的效果。从实际应用角度，研究基于多普勒频移的被动式定位方法更有现实意义，具体如下： 

(1)本发明的方法仅需要三个信标就能够对定位单元内单目标进行定位，定位单元的大小不会限于传统方法的RSS变化率，即所需信标数目与传统相比有所减少，突破了传统意义上被动式定位方法基于RSS的定位策略。 

(2)本发明的方法除了不需要人工预部署，不需要先验知识，不需要人工提前学习场景信息和获取RSS指纹以外，具有较低的通信开销。 

(3)本发明是基于无线网络的移动目标被动式定位方法，实现了低速移动目标在无线网络宽带信号中多普勒频移的检测，进而实现移动目标被动式定位，同时提高了移动目标的定位精度。 

(4)本发明的方法对环境的动态适应性好，因此能够很好的适应应用场景的动态变化，本方法具有一定的通用性。 

(5)经实验，本发明在不降低定位精度的同时相比传统方法拥有更小的设备部署密度以及更小的定位通信开销。 

附图说明

图1是一个被动式定位单元。 

图2是本发明的方法在设置的场景中对单个定位单元中移动目标定位的流程图。 

图3是FMT传输技术的传输流程图。 

图4是信标接收端进行一倍FFT变换与进行二倍FFT变换，对于子信道的影响。 

图5是FMT的子信道在频域上的关系，其中，深色部分为进行二倍FFT后，接收设备能检测到的子信道。 

图6是目标移动方向与产生多普勒频移的角度关系示例。 

图7是获得三个信标角度信息后定位的示例。 

图8是本发明所采用的定向天线在直角坐标系中的场方向图示例。 

图9是本发明的DEIL定位方法的部署方式。 

图10是本发明的DEIL定位方法的三种定位过程(坐标单位米)。 

图11是本发明的DEIL定位方法定位1000次目标定位示例(坐标单位米)。 

图12是在边长为4米的正方形DEIL单元中，单个信标不同天线数量对于定位精度的影响。 

图13是在单个信标天线数量为16时，单元的面积大小(单元边长长短)对于定位精度的影响。 

图14是与被动式目标中点(交点)定位方法在相同的边长4米单元中定位精度的比较。 

图15是本发明的DEIL方法中部署密度与中点(交点)定位方法部署随着行数和列数增加的比例。 

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。 

具体实施方式

对于图1所示的一个定位单元使用被动式定位，对本发明的定位策略进行描述。在该定位单元中，如果仅仅知道单个信标到目标的角度信息，则无法定位到目标位置。考 虑到获得信标的距离对于设备而言的要求较高，因此采用单一信标定位目标使用设备会有较高成本和较大体积，实际中还需要寻求其他解决思路。考虑到信标部署时各个信标的间距已知，我们可采用多信标对目标进行定位。一般来说，获得两个信标的角度信息即可对目标进行定位，然而，并非所有的信标都可以获得角度信息，因此我们根据垂线性质，采用三个信标作为一个定位单元进行定位，这样可获得足够的定位信息。但是，这种基于雷达思想的定位方式对于无线通信设备来说将带来硬件成本大幅增加，因此，本发明对现有的无线传输技术改进，利用信标间距离这一常量和角度的约束条件来定位，降低定位的硬件需求。 

本发明的基于多普勒频移的被动式移动目标定位方法包括：角度获取阶段、联合定位阶段(如图2)。第一个阶段用于定位的信标获得定位目标的方向。第二阶段，用户利用多个信标中每个定向天线的角度信息实现移动目标的定位。角度获取阶段，需要完成定位信号产生、空间采样、定位信号接收、多普勒频移的检测以及根据累加环的结果确定角度信息。首先，信标利用现有通信传输技术实现的低速移动目标的多普勒信息检测，定位信号的产生与接收作为DEL方法设计的关键性因素是需要考虑的设计细节。其次，空间采样也是DEL定位方法中尤其重要的方面。具体来说，我们设想把这些信号以相同的角度间隔依次覆盖某一个方向，完成180°的空间覆盖，最终实现空间采样的能力。由于信标同时被当成一个发射设备与接收设备，当目标在某一位置向信标方向运动(或产生该方向上运动分量)时，信标在该方向覆盖的信号就会产生多普勒频移并由目标反射到信标方向，我们可以检测多普勒频移。考虑到每个信号覆盖的相应角度是预先知道的，信标只需要知道哪个方向上的信号产生多普勒频移即得知目标相对于该信标的方向，从而获得角度信息。联合定位阶段，用户需要收集多个信标获得的角度信息，根据这些信标的角度信息计算出目标的相对位置，最后根据这些信标的绝对坐标推算出定位目标的绝对位置。DEL方法在较低部署密度的条件部署信标，同时保证含有角度信息的信标实现定位。 

在定位信号产生阶段，本发明利用现有的FMT传输协议，与信号接收阶段呼应，对定位目标(虚拟发射设备)反射回信标的信号进行二倍FFT，从而实现子信道的频率间隔，进一步避免多普勒频移产生的信道干扰问题。 

在定位信号发送接收与定位角度确定阶段，使用定向天线实现空间采样，从而完成对于空间的定位的分割，对于信号的接收部分，考虑到效率定位的效率以及针对多径效应的问题，在信标角度获取的过程中，存在子信道通过天线发射未反射回信标的情况， 信标因无法接收到足够的子信道信息影响后续工作开展。考虑到接收设备和发射设备都存在于该信标中，每个子信道发射的信息已知。因此，对于未反射的信号可以采用现有的方法进行相应的信道补偿。信标补偿之前需要进行子信道估计，判定信道补偿的条件，FMT子信道频带独立的特点带来检测和估计的便利。接下来，可以建立时间窗进行阈值判定，在部署区域大小已知的情况下，可以根据估计出信号反射的最长时间建立时间窗，确定估计和补偿条件，使接下来的定位工作正常完成。由于二倍FFT的作用，只能捕获到偶数子信道并对其完成多普勒频移检测，检测完成后根据不同子信道天线对空间采样的映射表对转换为相应的角度信息，从而完成定位的全部准备工作。 

在信标联合估计定位阶段，根据来自各个信标的角度信息，结合在先前已知的信标间距信息，就可以进行联合估计定位出目标的位置。 

下面具体给出该方法在上述阶段的实施步骤和细节。 

场景设置： 

如图9所示，在一个无遮挡的待测区域中设置，待测区域内除了定位目标以外均为静止物体。待测区域由多个正方形的定位单元组成，每个定位单元中设置有三个已知位置的信标，在水平方向上，每两个相邻的定位单元有一个信标是共用的，在竖直方向上的定位单元之间没有共用信标；(信标用于实现无线网络通信的设备)每个定位单元中的三个信标依次记为信标X、信标A、信标Y，三个信标间距d相等(d取1～4米)，每个信标含有个定向天线，N表示子信道数量(一般取2ⁿ，n为4、5、6)，在每个定位单元的极坐标系下，信标X中的用于该定位单元的定向天线所覆盖的方向范围为0到信标A用于该定位单元的定向天线的所覆盖方向范围为0到π，信标Y用于该定位单元的定向天线的方向所覆盖范围为到π。 

本发明中，利用位置已知的信标中的定向天线向对应的定位单元内发送无线信号，在目标不运动的情况下，目标会反射信号(如同虚拟发射器)，信号会再次被信标接收(相当于接收器)，但由于目标是移动或肢体是运动的，会使无线信号产生多普勒频移，信标会检测多到普勒频移，因此，对单个定位单元的定位基于信标检测到的多普勒频移动实现。待测区域中的每个定位单元的定位步骤完全相同，每个定位单元中的信标与其相邻的定位单元中的信标工作在不同频率或工作在不同时刻。 

定位信号产生： 

传统的无线传输技术不足以检测人体或动物体运动引起的较小多普勒频移。对于人体行走运动，站立状态占人体行走周期中的60％，此外人体运动伴随着肢体的摆动高于人体运动速度。因此，人体运动引起多普勒频移的速度略大于人体实际行走速度。考虑到最舒适的行走速度为1.3m/s，本文默认人体运动引起多普勒频移的速度为1.5m/s。由式(1)可知，信标发射频率为5GHz时人体运动引起最大多普勒频移为50Hz(θ＝0°)，在此速度下引起的多普勒频移与θ相关。人体的运动引起的多普勒频移远小于无线网络的传输带宽。因此，信标需要将无线信号转换为窄带信号以完成较小多普勒频移的检测。 

用于被动式定位的信标的主要功能是组成网络通信设备，因此通信构架是设备的基本组成部分。基于多普勒频移的被动式定位方法需要的是一种可以用于定位的窄带信号，因为它是一种基于回波(反射)原理的定位方式，这就对传统的通信设备提出了挑战：增加新的硬件构架或者对现有的通信构架进行改进。为了解决这个难题，本发明提出一种基于现有通信FMT传输技术的定位方式，该方法仅需要对于定位设备进行低成本改进就可以实现基于多普勒频移的定位方法，同时提高窄带子信道之间的信道干扰，使频移信息更容易被定位设备(即信标)检测。 

本发明的DEIL算法是一种基于FMT(filtered multi-tone)传输方案的技术，图3为FMT的传输流程图，在发送设备中，发送符号经过IFFT变换后经过并串转换后用一组等频率间隔的子载波进行均匀的频谱搬移，在发送端发送出；在接收端，用相应的子载波从接收到的信号中解调出调制的信号，再进行串并转换，接着进行FFT变换，需要说明的是在DEIL中发射端与接收端为同一个信标。FMT是一种被欧洲电信标准协会(ETST)制定的陆地集群无线系统所采用的标准。这种方法与OFDM最大的不同在于FMT将带宽分割为在频带上独立分开的N个子信道，因而不发生子信道混叠的现象，每一个子信道的相应中心频率为fk(k＝0,1,2,…,N-1)。在目标运动的速度为V，目标运动方向与目标至信标的角度为θ，子信道的中心频率为f_0k时，产生的多普勒频移为Δf_k为： 

${\mathrm{\Delta f}}_k=\frac{2V\cos \left(\theta \right)}{c}{f}_{0k}---\left(1\right)$

这就是每个子信道需要检测的频移量。这样将带来信道的干扰，同时由于信道的带宽较宽，而产生的频移量一般较小，因此直接使用FMT传输方式并不利于多普勒频移的检测，基于此，本发明提出一种对于现有的IFFT、FFT的改进，在发送端发送完全相同的符号，并对发送符号进行IFFT变换，具体计算如下所示： 

$x_n=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{X}_k{e}^{i\frac{2\pi }{N}\mathrm{kn}},n=0,...,N-1---\left(2\right)$

式中： 

N表示子信道数量； 

k表示序列数； 

n表示调制符号序列数； 

X_k表示第k个子信道中调制比特； 

x_n表示调制符号； 

传统的方式中，进行FFT如下： 

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{N}\mathrm{kn}}k=0,...,N-1---\left(3\right)$

我们所做的改进是在接收端进行二倍的FFT变化，即接收端进行如下变换： 

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}\mathrm{kn}}+\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}\mathrm{kn}},k=0,...,2N-1---\left(4\right)$

考虑到发送端发送的符号完全相同，即x_n＝x_n+N，因此该等式可以变换为： 

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}\mathrm{kn}}+\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}k(n+N)},k=0,...,N-1---\left(5\right)$

进行整理后： 

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}\mathrm{kn}}(1+e^{-\mathrm{i\pi k}}),k=0,...,N-1---\left(6\right)$

我们可以发现，当子信道为奇数时，信标的接收端是无法检测到该子信道，即(1+e^-iπk)＝0； 

当子信道为偶数时，接收端是可以检测到二倍幅度的子信道，即(1+e^-iπk)＝2。当k＝2m,等式可以整理为FFT的形式： 

$X_{2m}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-i\frac{2\pi }{2N}2\mathrm{mn}},X_{2m+1}=\mathrm{0,2}m=0,...,N-1---\left(7\right)$

如图4，为系统进行一倍FFT和二倍FFT变换对于子信道的区别。具体来说，如图5，为FMT在频域上子信道直接的关系是完全分离的(它们均为发送端发送的FMT的子信道)，在频域上表明只有蓝色的子信道可以被接收端捕获。经过这样的变换，就可把子信道变换为存在间隔的窄带信号，不仅满足了多普勒频移对于窄带信号的要求，同时进一步降低了多普勒频移对于相邻信道的干扰。 

定位信号发送接收与定位角度确定： 

这些子信道的信息通过定向天线(通常波束宽度为10°)，实现如图5所示的示例区域覆盖，所用的定向天线数量为其中N为子信道的数量。由于各个信标发射信号的中心频率不同，因此不存在信标相互干扰情况。定向天线覆盖方向的间距为从而实现对于区域的覆盖。 

由于信号的每两个子信道都会一个方向辐射，即子信道的辐射方向并不相同，这就产生三个问题：首先，反射回来的子信道中存在定位目标方向的子信道，但并不是所有子信道都会反射回来信息；其次，子信道需要一个接收的门限，来确定不会定位到在单位外区域；最后，还会存在多径效应的问题，即信号通过多路反射到移动的目标产生多普勒频移。基于此，需要对信号进行时间窗判定，具体判定如下： 

信号接收时间判定，这表明我对于这一次定位只接收在时间T_k之内的信号，这样做还可以进一步提高定位效率： 

$T_k=\frac{{2l}_k}{c}---\left(8\right)$

式中： 

T_k表示每个子信道的接收时间，单位：秒； 

l_k表示第k个子信道在单元内可以达到的最远距离，单位：米； 

c表示光速； 

这样就实现了对于信号的空间采样。接下来对于信号进行子信道的估计与补偿，因为信标承担着发射设备与接收设备的作用，因此可以很轻易的实现子信道估计与补偿，接下来进行二倍的FFT变换，以及多普勒频移的检测。检测到多普勒频移的方向就是目标的方向，最后，由于定向方向的覆盖角度是设备在部署时就完成的，因此可以从单元中的三个信标(由左至右分别表示为X、A、Y)获得角度信息α、β、γ，为第三阶段的定位提供可用参数。 

这里需要说明的是，两个参数就可以估计出目标的位置，但由公式1可知，存在一种情况目标运动方向会与信标至目标方向垂直(如图6)，因此无法产生多普勒频移，因此无法定位。但是根据垂线性质，过一点有且只有一条直线与已知直线垂直。因此，采用三个信标至少会获得两个参数，即可实现定位。 

信标联合定位： 

在完成角度确定之后，信标与定位目标组成三角形，已知量为两个角与边长(信标的间距)时，我们可以根据正弦定理得到另外两边的长度，从而实现定位： 

$\frac{d}{\sin [\pi -\alpha -(\pi -\beta )]}=\frac{a}{\sin \left(\alpha \right)}=\frac{b}{\sin (\pi -\beta )}---\left(9\right)$

具体实施的过程中如果获得角度信息只存在两个，则直接采用正弦定理的方式去实现定位，若在上一阶段获得三个角度参数，为了定位精度的考虑，全部采用信标X与信标Y的角度信息进行定位，如图7为示例，具体过程如下： 

1、当获取α、β的角度值时，根据以下公式获得定位目标： 

$a=d\times \frac{\sin \alpha }{\sin (\beta -\alpha )}---\left(10\right)$

式中： 

a表示信标A与检测到目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

α表示信标X保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

β表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

定位目标的横轴坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=a\cos \beta \\ y_T=a\sin \beta \end{array}\right)---\left(11\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

2、当获取β、γ的角度值时，根据以下公式获得定位目标： 

$a=\frac{d\sin \gamma }{\sin (\gamma -\beta )}---\left(12\right)$

式中： 

a表示信标A与检测到目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

β表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

γ表示信标Y保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

定位目标的横轴坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=a\cos \beta \\ y_T=a\sin \beta \end{array}\right)---\left(13\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

3、当获取α、γ的角度或者α、β、γ三个角度时，根据以下公式获得 

定位目标： 

$b=2d\times \frac{\sin \alpha }{\sin (\gamma -\alpha )}---\left(14\right)$

式中： 

b表示信标X与检测到目标的距离，单位：米； 

d表示定位单元内任意两个相邻信标的距离，单位：米； 

α表示信标A保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

γ表示信标Y保存的子信道序号对应的定向天线的角度； 

定位目标的横轴坐标为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=b\sin \alpha \\ y_T=d-b\cos \alpha \end{array}\right)---\left(15\right)$

式中： 

x_T为移动目标的横坐标； 

y_T为移动目标的纵坐标； 

(x_T,y_T)就是被动式定位目标的位置坐标。 

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。 

下述实施例中用10GHz的信标设备在仿真中完成实验测试，测试收集了1000条数据。 

实施例： 

在该实施例中，采用信标的工作频率为10Ghz，进行1000次定位实验。 

本实施例给出了一种基于多普勒频移的被动式定位方法，具体参数如下： 

步骤一的场景设置：在一个没有任何遮挡的传播环境中，环境内除了定位目标以外都是静止物体。环境由若干正方形定位单元组成，已知位置的三个信标组成一个单元，单元中的三个信标由左至右分别记为信标X、信标A、信标Y，三个信标间距相等为d＝2米，FMT采用N＝32表示子信道数目，信道带宽为1MHz，子信道为31.25kHz的窄带信号，每个信标含有定向天线，这些定向天线覆盖方向的间距为其中信标X用于该单元定位的定向天线的方向范围为0到信标A用于该单元定位的定向天线的方向范围为0到π，信标Y用于该单元定位的定向天线的方向范围为到π，位置已知的信标通过定向天线向单元内环境发送无线信号，在目标不运动的情况下，定位目标会反射信号(如同虚拟发射器)，信号会再次被信标接收(相当于接收器)，但由于目标是移动或肢体是运动的，会使无线信号产生多普勒频移，信标会检测多到普勒频移；以下步骤为一个单元的定位步骤，每个单元的定位步骤完全相同，定位单元中的信标与周围8个相邻的定位单元中的信标工作在不同频率上，定位单元的大小为4米*4米的区域。 

步骤三的定位信号发送接收与定位角度确定：在每个定位单元内，第k个子信道在单元内可以达到的最远距离l_k的值为： 

对于信标X{4米4.0784米4.3296米4.8108米5.6569米4.81084.3296米4.0784米4米} 

对于信标A{2.0392米2.1648米2.4054米2.8284米3.5999米4.3296米4.0784米4米4.0784米4.3296米3.5999米2.8284米2.4054米2.1648米2.0392米} 

对于信标Y{4米4.0784米4.3296米4.8108米5.6569米4.81084.3296米4.0784米4米}。 

定位效果： 

本发明进行1000次定位的示例如图11，在表1中，表示使用本发明的DEIL方法进行定位的定位精度，由表1看出，定位误差在0.5米范围内的定位结果可到达定位结果的75.2％。 

表1 

  0.5m 1m 1.5m 2m 2.5m DEIL(％) 75.2 91.1 95.6 96.5 97.3

由图12、图13看出，天线数量的不同以及单元面积的大小对于定位的精度会产生影响。我们在相同定位面积的情况下，对比了用于被动式移动目标定位的中点和交点两种定位方法与DEIL的定位精度(图14)，可以看到DEIL的定位精度很高。 

对于部署密度而言，在相同的设备部署间隔情况下，如图15所示，随着列数的增加，DEIL的部署密度最大只达到中点和交点定位方法部署密度的50％，因此部署密度较低。 

除此之外，表2表明中点定位方法和交点定位方法的通信开销与部署设备的个数有关，因此功耗随着部署规模的增加而增大，而DEIL并不会因此改变单次定位的通信开销。 

表2 

对比的定位方法包含了中点定位方法、交点定位算法。参考文献：D.Zhang,J.Ma,Q.Chen,and L.M.Ni.An rf-based system for tracking transceiver-free objects.In IEEE PerCom,pages135–144,2007.