窃听源3D定位方法及相关设备与流程

窃听源3d定位方法及相关设备
技术领域
1.本公开涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种窃听源3d定位方法及其相关设备。


背景技术：

2.随着智能时代到来和信息科技发展，仅使用传统的地面基站与终端进行数据传输已不再能够满足需求。无人机由于其部署方便，移动灵活等优势，被认为是用于构建小型通信系统或用于辅助实时高速通信的上佳之选。但在无人机与地面合法终端进行信息交互时，由于无人机与地面节点通信时无线信道具有开放和视距特性，其相比于传统地面通信更容易遭受到恶意窃听者的窃听攻击，所以在正式通信开始前采用合理高效的方式对系统进行窃听检测，保证通信安全就显得十分重要。目前，music算法(multiple signal classification algorithm)用于二维平面的波达方向定位技术doa(direction of arrival)获取有着较高精度，且采用高速处理技术后可实现实时处理，在特定条件下具有很高的分辨力、估计精度及稳定性，吸引了大量学者对其进行深入的研究和分析，前景乐观。
3.但是，当通信场景拓展到三维空间上，就会存在复杂的角度匹配的问题，这使得music算法的精度和速度都有所下降，同时也带来了冗杂的计算，这也是目前采用doa技术定位的瓶颈和难题所在。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开的目的在于提出一种窃听源3d定位方法及其相关设备。
5.基于上述目的，本公开提供了一种窃听源3d定位方法，包括：
6.获取用户向无人机发送的导频信号；
7.基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱；
8.基于所述阵列输出信号频谱检测主峰个数，若所述主峰个数超过合法用户个数，则确定存在窃听源；
9.基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角；
10.基于所述到达角和所述导频信号强度，通过计算得到所述用户的位置信息；
11.将所述用户的位置信息与预知合法用户的位置信息进行比对，得到所述窃听源的位置信息。
12.进一步的，所述基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱，包括：
13.计算所述无人机天线阵列三维方向的阵列响应；
14.基于三维方向的所述阵列响应计算得到阵列总响应；
15.基于所述阵列总响应和所述导频信号计算得到阵列输出信号；
16.基于所述阵列输出信号，通过离散傅里叶变换方法得到阵列输出信号频谱。
17.进一步的，所述基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角，包括：
18.采用root
‑
music算法对所述三维谱峰函数进行计算求解，得到计算结果，基于所述计算结果采用波达方向定位技术doa得到所述到达角，所述到达角包括俯仰角和方位角。
19.进一步的，所述基于所述到达角通过计算得到所述用户的位置信息，包括：
20.基于所述导频信号强度采用统计平方公差rss算法得到所述用户到所述无人机信号接收端的距离，基于所述距离和所述到达角得到所述用户的位置信息。
21.进一步的，所述将所述用户的位置信息与预知合法用户的位置信息进行比对，得到所述窃听源的位置信息，包括：
22.响应于确定所述合法用户的位置信息中不存在所述用户的位置信息，则该用户的位置信息为所述窃听源的位置信息。
23.基于同一发明构思，本公开提供了一种窃听源3d定位装置，包括：
24.获取模块，被配置为获取用户向无人机发送的导频信号；
25.计算模块，被配置为基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱；
26.判定模块，被配置为基于所述阵列输出信号频谱检测主峰个数，若所述主峰个数超过合法用户个数，则确定存在窃听源；
27.位置确定模块，被配置为基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角；基于所述到达角和所述导频信号强度，通过计算得到所述用户的位置信息；
28.窃听源位置确定模块，将所述用户的位置信息与预知合法用户的位置信息进行比对，得到所述窃听源的位置信息。
29.进一步的，所述计算模块，具体被配置为：
30.计算所述无人机天线阵列三维方向的阵列响应；
31.基于三维方向的所述阵列响应计算得到阵列总响应；
32.基于所述阵列总响应和所述导频信号计算得到阵列输出信号；
33.基于所述阵列输出信号，通过离散傅里叶变换方法得到阵列输出信号频谱。
34.基于同一发明构思，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。
35.基于同一发明构思，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如上所述的方法。
36.从上面所述可以看出，本公开提供的一种窃听源3d定位方法及相关设备，采用root
‑
music算法在垂直和水平方向上分别得到三维空间较精确的俯仰角和方位角，仅通过各个象限正余弦角度的正负特性，实现俯仰角和方位角简单有效的匹配，大大降低了计算量。同时与rss算法结合，能够有效提升定位的精度和速度。本公开的定位方法不仅能够检测和定位到地面窃听者，还能够定位到空中窃听者，适用于小规模通信系统的同时也适用
于mimo系统。
附图说明
37.为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本公开实施例的窃听源3d定位方法的流程示意图；
39.图2为本公开实施例的窃听源3d定位装置的结构示意图；
40.图3为本公开实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
41.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
42.需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
43.以下结合附图来详细说明本公开的实施例。
44.参考图1，本公开提供了一种窃听源3d定位方法，具体包括以下几个步骤：
45.步骤s101、获取用户向无人机发送的导频信号。
46.具体的，用户与无人机建立通信连接之前，向无人机发送导频信号，以便无人机充分了解用户端的信道状态信息。此时，用户中包括合法用户，也可能包括向无人机发送相同导频信号的窃听者。
47.步骤s102、基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱。
48.本实施例中，在无人机端部署三维2
‑
l型天线，该天线类型有助于后续对窃听源的精确3d定位。通过三维天线的阵列参数计算得到阵列输出信号频谱。
49.步骤s103、基于所述阵列输出信号频谱检测主峰个数，若所述主峰个数超过合法用户个数，则确定存在窃听源。
50.具体的，阵列输出信号频谱的主峰个数代表信号源的个数，假定合法用户数量为1，检测到的主峰个数为3，则窃听源的个数为2，也即存在两个窃听源。如果通过检测未发现窃听源，则认为信道安全，开始进行信息传输。
51.步骤s104、基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角。
52.具体的，到达角包括俯仰角和方位角，每一个用户发射的导频信号对应一个到达
角，通过唯一的到达角对用户位置进行定位。
53.步骤s105、基于所述到达角和所述导频信号强度，通过计算得到所述用户的位置信息。
54.具体的，由于各用户信号源与无人机的接收端距离不同，经衰减后到达天线阵列的信号强度各不相同，所以导频信号强度与信号源距离是一一对应的关系。通过到达角和导频信号强度确定信号源距离，即可得到用户的三维位置信息。
55.步骤s106、将所述用户的位置信息在预知合法用户的位置信息中进行搜索比对，以得到所述窃听源的位置信息。
56.在建立正常通信链路之前，无人机端已预先获知合法用户的位置信息，将计算得到的实时用户信息与合法用户的位置信息进行比对，对于在合法用户的位置信息中没有记载的用户信息即为窃听源的位置信息。
57.在一些实施例中，所述基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱，包括：计算所述无人机天线阵列三维方向的阵列响应；基于三维方向的所述阵列响应计算得到阵列总响应；基于所述阵列总响应和所述导频信号计算得到阵列输出信号；基于所述阵列输出信号，通过离散傅里叶变换方法得到阵列输出信号频谱。
58.具体的，首先计算无人机接收端三维2
‑
l型天线阵列在x、y、z轴方向上的阵列响应a
i
(i＝x,y,z)：
[0059][0060][0061][0062]
其中，j为复数，λ为信号波长，d为相邻天线阵元的距离，θ为导频信号到达天线阵列的方位角，为导频信号到达天线阵列的俯仰角，k＝b(b代表合法用户)或k＝e(e代表窃听者)。定义a
k
(k＝b or e)＝[a
x a
y a
z
]
t
为天线阵列的总响应，a
k
为x、y、z轴方向上的阵列响应a
x
、a
y
和a
z
的矩阵合并。由阵列总响应和输入的导频信号，得到天线阵列输出信号y：
[0063]
y＝(η
b
a
b
η
e
a
e
)
·
s m
[0064]
其中，η
k
(k＝b或e)为无人机接收端与用户之间的大规模衰落系数，s为输入导频信号，m为系统高斯白噪声的采样样本矩阵。采用离散傅里叶变换dft方法，得到输出信号频谱为：
[0065][0066]
其中，n为导频信号的采样数，m为阵元个数，y(m)为阵列输出信号，j为复数，n
x
为x轴阵元个数，n
y
为y轴阵元个数，n
z
为z轴阵元个数。
[0067]
在一些实施例中，所述基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角，包括：采用root
‑
music算法对所述三维谱峰函数进行计算求解，得到计算结果，基于所述计算结果采用波达方向定位技术doa得到所述到达角，所述到达角包括俯仰角和方位角。
[0068]
具体的，由z轴方向上的天线阵列响应a
z
，得到在z方向上的阵列输出信号，计算其协方差矩阵，记为r
z
，利用信号与噪声的正交特性，将r
z
进行特征值分解，得到信号子空间u
x
和噪声子空间u
n
，定义矢量，定义矢量其中n
z
为z轴的阵元个数。定义多项式式为谱峰函数，当没有噪声干扰时，f(z)＝0的根均位于单位圆上，考虑噪声影响后，取最靠近单位圆的k个根，k为导频信号源数，即为用户个数。但是，在实际求解中，直接求解获取f(z)＝0的根过程很复杂，本实施例中，将对f(z)进行修正，令f(z)＝0求解最接近单位圆的根{z
i
},i＝1,2,
…
k，可得
[0069][0070]
其中，λ为信号波长，d为相邻天线阵元的距离，第i个导频信号到达天线阵列的俯仰角同理，求解f(x)＝0,f(y)＝0最接近单位圆的根{x
i
},{y
i
},i＝1,2,
…
k，得
[0071][0072][0073]
令根据在四个象限上cosθ
i
和sinθ
i
的正负关系可以得到以下角度判定方法：
[0074]
if c
i
>0and s
i
>0(第一象限)then θ
i
＝arccos(c
i
)
[0075]
if c
i
<0and s
i
>0(第二象限)then θ
i
＝arccos(c
i
)
[0076]
if c
i
<0and s
i
<0(第三象限)then θ
i
＝180
‑
arcsin(s
i
)
[0077]
if c
i
>0and s
i
<0(第四象限)then θ
i
＝360 arcsin(s
i
)
[0078]
根据上述方法，即可将俯仰角与方位角进行一一匹配，确定每一个用户发射信号源的俯仰角和方位角。
[0079]
在一些实施例中，所述基于所述到达角通过计算得到所述用户的位置信息，包括：基于所述导频信号强度采用统计平方公差rss算法得到用户到所述无人机信号接收端的距离，基于所述距离和所述到达角得到所述用户的位置信息。
[0080]
具体的，由导频信号强度p2与距离的关系，再结合doa定位技术，可由极坐标表示得到用户的位置信息。rss传输模型表示为：得到用户的位置信息。rss传输模型表示为：其中，p(d0)是在无衰减条件下，d0＝1时的参考功率，简化表示为
‑
a，[dbm]为功率单位，代表分贝毫瓦，n为环境中的路径衰减指数，d为所求用户信号源与接收端的距离，x
σ
为表示均值
为0，方差为σ2的高斯噪声。当d0＝1，信号强度简化为：p2[dbm]＝
‑
a
‑
10nlg(d) x
σ
[dbm]。rss中暂时忽略噪声影响，计算得到由极大似然估计，实际求解的距离其中，基于距离和到达角，计算得到第i个信号源的位置估计(x
i
,y
i
,z
i
)为：
[0081][0082]
其中(x0,y0,z0)为无人机接收端的位置。
[0083]
在一些实施例中，所述将所述用户的位置信息在预知合法用户的位置信息中进行搜索比对，以得到所述窃听源的位置信息，包括：响应于确定所述合法用户的位置信息中不存在所述用户的位置信息，则该用户的位置信息为所述窃听源的位置信息。窃听源的位置信息不存在于预知合法用户的位置信息中，在合法用户的位置信息中搜索计算得到的用户的位置信息，即可判断出窃听源的位置信息。
[0084]
需要说明的是，本公开实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本公开实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
[0085]
需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0086]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种窃听源3d定位装置。
[0087]
参考图2，所述窃听源3d定位装置，包括：
[0088]
获取模块201，被配置为获取用户向无人机发送的导频信号；
[0089]
计算模块202，被配置为基于所述导频信号和预先部署在所述无人机端的三维天线的阵列参数，得到阵列输出信号频谱；
[0090]
判定模块203，被配置为基于所述阵列输出信号频谱检测主峰个数，若所述主峰个数超过合法用户个数，则确定存在窃听源；
[0091]
位置确定模块204，被配置为基于所述输出信号频谱构建三维谱峰函数，基于所述三维谱峰函数通过计算得到所述导频信号到达所述无人机天线阵列的到达角；基于所述到达角和所述导频信号强度，通过计算得到所述用户的位置信息；
[0092]
窃听源确定模块205，将所述用户的位置信息在预知合法用户的位置信息中进行搜索比对，以得到所述窃听源的位置信息。
[0093]
在一些实施例中，所述计算模块202，具体被配置为：
[0094]
计算所述无人机天线阵列三维方向的阵列响应；
[0095]
基于三维方向的所述阵列响应计算得到阵列总响应；
[0096]
基于所述阵列总响应和所述导频信号计算得到阵列输出信号；
[0097]
基于所述阵列输出信号，通过离散傅里叶变换方法得到阵列输出信号频谱。
[0098]
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0099]
上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的窃听源3d定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0100]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的窃听源3d定位方法。
[0101]
图3示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
[0102]
处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
[0103]
存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
[0104]
输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入/输出模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0105]
通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0106]
总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
[0107]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
[0108]
上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的窃听源3d定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0109]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的窃听源3d定位方法。
[0110]
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd
‑
rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0111]
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的窃听源3d定位方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0112]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0113]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0114]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
[0115]
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。