CN110133588B - 一种天线定位方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线定位方法，包括：获取每一天线所采样的数据包；其中，每一数据包携带一个CSI矩阵；获取若干个天线之间的相对位置信息，基于相对位置信息构建导向向量矩阵；根据CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，并基于导向向量矩阵和噪声子空间矩阵构建角度谱函数；在角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，谱峰值为所述角度谱函数的极大值，到达角为天线发射信号的到达角；将谱峰值作为权重，计算天线发射信号的加权到达角；根据加权到达角和天线的位置信息计算待测点的定位坐标。本发明还公开了一种天线定位装置和一种天线定位系统。采用本发明实施例，更好地利用了角度谱函数所携带的有效信息，提高天线定位的精度。

Description

一种天线定位方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线定位方法、装置及设备。
背景技术
无线定位是指利用移动终端测量到周边的一个或多个WiFi的无线信号，然后计算出移动终端地理位置的定位方法。现有的基于WiFi的室内无线定位系统中，采用传统的基于多重信号分类的定位算法，首先利用多次采样信道状态信息矩阵，分别得到关于到达角的角度谱函数，然后分别通过搜索极点来得到估计的到达角。在上述过程中，会通过求解各个采样点分别计算得到的到达角的平均值，从而得到到达角的估计值，却忽视了角度谱函数峰值越大，到达角越接近真实值的特点，从而造成定位精度较低的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种天线定位方法、装置及设备，更好地利用了角度谱函数所携带的有效信息，提高天线定位的精度。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种天线定位方法，包括：
获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，并基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。
作为上述方案的改进，所述将所述谱峰值作为权重，计算所述天线的加权到达角，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000021
其中，θW为所述加权到达角；Pi为所述谱峰值；θi为所述谱峰值对应的到达角；n为所述数据包的个数，i＝1、2、…n。
作为上述方案的改进，所述根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，具体包括：
根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
作为上述方案的改进，所述协方差矩阵满足以下公式：
R＝XXH 公式(2)；其中，R为所述协方差矩阵；X为所述CSI矩阵；XH为所述CSI矩阵的共轭转置。
作为上述方案的改进，所述基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000022
其中，α(θ)为导向向量矩阵；f为信号的频率；τ为因电波传输而产生的延迟时间；d为相邻天线的物理间距；θ为天线发射信号的到达角；c为光速；M为所述天线的数目。
作为上述方案的改进，所述基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000031
其中，PMusic为所述角度谱函数；α(θ)为所述导向向量矩阵；αH(θ)为所述导向向量矩阵的共轭转置；
Figure BDA0002058187060000032
为所述噪声子空间矩阵；
Figure BDA0002058187060000033
为所述噪声子空间矩阵的共轭转置。
作为上述方案的改进，所述CSI矩阵为对所述天线发射信号进行预处理后得到。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种天线定位装置，包括：
数据包获取单元，用于获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
导向向量矩阵构建单元，用于获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
噪声子空间矩阵计算单元，用于根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵；
角度谱函数构建单元，用于基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
谱峰值计算单元，在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
加权到达角计算单元，用于将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
定位坐标计算单元，用于根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。
作为上述方案的改进，所述噪声子空间矩阵计算单元具体用于：
根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种天线定位系统，包括若干天线和上述任一实施例所述天线定位装置。
与现有技术相比，本发明公开的天线定位方法、装置和系统，通过构建到达角与角度谱函数的关系式，从而能够反映出角度谱函数峰值越大，到达角越接近真实值的特点。然后以谱峰值作为权重，计算天线发射信号的加权到达角，根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。使得求得的位置坐标更接近真实值，从而定位精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种天线定位方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种天线定位方法中步骤S3的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种天线定位方法中天线与待测点的坐标位置示意图；
图4是本发明实施例提供的一种天线定位装置10的结构框图；
图5是本发明实施例提供的一种天线定位系统20的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种天线定位方法的流程图；包括：
S1、获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
S2、获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
S3、根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，并基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
S4、在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
S5、将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
S6、根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。
具体的，在步骤S1中，所述CSI矩阵为对所述天线发射信号进行预处理后得到。其中，对所述天线发射信号进行预处理包括：首先从接收天线处得到的是一个二进制文件，需要根据各家芯片提供的说明文档的转化方式，将二进制转化为十进制；然后再将十进制文件中的数据按照天线的位置的顺序排成一列，得到CSI矩阵。值得说明的是，本发明实施例所公开的对所述天线进行预处理的过程并不仅限于上述过程，根据不同厂家的芯片来选择对应的预处理方式，都在本发明的保护范围内。所述CSI矩阵满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000051
其中，X(t)为所述CSI矩阵；csii(t)为第i根天线对应的信道状态信息，为复数,i＝1、2…M；M为接收天线的数量；t为时间。
进一步的，在得到所述CSI矩阵后，利用最小二乘法，消除CSI矩阵的线性相位误差。
具体的，在步骤S2中，所述基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000061
其中，α(θ)为导向向量矩阵；f为信号的频率；τ为因电波传输而产生的延迟时间；d为相邻天线的物理间距；θ为天线发射信号的到达角；c为光速；M为所述天线的数目。
具体的，在步骤S3中，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种天线定位方法中步骤S3的流程图；所述根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，具体包括：
S31、根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
S32、对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
S33、获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
在步骤S31中所述协方差矩阵满足以下公式：
R＝XXH 公式(2)；其中，R为所述协方差矩阵；X为所述CSI矩阵；XH为所述CSI矩阵的共轭转置。
在步骤S32中，对R进行特征分解，得到若干个特征值以及各个特征值对应的特征向量。其中，各个特征值满足如下关系：λ1≥λ2≥…λN>λN+1＝…＝λM；其中，M为所述天线的数目。
所述预设条件为所述特征值小于预设的特征值阈值。所述特征值中会有一部分较大的特征值，数目设为N，比如当特征值大于特征值阈值时，则判定它为较大的特征值。特征值会有数值比较接近的较小的一部分特征值(小于特征值阈值)，数目为M-N。通常来讲，这M-N个特征值对应的特征向量来组成的矩阵，称为噪声子空间矩阵。
所述基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000071
其中，PMusic为所述角度谱函数；α(θ)为所述导向向量矩阵；αH(θ)为所述导向向量矩阵的共轭转置；
Figure BDA0002058187060000072
为所述噪声子空间矩阵；
Figure BDA0002058187060000073
为所述噪声子空间矩阵的共轭转置。
具体的，在步骤S4中，在特定范围内遍历到达角的取值，得到谱峰值Pi以及所述谱峰值Pi对应的到达角θi；所述谱峰值Pi为所述角度谱函数的极大值，所述到达角θi为所述天线发射信号的到达角。
具体的，在步骤S5中，将所述谱峰值Pi作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000074
其中，θW为所述加权到达角；Pi为所述谱峰值；θi为所述谱峰值对应的到达角；n为所述数据包的个数，i＝1、2、…n。
具体的，在步骤S6中，根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。基于平面几何的考虑，易知：已知两个天线AP的坐标位置，以及天线AP与待测点的连线的角度(即加权到达角θW)，那么就可以知道待测点的坐标位置。下面结合具体举例说明一下待测点坐标位置的计算方式：
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种天线定位方法中天线与待测点的坐标位置示意图；通过步骤S1～S6计算得到两个天线AP中的加权到达角θ1和θ2，并且已知房间的平面坐标系中两个天线AP对应的位置坐标P1(x1,y1),P2(x2,y2)，然后，写出直线l1和l2表达方程，联立即可解出待测定位点P的坐标(x,y)。联立方程组如下：
Figure BDA0002058187060000075
在MUSIC算法求解AOA时，谱峰值越高的AOA，越接近到达角的真实值。这是因为MUSIC求解AOA的算法中，谱峰值搜索是相对于求
Figure BDA0002058187060000081
的解的一种近似的方法。而AOA对应的谱峰值越大，某种程度上说明此AOA对应的谱函数曲线越尖锐，也就说明此AOA越接近
Figure BDA0002058187060000082
的解。由于本发明实施例求得的AOA更接近真实值，也就使得求得的位置坐标更接近真实值，从而定位精度更高。
与现有技术相比，本发明公开的天线定位方法通过构建到达角与角度谱函数的关系式，从而能够反映出角度谱函数峰值越大，到达角越接近真实值的特点。然后以谱峰值作为权重，计算天线发射信号的加权到达角，根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。使得求得的位置坐标更接近真实值，从而定位精度更高。
实施例二
参见图4，图4是本发明实施例提供的一种天线定位装置10的结构框图；包括：
数据包获取单元11，用于获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
导向向量矩阵构建单元12，用于获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
噪声子空间矩阵计算单元13，用于根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵；
角度谱函数构建单元14，用于基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
谱峰值计算单元15，在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
加权到达角计算单元16，用于将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
定位坐标计算单元17，用于根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。
具体的，所述CSI矩阵为对所述天线发射信号进行预处理后得到。其中，对所述天线发射信号进行预处理包括：首先从接收天线处得到的是一个二进制文件，需要根据各家芯片提供的说明文档的转化方式，将二进制转化为十进制；然后再将十进制文件中的数据按照天线的位置的顺序排成一列，得到CSI矩阵。所述CSI矩阵满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000091
其中，X(t)为所述CSI矩阵；csii(t)为第i根天线对应的信道状态信息，为复数,i＝1、2…M；M为接收天线的数量；t为时间。
进一步的，在得到所述CSI矩阵后，利用最小二乘法，消除CSI矩阵的线性相位误差。
具体的，所述导向向量矩阵构建单元12基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000092
其中，α(θ)为导向向量矩阵；f为信号的频率；τ为因电波传输而产生的延迟时间；d为相邻天线的物理间距；θ为天线发射信号的到达角；c为光速；M为所述天线的数目。
具体的，噪声子空间矩阵计算单元13，具体用于：
根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
所述协方差矩阵满足以下公式：
R＝XXH 公式(2)；其中，R为所述协方差矩阵；X为所述CSI矩阵；XH为所述CSI矩阵的共轭转置。
对R进行特征分解，得到若干个特征值以及各个特征值对应的特征向量。其中，各个特征值满足如下关系：λ1≥λ2≥…λN>λN+1＝…＝λM；其中，M为所述天线的数目。
所述预设条件为所述特征值小于预设的特征值阈值。所述特征值中会有一部分较大的特征值，数目设为N，比如当特征值大于特征值阈值时，则判定它为较大的特征值。特征值会有数值比较接近的较小的一部分特征值(小于特征值阈值)，数目为M-N。通常来讲，这M-N个特征值对应的特征向量来组成的矩阵，称为噪声子空间矩阵。
所述角度谱函数构建单元14基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数，满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000101
其中，PMusic为所述角度谱函数；α(θ)为所述导向向量矩阵；αH(θ)为所述导向向量矩阵的共轭转置；
Figure BDA0002058187060000102
为所述噪声子空间矩阵；
Figure BDA0002058187060000103
为所述噪声子空间矩阵的共轭转置。
具体的，所述谱峰值计算单元15在特定范围内遍历到达角的取值，得到谱峰值Pi以及所述谱峰值Pi对应的到达角θi；所述谱峰值Pi为所述角度谱函数的极大值，所述到达角θi为所述天线发射信号的到达角。
具体的，所述加权到达角计算单元16将所述谱峰值Pi作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；满足以下公式：
Figure BDA0002058187060000104
其中，θW为所述加权到达角；Pi为所述谱峰值；θi为所述谱峰值对应的到达角；n为所述数据包的个数，i＝1、2、…n。
具体的，所述定位坐标计算单元17根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。基于平面几何的考虑，易知：已知两个天线AP的坐标位置，以及天线AP与待测点的连线的角度(即加权到达角θW)，那么就可以知道待测点的坐标位置。
与现有技术相比，本发明公开的天线定位装置10通过构建到达角与角度谱函数的关系式，从而能够反映出角度谱函数峰值越大，到达角越接近真实值的特点。然后以谱峰值作为权重，计算天线发射信号的加权到达角，根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标。使得求得的位置坐标更接近真实值，从而定位精度更高。
实施例三
参见图5，图5是本发明实施例提供的一种天线定位系统20的结构框图；包括：包括若干天线21和上述实施例二所述天线定位装置10。
具体的所述天线与所述天线定位装置10的工作过程请参考上述实施例二所述天线定位装置10的具体工作过程，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明公开的天线定位系统20通过构建到达角与角度谱函数的关系式，从而能够反映出角度谱函数峰值越大，到达角越接近真实值的特点。然后以谱峰值作为权重，计算天线21发射信号的加权到达角，根据所述加权到达角和所述天线21的位置信息计算待测点的定位坐标。使得求得的位置坐标更接近真实值，从而定位精度更高。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种天线定位方法，其特征在于，包括：
获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，并基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标；
其中，所述将所述谱峰值作为权重，计算所述天线的加权到达角，满足以下公式：
Figure FDA0003042548430000011
其中，θW为所述加权到达角；Pi为所述谱峰值；θi为所述谱峰值对应的到达角；n为所述数据包的个数，i＝1、2、…n。
2.如权利要求1所述的天线定位方法，其特征在于，所述根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵，具体包括：
根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
3.如权利要求2所述的天线定位方法，其特征在于，所述协方差矩阵满足以下公式：
R＝XXH 公式(2)；其中，R为所述协方差矩阵；X为所述CSI矩阵；XH为所述CSI矩阵的共轭转置。
4.如权利要求1所述的天线定位方法，其特征在于，所述基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵，满足以下公式：
Figure FDA0003042548430000021
其中，α(θ)为导向向量矩阵；f为信号的频率；τ为因电波传输而产生的延迟时间；d为相邻天线的物理间距；θ为天线发射信号的到达角；c为光速；M为所述天线的数目。
5.如权利要求4所述的天线定位方法，其特征在于，所述基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数，满足以下公式：
Figure FDA0003042548430000022
其中，PMusic为所述角度谱函数；α(θ)为所述导向向量矩阵；αH(θ)为所述导向向量矩阵的共轭转置；
Figure FDA0003042548430000023
为所述噪声子空间矩阵；
Figure FDA0003042548430000024
为所述噪声子空间矩阵的共轭转置。
6.如权利要求1所述的天线定位方法，其特征在于，所述CSI矩阵为对所述天线发射信号进行预处理后得到。
7.一种天线定位装置，其特征在于，包括：
数据包获取单元，用于获取每一天线所采样的数据包；其中，每一所述数据包携带一个CSI矩阵；
导向向量矩阵构建单元，用于获取若干个天线之间的相对位置信息，基于所述相对位置信息构建导向向量矩阵；
噪声子空间矩阵计算单元，用于根据所述CSI矩阵计算噪声子空间矩阵；
角度谱函数构建单元，用于基于所述导向向量矩阵和所述噪声子空间矩阵构建角度谱函数；
谱峰值计算单元，在所述角度谱函数中遍历到达角的取值，得到谱峰值；其中，所述谱峰值为所述角度谱函数的极大值，所述到达角为所述天线发射信号的到达角；
加权到达角计算单元，用于将所述谱峰值作为权重，计算所述天线发射信号的加权到达角；
定位坐标计算单元，用于根据所述加权到达角和所述天线的位置信息计算待测点的定位坐标；
其中，所述将所述谱峰值作为权重，计算所述天线的加权到达角，满足以下公式：
Figure FDA0003042548430000031
其中，θW为所述加权到达角；Pi为所述谱峰值；θi为所述谱峰值对应的到达角；n为所述数据包的个数，i＝1、2、…n。
8.如权利要求7所述的天线定位装置，其特征在于，所述噪声子空间矩阵计算单元具体用于：
根据所述CSI矩阵构建协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，以得到若干特征值；
获取满足预设条件的特征值所对应的特征向量以组成噪声子空间矩阵。
9.一种天线定位系统，其特征在于，包括若干天线和上述权利要求7～8中任一项所述天线定位装置。
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