CN111491368A - 一种适用于aoa算法定位基站的校正方法及校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位基站的校正技术领域，尤其涉及一种适用于AOA算法定位基站的校正方法，包括：标记出定位基站的中心所在水平面上的投影位置；以投影位置为中心，分别于相对投影位置的多个预设角度上标记出多个测量点；将校正装置分别设置于多个测量点上，使用校正装置多次向定位基站发送校正信号以得到定位基站的到达角估算值；校正装置根据多次测量得到的到达角估算值计算出一安装误差，并根据安装误差对定位基站进行补偿。有益效果：对完成安装后的定位基站进行校正，可以补偿天线阵列方向带来的计算偏差，从而简化了定位基站的安装过程及降低安装的复杂度，同时提高了定位系统的准确性。

Description

一种适用于AOA算法定位基站的校正方法及校正装置

技术领域

本发明涉及定位基站的校正技术领域，尤其涉及一种适用于AOA算法定位基站的校正方法及校正装置。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，无线与移动设备得到了广泛使用，对定位的需求已经不仅仅局限于航空、航海、测绘等领域。目前较为成熟的无线定位系统主要是卫星定位系统，如全球定位系统(GPS)、全球卫星导航系统(GLONASS)、北斗等，其利用卫星系统中的多个卫星实现移动目标的三维定位。其中，GPS是当前技术上最成熟且已实用的导航定位系统。尽管直接使用GPS可以达到较高的定位精度，但是GPS的使用仍然受到很多因素和环境的制约，如其不适合用于室内和建筑物较密集的市区、实时性能不太好。因此发展一个定位性能优、成本低廉且易部署的定位方法成为了关注热点。

阵列信号处理在移动通信、信号识别、参数估计、电子对抗等领域有着广泛的应用和快速的发展。阵列信号处理的基本原理是首先对信号进行空间采样，然后对得到的数据进行处理，它的主要内容有很多，比如空间谱估计技术、波束形成技术、零点技术等，但这些技术并非完全无关，而是相互关联相互渗透的。这其中处理信号的到达角度(angle ofarrival，简称AOA)问题是空间谱估计技术中一项重要的应用场景。AOA算法是指通过天线阵列感测信号到达的不同方向来计算定位标签的相对方位，再由三角测量法计算出节点的位置，其定位原理如图1所示，通过定位基站接收机天线阵列测出定位标签发射电波的入射角，从而构成一根从接收机到定位标签的径向连线，即方位线。利用多个接收机提供的测量值，按定位算法确定多条方位线的交点，即为定位标签的估计位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点，定位系统结构简単，并且该技术具有确定性，不存在多解性，有较高的定位精度且部署简单。

但在现有技术中，由于采用AOA算法的定位系统是通过天线阵列信号处理来计算定位标签的达到角，其要求每个定位基站的接收天线为一天线阵列，天线阵列的方向会导致计算出的到达角不同，因此采用AOA算法的定位基站安装要求严格，工程实现较为复杂，需要在定位基站安装完成后对其进行校正，从而补偿天线阵列方向带来的计算偏差。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种适用于AOA算法定位基站的校正方法及校正装置。

具体技术方案如下：

本发明包括一种适用于AOA算法定位基站的校正方法，用于对完成安装后的定位基站进行校正，包括以下步骤：

步骤S1，标记出所述定位基站的中心所在水平面上的投影位置；

步骤S2，以所述投影位置为中心，分别于相对所述投影位置的多个预设角度上标记出多个测量点；

步骤S3，将校正装置分别设置于多个所述测量点上，使用所述校正装置多次向所述定位基站发送校正信号以得到所述定位基站的到达角估算值；

步骤S4，所述校正装置根据多次测量得到的所述到达角估算值计算出一安装误差，并根据所述安装误差对所述定位基站进行补偿。

优选的，于所述步骤S2中，多个所述预设角度包括一第一预设角度、一第二预设角度、一第三预设角度、一第四预设角度，分别为0°、90°、180°、270°。

优选的，所述步骤S4具体包括：

步骤S41，所述校正装置对接收到的所有所述到达角估算值进行筛选，以将异常的所述到达角估算值剔除；

步骤S42，在剔除异常的所述到达角估算值后，于每个所述预设角度上，根据剩余的所述到达角估算值于每个所述预设角度上取所述到达角估算值的均值；

步骤S43，根据每个所述预设角度对应的所述均值计算出所述安装误差，并根据所述安装误差对所述定位基站进行补偿。

优选的，于所述步骤S41中，筛选所述到达角估算值的过程包括：

假设所述校正装置接收到的N次所述到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次所述到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次所述到达角估算值的所述均值；

S_x用于表示N次所述到达角估算值的所述标准差；

根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次所述到达角估算值与所述均值之差的绝对值大于所述标准差与所述肖维勒系数之积时，则剔除该次所述到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

优选的，根据所述步骤S41中的筛选过程筛选出的所述到达角估算值的置信概率为

优选的，于所述步骤S43中，根据每个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值计算出所述安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示所述安装误差；

分别用于表示四个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值。

本发明还包括一种AOA算法定位基站的校正装置，用于对定位基站进行校正，包括：

一计算校正模块，用于生成所述校正信号，并在获取所述定位基站反馈的所述到达角估算值后，根据所述到达角估算值计算出所述安装误差并输出至所述定位基站进行补偿；

一天线模块，连接所述计算校正模块，用于发送所述计算校正模块生成的所述校正信号。

优选的，所述计算校正模块包括：

一单音发送单元，所述单音发送单元用于生成供所述天线模块发送的单音信号；

一数模转换单元，连接所述单音发送单元，用于对所述单音信号进行数模转换后作为所述校正信号发送至所述天线模块；

一输入单元，用于接收所述定位基站计算得到的所述到达角估算值；

一筛选单元，连接所述输入单元，用于对所述定位基站反馈的所述到达角估算值进行筛选，以剔除异常的所述到达角估算值；

一计算单元，连接所述筛选单元，用于根据筛选结果计算出所述安装误差并输出至所述定位基站，以对所述定位基站进行校正。

优选的，所述筛选单元筛选所述到达角估算值的过程包括：

假设所述校正装置接收到的N次所述到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次所述到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次所述到达角估算值的所述均值；

S_x用于表示N次所述到达角估算值的所述标准差；

根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次所述到达角估算值与所述均值之差的绝对值大于所述标准差与所述肖维勒系数之积时，则剔除该次所述到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

优选的，所述计算单元根据每个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值计算出所述安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示所述安装误差；

分别用于表示四个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值。

本发明技术方案的有益效果在于：本发明提供一种适用于AOA算法定位基站的校正方法及校正装置，用于对完成安装后的定位基站进行校正，可以补偿天线阵列方向带来的计算偏差，从而简化了定位基站的安装过程及降低安装的复杂度，同时提高了定位系统的准确性。

附图说明

参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为现有技术中AOA算法定位系统的定位原理图；

图2为本发明实施例中的校正装置的安装示意图；

图3为本发明实施例中的校正装置的校正原理图；

图4为现有技术中未经校正装置补偿的波束调向图；

图5为本发明实施例中经校正装置补偿后的波束调向图；

图6为现有技术中未经校正装置补偿的到底角空间谱的谱峰搜索图；

图7为本发明实施例中经校正装置补偿后的到底角空间谱的谱峰搜索图；

图8为本发明实施例中的校正方法的步骤流程图；

图9为本发明实施例中的校正装置的结构示意图。

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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括一种适用于AOA算法定位基站的校正方法，用于对完成安装后的定位基站进行校正，如图8所示，包括以下步骤：

步骤S1，标记出定位基站的中心所在水平面上的投影位置；

步骤S2，以投影位置为中心，分别于相对投影位置的多个预设角度上标记出多个测量点；

步骤S3，将校正装置分别设置于多个测量点上，使用校正装置多次向定位基站发送校正信号以得到定位基站的到达角估算值；

步骤S4，校正装置根据多次测量得到的到达角估算值计算出一安装误差，并根据安装误差对定位基站进行补偿。

具体地，如图2所示，首先标记出定位基站中心对应的投影位置O，以投影位置O为中心，在相对于O的多个预设角度上标记出多个测量点，每个预设角度设置一个测量点，再将校正装置安装在对应的测量点上，利用这些校正装置向定位基站发送校正信号，并接收定位基站反馈的到达角估算值，再根据多次反复测量得到的所有的到达角估算值计算出一个安装误差输出到定位基站，以对定位基站进行补偿。需要说明的是，安装误差对定位系统性能的影响主要包括波束调向性能和到达角估计性能。

由于本实施例中提供了上述校正方法，可以在定位基站安装完成后对其进行一次校正，可以降低定位基站的安装要求，相应地可以降低其安装的复杂程度，可以补偿天线阵列方向带来的计算偏差，提供定位系统的准确性。

作为优选的实施方式，如图2所示，在步骤S2中，多个预设角度包括一第一预设角度、一第二预设角度、一第三预设角度、一第四预设角度，分别为0°、90°、180°、270°。在相对于投影位置0°的位置设置第一测量点A，在相对于投影位置90°的位置设置第二测量点B，在相对于投影位置180°的位置设置第三测量点C，在相对于投影位置270°的位置设置第四测量点D。将校正装置分别置于A，B，C，D四个测量点上发送校正信号，得到定位基站反馈的到达角估算值，在每个测量点上重复测量N次，并将定位基站的到达角估算值输入到校正装置进行计算，最终得到计算出的安装误差，并利用安装误差对定位基站进行补偿。

在一种较优的实施例中，步骤S4具体包括：

步骤S41，校正装置对接收到的所有到达角估算值进行筛选，以将异常的到达角估算值剔除；

步骤S42，在剔除异常的到达角估算值后，于每个预设角度上，根据剩余的到达角估算值于每个预设角度上取到达角估算值的均值；

步骤S43，根据每个预设角度对应的均值计算出安装误差，并根据安装误差对定位基站进行补偿。

具体地，测量数据(即本实施例中的到达角估算值)在采集及与传输过程中，由于环境干扰或人为因素可能造成个别数据不切合实际，为了恢复测量数据的客观真实性以便得到更准确的测量结果，需在定位基站反馈的原始数据中剔除异常的到底角估算值，因此校正装置首先需要对到达角估算值进行筛选，校正原理如图3所示。

进一步地，在剔除了异常的测量数据后，再使用剩余的测量数据分别计算出A，B，C，D四个测量点对应的到达角估算值的均值，通过其与对应的物理位置的差值的均值得到安装误差。例如，在测量点A上测量了100次，得到100个到达角估算值，剔除其中2个明显异常的到达角估算值，再用剩余的98个到达角估算值计算出在测量点A上到达角估算值的均值。最终根据每个测量点上的均值计算出安装误差。

在一种较优的实施例中，于步骤S41中，筛选到达角估算值的过程包括：

假设校正装置接收到的N次到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次到达角估算值的均值；

S_x用于表示N次到达角估算值的标准差；

进一步地，根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次到达角估算值与均值之差的绝对值大于标准差与肖维勒系数之积时，则剔除该次到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

根据上述筛选过程筛选出的到达角估算值的置信概率为

即在N次测量得到的N个到达角估算值中，如果某个到达角估算值与均值的差值较大，且可能出现的次数小于半次时，将这个到达角估算值剔除。

在一种较优的实施例中，于步骤S43中，根据每个预设角度对应的到达角估算值的均值计算出安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示安装误差；

分别用于表示四个预设角度对应的到达角估算值的均值。

具体地，将剔除后的到达角估算值按A,B,C,D四个测量点取均值，得到

通过其与对应的物理位置的差值的均值得到安装误差，将安装误差补偿到定位系统中，即可得到更精确的定位结果。

本发明实施例根据上述技术方案提供的校正方法对定位基站进行校正并取得了相应的试验数据，图4为未经过校正装置补偿的波束调向图，图5为经过校正装置补偿的波束调向图，其波束所对应的方向均为60度。对比图4图5可以发现，经过校正装置补偿的波束方向更为准确。

图6为未经过校正装置补偿的到达角空间谱的谱峰搜索图，图7为经过校正装置补偿的到达角空间谱的谱峰搜索图，其到达角度均为50度，对比图6和图7可以发现，经过校正装置补偿的定位基站更能准确地估算出到达角的方向，本发明实施例中的校正装置可以有效提升定位基站的准确性。

本发明还包括一种AOA算法定位基站的校正装置，用于对定位基站进行校正，如图9所示，包括：

一计算校正模块1，用于生成校正信号，并在获取定位基站反馈的到达角估算值后，根据到达角估算值计算出安装误差并输出至定位基站进行补偿；

一天线模块2，连接计算校正模块1，用于发送计算校正模块生成的校正信号。

在一种较优的实施例中，如图9所示，计算校正模块包括：

一单音发送单元101，单音发送单元用于生成供天线模块发送的单音信号；

一数模转换单元102，连接单音发送单元101，用于对单音信号进行数模转换后作为校正信号发送至天线模块；

一输入单元103，用于接收定位基站计算得到的到达角估算值；

一筛选单元104，连接输入单元103，用于对定位基站反馈的到达角估算值进行筛选，以剔除异常的到达角估算值；

一计算单元105，连接筛选单元104，用于根据筛选结果计算出安装误差并输出至定位基站，以对定位基站进行校正。

在一种较优的实施例中，筛选单元104筛选到达角估算值的过程包括：

假设校正装置接收到的N次到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次到达角估算值的均值；

S_x用于表示N次到达角估算值的标准差；

进一步地，根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次到达角估算值与均值之差的绝对值大于标准差与肖维勒系数之积时，则剔除该次到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

根据上述筛选过程筛选出的到达角估算值的置信概率为1-1/2N，即在N次测量得到的N个到达角估算值中，如果某个到达角估算值与均值的差值较大，且可能出现的次数小于半次时，将这个到达角估算值剔除。

在一种较优的实施例中，计算单元根据每个预设角度对应的到达角估算值的均值计算出安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示安装误差；

分别用于表示四个预设角度对应的到达角估算值的均值。

具体地，将剔除后的到达角估算值按A,B,C,D四个测量点取均值，得到

通过其与对应的物理位置的差值的均值得到安装误差，将安装误差补偿到定位系统中，即可得到更精确的定位结果。

本发明实施例根据上述技术方案提供的校正方法对定位基站进行校正并取得了相应的试验数据，图4为未经过校正装置补偿的波束调向图，图5为经过校正装置补偿的波束调向图，其波束所对应的方向均为60度。对比图4图5可以发现，经过校正装置补偿的波束方向更为准确。

图6为未经过校正装置补偿的到达角空间谱的谱峰搜索图，图7为经过校正装置补偿的到达角空间谱的谱峰搜索图，其到达角度均为50度，对比图6和图7可以发现，经过校正装置补偿的定位基站更能准确地估算出到达角的方向，本发明实施例中的校正装置可以有效提升定位基站的准确性。

本发明技术方案的有益效果在于：本发明提供一种适用于AOA算法定位基站的校正方法及校正装置，用于对完成安装后的定位基站进行校正，可以补偿天线阵列方向带来的计算偏差，从而简化了定位基站的安装过程及降低安装的复杂度，同时提高了定位系统的准确性。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于AOA算法定位基站的校正方法，用于对完成安装后的定位基站进行校正，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，标记出所述定位基站的中心所在水平面上的投影位置；

步骤S2，以所述投影位置为中心，分别于相对所述投影位置的多个预设角度上标记出多个测量点；

步骤S3，将校正装置分别设置于多个所述测量点上，使用所述校正装置多次向所述定位基站发送校正信号以得到所述定位基站的到达角估算值；

步骤S4，所述校正装置根据多次测量得到的所述到达角估算值计算出一安装误差，并根据所述安装误差对所述定位基站进行补偿。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，于所述步骤S2中，多个所述预设角度包括一第一预设角度、一第二预设角度、一第三预设角度、一第四预设角度，分别为0°、90°、180°、270°。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

步骤S41，所述校正装置对接收到的所有所述到达角估算值进行筛选，以将异常的所述到达角估算值剔除；

步骤S42，在剔除异常的所述到达角估算值后，于每个所述预设角度上，根据剩余的所述到达角估算值于每个所述预设角度上取所述到达角估算值的均值；

步骤S43，根据每个所述预设角度对应的所述均值计算出所述安装误差，并根据所述安装误差对所述定位基站进行补偿。

4.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于，于所述步骤S41中，筛选所述到达角估算值的过程包括：

假设所述校正装置接收到的N次所述到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次所述到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次所述到达角估算值的所述均值；

S_x用于表示N次所述到达角估算值的所述标准差；

根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次所述到达角估算值与所述均值之差的绝对值大于所述标准差与所述肖维勒系数之积时，则剔除该次所述到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

5.根据权利要求4所述的校正方法，其特征在于，根据所述步骤S41的筛选过程筛选出的所述到达角估算值的置信概率为

6.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于，于所述步骤S43中，根据每个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值计算出所述安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示所述安装误差；

分别用于表示四个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值。

7.一种AOA算法定位基站的校正装置，用于对定位基站进行校正，其特征在于，包括：

一计算校正模块，用于生成所述校正信号，并在获取所述定位基站反馈的所述到达角估算值后，根据所述到达角估算值计算出所述安装误差并输出至所述定位基站进行补偿；

一天线模块，连接所述计算校正模块，用于发送所述计算校正模块生成的所述校正信号。

8.根据权利要求7所述的校正装置，其特征在于，所述计算校正模块包括：

一单音发送单元，所述单音发送单元用于生成供所述天线模块发送的单音信号；

一数模转换单元，连接所述单音发送单元，用于对所述单音信号进行数模转换后作为所述校正信号发送至所述天线模块；

一输入单元，用于接收所述定位基站计算得到的所述到达角估算值；

一筛选单元，连接所述输入单元，用于对所述定位基站反馈的所述到达角估算值进行筛选，以剔除异常的所述到达角估算值；

一计算单元，连接所述筛选单元，用于根据筛选结果计算出所述安装误差并输出至所述定位基站，以对所述定位基站进行校正。

9.根据权利要求8所述的校正装置，其特征在于，所述筛选单元筛选所述到达角估算值的过程包括：

假设所述校正装置接收到的N次所述到达角估算值分别为x₁，x₂，x₃，……，x_N，根据下列计算公式计算出N次所述到达角估算值的均值和标准差：

其中，

i＝1,2,3，...，N

用于表示N次所述到达角估算值的所述均值；

S_x用于表示N次所述到达角估算值的所述标准差；

根据下列公式计算出肖维勒系数：

ω＝1+0.4ln(N)

若某次所述到达角估算值与所述均值之差的绝对值大于所述标准差与所述肖维勒系数之积时，则剔除该次所述到达角估算值，即

时，x_i被剔除。

10.根据权利要求8所述的校正装置，其特征在于，所述计算单元根据每个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值计算出所述安装误差，具体通过下述公式：

其中，

Err用于表示所述安装误差；

分别用于表示四个所述预设角度对应的所述到达角估算值的均值。

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