CN113050030A - 基于到达角度测距的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例的方法中提出了一种基于到达角度测距的定位方法及装置，接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；然后，对初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；随后，将映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；最后通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据相位差估计入射信号的角度。该方法将信号本身的误差和环境影响进行修正，从而可以得到更为精确的定位结果。

Description

基于到达角度测距的定位方法及装置

【技术领域】

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于到达角度测距的定位方法及装置。

【背景技术】

随着5G(5th Generation Mobile Networks，第五代移动通信技术)网络和IoT(Internet ofThings，物联网)技术的广泛应用，室内定位将变得越来越重要。室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。目前，在定位技术领域广泛采用的算有接收强度算法、到达角度算法、到达时间算法和到达时间差算法。其中又以到达角度算法最为常用，到达角度算法具有精度高、抗干扰性强等特点，但该算法在针对多径效应、噪声、接收信号波动和频率/相位变化等问题时，还有许多技术难点亟待解决。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于到达角度测距的定位方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于到达角度测距的定位方法，所述方法包括：

S1、接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

S2、将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

S3、将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

S4、通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体包括：

接收器天线组包括N_e个天线，每个天线在周期T内按照顺序进行样本采集，单个天线采集了N个样本为一个小组，切换由下个天线进行入射信号数据采集，合计采集到N_p个样本停止采集，将N_p个样本组成一个入射信号数据包，M＝N_p/N，m＝M/N_e，进行I/Q样本分析，并将入射信号数据包用初始样本矩阵R进行表示为，

其中，R的第k列表示为r[k]，其含义为一个入射信号数据包内天线e_k所采集的样本，1≤k≤N_e。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2具体包括：

将初始样本矩阵R中的元素一一映射到相位为R_φ、幅值为R_A的映射样本矩阵中，其中，

1≤k≤N_e，1≤l≤mN，基于I/Q样本分析中，r[k]的离散形式表示为r[k]＝r_I[k]+jr_Q[k]，1≤j≤N_e。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3具体包括：

S31、构建损耗函数

其中，t为函数变量，1≤t≤N_e，f_c为对应入射信号数据包的频率，φ_I和φ_Q分别为I/Q样本对应的相位，A_I和A_Q分别为I/Q样本对应的幅值；

S32、定义

S33、令

其中，

S34、对

进行迭代求解直到dγ_I和dγ_Q小于预设值后，输出γ_I和γ_Q，然后对映射样本矩阵内的元素进行调整。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4具体包括：

S41、构建入射角计算模型；

S42、从调整后的映射样本矩阵中选择样本元素；

S43、通过入射角计算模型计算之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S41具体包括：

所述入射角计算模型为：

其中，

可通过

计算获得，

x_i＝[x_{(1+(1-μ)N),i},…,x_μN,i)]^T，

是x_i的共轭复数，1≤μ≤m；ρ(k)和τ(k)为高斯变量，

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S42具体包括：

S421、计算接收器天线组中任意天线a_p和天线b_p的信号传输损耗差θ_p，并与损耗差初始更新范围(Δθ¹,Δθ²)进行比较；

S422a、当θ_p＜Δθ¹时，保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

S422b、当Δθ¹≤θ_p≤Δθ²时，通过损耗差更新公式对损耗差范围进行计算更新，损耗差更新公式为

其中

分别为天线a_p和天线b_p的A_I、A_Q、φ_I,0、φ_Q,0的平均值；

若Δθ＜Δθ¹时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ,Δθ¹)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＞Δθ²时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ²,Δθ)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＝Δθ¹或Δθ＝Δθ²，直接选中天线a_p和天线b_p；

S422c、当θ_P≥Δθ²时，则同时换掉天线a_p和天线b_p；

S423、当两个天线的损耗差符合预设阈值则停止计算，并选中对应两个天线。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S43具体包括：

S431、计算入射信号的角度的估计值，

其中，d_i,j＝|j-i|d₀，d₀为相邻天线的距离；

S432、计算入射信号的角度的估计值，

其中，χ_ch为补偿向量。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于到达角度测距的定位装置，所述装置包括：

采集模块，用于接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

映射模块，用于将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

修正模块，用于将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

计算模块，用于通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例的方法中提出了一种基于到达角度测距的定位方法及装置，接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；然后，对初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；随后，将映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；最后通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据相位差估计入射信号的角度。该方法将信号本身的误差和环境影响进行修正，从而可以得到更为精确的定位结果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例所提供的基于到达角度测距的定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施例所提供的S4的流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于到达角度测距的定位装置的功能框图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做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。

请参考图1，其为本发明实施例所提供的基于到达角度测距的定位方法的流程示意图，如图所示，该方法包括以下步骤：

S1、接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

S2、将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

S3、将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

S4、通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

具体的，S1具体包括：

接收器天线组包括N_e个天线，每个天线在周期T内按照顺序进行样本采集，单个天线采集了N个样本为一个小组，切换由下个天线进行入射信号数据采集，合计采集到N_p个样本停止采集，将N_p个样本组成一个入射信号数据包，M＝N_p/N，m＝M/N_e，进行I/Q样本分析，并将入射信号数据包用初始样本矩阵R进行表示为，

其中，R的第k列表示为r[k]，其含义为一个入射信号数据包内天线e_k所采集的样本，1≤k≤N_e。

进一步地，S2具体包括：

将初始样本矩阵R中的元素一一映射到相位为R_φ、幅值为R_A的映射样本矩阵中，其中，

1≤k≤N_e，1≤l≤mN，基于I/Q样本分析中，r[k]的离散形式表示为r[k]＝r_I[k]+jr_Q[k]，1≤j≤N_e。

进一步地，S3具体包括：

S31、构建损耗函数

其中，t为函数变量，1≤t≤N_e，f_c为对应入射信号数据包的频率，φ_I和φ_Q分别为I/Q样本对应的相位，A_I和A_Q分别为I/Q样本对应的幅值；

S32、定义

S33、令

其中，

S34、对

进行迭代求解直到dγ_I和dγ_Q小于预设值后，输出γ_I和γ_Q，然后对映射样本矩阵内的元素进行调整。

进一步地，请参考图2，图2为本发明实施例所提供的S4的流程示意图，S4具体包括：

S41、构建入射角计算模型；

S42、从调整后的映射样本矩阵中选择样本元素；

S43、通过入射角计算模型计算之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

其中，S41具体包括：

所述入射角计算模型为：

其中，

可通过

计算获得，

x_i＝[x_{(1+(1-μ)N),i},…,x_μN,i)]^T，

是x_i的共轭复数，1≤μ≤m；ρ(k)和τ(k)为高斯变量，

S42具体包括：

S421、计算接收器天线组中任意天线a_p和天线b_p的信号传输损耗差θ_p，并与损耗差初始更新范围(Δθ¹,Δθ²)进行比较；

S422a、当θ_p＜Δθ¹时，保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

S422b、当Δθ¹≤θ_p≤Δθ²时，通过损耗差更新公式对损耗差范围进行计算更新，损耗差更新公式为

其中

分别为天线a_p和天线b_p的A_I、A_Q、φ_I,0、φ_Q,0的平均值；

若Δθ＜Δθ¹时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ,Δθ¹)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＞Δθ²时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ²,Δθ)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＝Δθ¹或Δθ＝Δθ²，直接选中天线a_p和天线b_p；

S422c、当θ_P≥Δθ²时，则同时换掉天线a_p和天线b_p；

S423、当两个天线的损耗差符合预设阈值则停止计算，并选中对应两个天线。

S43具体包括：

S431、计算入射信号的角度的估计值，

其中，d_i,j＝|j-i|d₀，d₀为相邻天线的距离；

S432、计算入射信号的角度的估计值，

其中，χ_ch为补偿向量。

本发明实施例的方法中提出了一种基于到达角度测距的定位方法及装置，接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；然后，对初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；随后，将映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；最后通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据相位差估计入射信号的角度。该方法将信号本身的误差和环境影响进行修正，从而可以得到更为精确的定位结果。

本发明实施例进一步给出实现上述方法实施例中各步骤及方法的装置实施例。

请参考图3，其为本发明实施例所提供的基于到达角度测距的定位装置的功能框图，所述装置包括：

采集模块310，用于接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

映射模块320，用于将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

修正模块330，用于将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

计算模块340，用于通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

由于本实施例中的各单元模块能够执行图1所示的方法，本实施例未详细描述的部分，可参考对图1的相关说明。

在硬件层面，该装置可以包括处理器，可选地还包括内部总线、网络接口、存储器。其中，存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少1个磁盘存储器等。当然，该装置还可能包括其他业务所需要的硬件。

处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

存储器，用于存放程序。具体地，程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。

结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元或模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元或模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

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。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

S2、将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

S3、将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

S4、通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

2.根据权利要求1所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S1具体包括：

接收器天线组包括N_e个天线，每个天线在周期T内按照顺序进行样本采集，单个天线采集了N个样本为一个小组，切换由下个天线进行入射信号数据采集，合计采集到N_p个样本停止采集，将N_p个样本组成一个入射信号数据包，M＝N_p/N，m＝M/N_e，进行I/Q样本分析，并将入射信号数据包用初始样本矩阵R进行表示为，

其中，R的第k列表示为r[k]，其含义为一个入射信号数据包内天线e_k所采集的样本，1≤k≤N_e。

3.根据权利要求2所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S2具体包括：

将初始样本矩阵R中的元素一一映射到相位为R_φ、幅值为R_A的映射样本矩阵中，其中，

基于I/Q样本分析中，r[k]的离散形式表示为r[k]＝r_I[k]+jr_Q[k]，1≤j≤N_e。

4.根据权利要求3所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S3具体包括：

S31、构建损耗函数

其中，t为函数变量，1≤t≤N_e，f_c为对应入射信号数据包的频率，φ_I和φ_Q分别为I/Q样本对应的相位，A_I和A_Q分别为I/Q样本对应的幅值；

S32、定义

S33、令

其中，

S34、对

进行迭代求解直到dγ_I和dγ_Q小于预设值后，输出γ_I和γ_Q，然后对映射样本矩阵内的元素进行调整。

5.根据权利要求4所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S4具体包括：

S41、构建入射角计算模型；

S42、从调整后的映射样本矩阵中选择样本元素；

S43、通过入射角计算模型计算之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

6.根据权利要求5所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S41具体包括：

所述入射角计算模型为：

其中，

可通过

计算获得，

x_i＝[x_{(1+(1-μ)N),i},…,x_μN,i)]^T，

是x_i的共轭复数，1≤μ≤m；ρ(k)和τ(k)为高斯变量，

7.根据权利要求5所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S42具体包括：

S421、计算接收器天线组中任意天线a_p和天线b_p的信号传输损耗差θ_p，并与损耗差初始更新范围(Δθ¹,Δθ²)进行比较；

S422a、当θ_p＜Δθ¹时，保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

S422b、当Δθ¹≤θ_p≤Δθ²时，通过损耗差更新公式对损耗差范围进行计算更新，损耗差更新公式为

其中

分别为天线a_p和天线b_p的A_I、A_Q、φ_I,0、φ_Q,0的平均值；

若Δθ＜Δθ¹时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ,Δθ¹)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＞Δθ²时，则将损耗差初始范围调整为(Δθ²,Δθ)；保留损耗较低的天线，同时换掉损耗较高的天线；

若Δθ＝Δθ¹或Δθ＝Δθ²，直接选中天线a_p和天线b_p；

S422c、当θ_P≥Δθ²时，则同时换掉天线a_p和天线b_p；

S423、当两个天线的损耗差符合预设阈值则停止计算，并选中对应两个天线。

8.根据权利要求5所述的基于到达角度测距的定位方法，其特征在于，所述S43具体包括：

S431、计算入射信号的角度的估计值，

其中，d_i,j＝|j-i|d₀，d₀为相邻天线的距离；

S432、计算入射信号的角度的估计值，

其中，χ_ch为补偿向量。

9.一种基于到达角度测距的定位装置，其特征在于，所述装置包括：

采集模块，用于接收器天线组在基于各个天线进行入射信号数据采集后，对所述入射信号数据进行预处理并构建初始样本矩阵；

映射模块，用于将所述初始矩阵进行重构后生成映射样本矩阵；

修正模块，用于将所述映射矩阵的损耗进行修正后，对映射矩阵内的元素进行调整；

计算模块，用于通过入射角计算模型选择并计算样本之间的相位差，然后根据所述相位差估计入射信号的角度。

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