CN113242099A - 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法 - Google Patents

一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113242099A
CN113242099A CN202110294613.0A CN202110294613A CN113242099A CN 113242099 A CN113242099 A CN 113242099A CN 202110294613 A CN202110294613 A CN 202110294613A CN 113242099 A CN113242099 A CN 113242099A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phased array
antenna
mean square
array antenna
square error
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110294613.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113242099B (zh
Inventor
吴纯杰
李锐铮
刘志伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin Kcht Information Technology Co ltd
Original Assignee
Tianjin Kcht Information Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Kcht Information Technology Co ltd filed Critical Tianjin Kcht Information Technology Co ltd
Priority to CN202110294613.0A priority Critical patent/CN113242099B/zh
Publication of CN113242099A publication Critical patent/CN113242099A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113242099B publication Critical patent/CN113242099B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/10—Monitoring; Testing of transmitters
    • H04B17/11—Monitoring; Testing of transmitters for calibration
    • H04B17/12—Monitoring; Testing of transmitters for calibration of transmit antennas, e.g. of the amplitude or phase
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/10—Monitoring; Testing of transmitters
    • H04B17/11—Monitoring; Testing of transmitters for calibration
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/20—Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/21—Monitoring; Testing of receivers for calibration; for correcting measurements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，根据相控阵天线的数学模型，获取在校准点上计算得到的坐标与实际坐标的均方误差，并使用梯度下降法调节数学模型中所使用的天线安装参数使得均方误差达到最小，此时即可得到最优的安装参数值。本发明中的方法可以通过自动化程序实现，在施工现场选取若干校准点，将OBU放置在校准点上分别与天线交易，使用自动化工具即可计算出天线的安装参数，整体流程操作便捷，易于在施工现场使用。

Description

一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法
技术领域
本发明涉及天线安装参数校准领域，具体为一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法。
背景技术
适用于在车道出入口的在ETC(Electronic Toll Collection，电子不停车收费)系统中，相控阵天线可以通过OBU(On Board Unit，车载单元)对车辆进行定位。目前应用的定位的基本原理是相控阵天线根据OBU发送至天线的微波信号计算出来波方位角，然后根据天线安装的参数(包括天线安装的高度、俯仰角、旋转角以及天线自身在车道的坐标)反推OBU在车道上的坐标。因此，一组准确的天线安装参数是保证OBU精确定位的前提。
由于在施工现场，无法保证按照精确的设计参数进行天线安装，因此需要在安装完成后对安装参数进行校准。
现有的校准技术是基于在车道平面上的预设点的距离测量和三维空间内角度的测量并通过几何关系计算得到校准参数的。这需要多次距离的测量和空间角度测量，如果车道存在坡度或弯曲时会对测量和计算造成极大的麻烦，而且参数的测量和使用参数进行坐标计算是开环系统，测量中的误差会直接作用于到校准参数并最终影响坐标计算的精度。
为此，我们提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，包括以下步骤：
步骤一：在车道平面内任意选取N个校准点，记录其坐标值分别是：
(x1,y1),(x2,y2),…，(xn,yn)；
步骤二：将OBU分别放置在这N个校准点上，控制相控阵天线唤醒OBU，并从OBU返回的信号中获得来波的方位角分别为：
(θx1,θy1),(θx2,θy2),…，(θxN,θyN)；
步骤三：根据相控阵天线计算OBU坐标的公式：
(x,y)＝f(θx,θy|Θ)；
在给定天线安装参数Θ的情况下，可以利用N个校准点上OBU的来波的方位角计算得到N个测量坐标为：
(xm1,ym1),(xm2,ym2),…，(xmN,ymN)
步骤四：根据校准点上实际坐标值和在给定天线安装参数条件下计算得到的坐标值，得到均方误差函数表达式为：
Figure BDA0002983851060000021
误差函数的梯度的表示式为：
Figure BDA0002983851060000022
步骤五：如果均方误差e小于设定的门限时，算法收敛，此时的安装参数Θ即为最终的校准完成的天线安装参数；如果均方误差e未达到设定的门限，则执行步骤六；
步骤六：为了求取一组参数使得天线计算得到的坐标值与校准点上的坐标值的均方误差e达到最小，使用梯度下降法更新天线的安装参数：
Figure BDA0002983851060000031
进一步地说明，步骤三所述(x,y)表示OBU在车道平面内的坐标，(θx,θy)表示相控阵天线获得的OBU信号的来波方向角，f是表示从来波方向角反推OBU坐标的函数表达式，Θ是函数表达式f中的一组天线安装参数，包括天线投影在坐标系中的坐标，天线安装高度、俯仰角和水平旋转角，Θ的初始值采用工程安装的大概参数值或者默认参数值；
进一步地说明，步骤六所述Θ为天线的安装参数，
Figure BDA0002983851060000032
为均方误差的梯度，η为学习率；这是一个迭代的过程；η为超参数控制算法收敛的速度和稳定度，将安装参数Θ更新后重新执行步骤三、步骤四和步骤五；
进一步地说明，步骤四中为了能使实现误差的控制可以将均方误差函数表达式可以进一步修改为：
Figure BDA0002983851060000033
k为误差权重，选择不同的k值可以调整误差在X，Y方向上收敛的速度。在实际ETC车道上的应用上，由于X方向的坐标涉及到邻道车辆的判断，因此X坐标精度要求比Y方向精度要求更高，实际应用中可以将k设置为大于1的值。
进一步地说明，所述步骤六中每一次更新天线的安装参数Θ称为一次迭代，每次迭代均方误差e都会减小，直到均方误差e的值小于设定的门限，算法停止；表明选用此安装参数Θ时，步骤三计算得到的坐标值与步骤一选取的校准点坐标值之间的均方误差满足设计要求，也即计算得到的坐标值收敛于校准点的坐标值。并且这个结论在车道存在弯曲度或者坡度时同样成立。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，此方法可以自动化实现并集成到天线的调测工具中。
2、本发明提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，在施工现场选取若干校准点，将OBU放置在校准点上分别与天线交易，使用自动化工具即可计算出天线的安装参数，整体流程操作便捷，易于在施工现场使用。
3、本发明提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，这是一种将参数校准与坐标计算结合在一起的闭环系统方法，计算的误差在参数校准的过程中已经得到最优化。
4、本发明提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，在车道存在一定坡度或者一定弯曲度时也同样适用。
5、本发明提出一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，通过调节算法的参数可以改变X、Y方向误差分布，最终实现X方向误差更小以应对车道上出现的邻道干扰问题。
附图说明
图1为本发明的相控阵天线安装参数校准的方法的实现流程图；
图2为本发明的相控阵天线安装参数校准的现场操作流程图。
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。
请参阅图1、2；所述图示中的本实施例中提供一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据梯度下降法的公式
Figure BDA0002983851060000051
编写自动化程序并集成到天线调测工具中。程序的输入时各个校准点的坐标值(x,y)和对应的来波方位角(θx,θy)。
步骤二：在两条车道边界上各选取3个测量点，称之为校准点，用尺子测量其在车道平面的坐标(x,y)。
步骤三：将OBU分别放置在这6个坐标点上，控制相控阵天线唤醒OBU，并从OBU返回的信号中获得来波的方位角(θx,θy)。
步骤四：将步骤二和步骤三获得的数据输入到步骤一的程序中，计算即可得到天线的安装参数。
更加具体地，步骤一中需要：
a.根据相控阵天线的由OBU坐标计算来波方向角的数学公式：
(θx,θy)＝f-1(x,y|Θ)
可以计算出均方误差的梯度
Figure BDA0002983851060000052
的数学表达式。其中(x,y)为校准点上的坐标值，f-1是上文中相控阵数学模型中由来波方向角计算坐标的函数的逆函数，为计算得到的来波方向角的值。
b.参数的计算是个迭代的过程，η为学习率，即每次迭代参数在误差函数梯度的方向调整的步长。由于参数的计算的程序在PC机上实现，没有实时性的要求，因此η可以选取一个小值，比如:10-3，从而可以获得迭代过程有更高的稳定性。
c.参数的计算是个迭代的过程，迭代的初始值可以选取现场相控天线安装的参数的粗略测算值或者估计值。
实际应用中，可以事先完成步骤一中所需要编写的自动化程序，并集成到天线调测工具中。在施工现场直接应用这个调测工具。
更加具体地，步骤二中在实际施工过程中，需要根据车道上光栅或者地感线圈等外设的位置以确定合适的交易范围，在交易范围的边界上选取合适的校准点。
本方案中涉及的电路均为现有技术，在此不进行过多赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，包括以下步骤，其特征在于：
步骤一：在车道平面内任意选取N个校准点，记录其坐标值分别是：
(x1,y1),(x2,y2),…，(xn,yn)；
步骤二：将OBU分别放置在这N个校准点上，控制相控阵天线唤醒OBU，并从OBU返回的信号中获得来波的方位角分别为：
(θx1,θy1),(θx2,θy2),…，(θxN,θyN)；
步骤三：根据相控阵天线计算OBU坐标的公式：
(x,y)＝f(θx,θy|Θ)；
在给定天线安装参数Θ的情况下，可以利用N个校准点上OBU的来波的方位角计算得到N个测量坐标为：
(xm1,ym1),(xm2,ym2),…，(xmN,ymN)
步骤四：根据校准点上实际坐标值和在给定天线安装参数条件下计算得到的坐标值，得到均方误差函数表达式为：
Figure FDA0002983851050000011
误差函数的梯度的表示式为：
Figure FDA0002983851050000012
步骤五：如果均方误差e小于设定的门限时，算法收敛，此时的安装参数Θ即为最终的校准完成的天线安装参数；如果均方误差e未达到设定的门限，则执行步骤六；
步骤六：为了求取一组参数使得天线计算得到的坐标值与校准点上的坐标值的均方误差e达到最小，使用梯度下降法更新天线的安装参数：
Θ:＝Θ+η▽Θe。
2.根据权利求1所述的一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，其特征在于：所述步骤四中，为了能使实现误差的控制可以将均方误差函数表达式可以进一步修改为：
Figure FDA0002983851050000021
其中，k为误差权重，选择不同的k值可以调整误差在X，Y方向上收敛的速度，在实际ETC车道上的应用上，由于X方向的坐标涉及到邻道车辆的判断，因此X坐标精度要求比Y方向精度要求更高，实际应用中可以将k设置为大于1的值。
3.根据权利求1所述的一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法，其特征在于：所述步骤六中每一次更新天线的安装参数Θ称为一次迭代，每次迭代均方误差e都会减小，直到均方误差e的值小于设定的门限，算法停止；表明选用此安装参数Θ时，步骤三计算得到的坐标值与步骤一选取的校准点坐标值之间的均方误差满足设计要求，也即计算得到的坐标值收敛于校准点的坐标值，并且这个结论在车道存在弯曲度或者坡度时同样成立。
CN202110294613.0A 2021-03-19 2021-03-19 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法 Active CN113242099B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110294613.0A CN113242099B (zh) 2021-03-19 2021-03-19 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110294613.0A CN113242099B (zh) 2021-03-19 2021-03-19 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113242099A true CN113242099A (zh) 2021-08-10
CN113242099B CN113242099B (zh) 2022-11-15

Family

ID=77130360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110294613.0A Active CN113242099B (zh) 2021-03-19 2021-03-19 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113242099B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114173043A (zh) * 2021-12-11 2022-03-11 天翼电信终端有限公司 智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110241931A1 (en) * 2010-04-01 2011-10-06 Massachusetts Institute Of Technology Iterative clutter calibration with phased array antennas
CN102412441A (zh) * 2011-09-02 2012-04-11 中国电子科技集团公司第十研究所 相控阵天线矢量平均校准方法
CN105206934A (zh) * 2015-09-08 2015-12-30 安徽华东光电技术研究所 一种相控阵接收天线系统及其运行方法
CN108269313A (zh) * 2017-12-28 2018-07-10 深圳市金溢科技股份有限公司 一种路侧单元及其交易处理方法
CN109738854A (zh) * 2018-12-14 2019-05-10 北京邮电大学 一种天线阵列来波方向的到达角估计方法
CN110350990A (zh) * 2019-05-21 2019-10-18 辰芯科技有限公司 一种相控阵网络校准方法、装置、设备及存储介质
CN110658661A (zh) * 2019-08-30 2020-01-07 北京大学 一种用于光学相控阵的相位校准方法及系统
CN112051560A (zh) * 2020-08-07 2020-12-08 深圳市速腾聚创科技有限公司 相控阵相位误差的校准方法、装置、存储介质及激光雷达

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110241931A1 (en) * 2010-04-01 2011-10-06 Massachusetts Institute Of Technology Iterative clutter calibration with phased array antennas
CN102412441A (zh) * 2011-09-02 2012-04-11 中国电子科技集团公司第十研究所 相控阵天线矢量平均校准方法
CN105206934A (zh) * 2015-09-08 2015-12-30 安徽华东光电技术研究所 一种相控阵接收天线系统及其运行方法
CN108269313A (zh) * 2017-12-28 2018-07-10 深圳市金溢科技股份有限公司 一种路侧单元及其交易处理方法
CN109738854A (zh) * 2018-12-14 2019-05-10 北京邮电大学 一种天线阵列来波方向的到达角估计方法
CN110350990A (zh) * 2019-05-21 2019-10-18 辰芯科技有限公司 一种相控阵网络校准方法、装置、设备及存储介质
CN110658661A (zh) * 2019-08-30 2020-01-07 北京大学 一种用于光学相控阵的相位校准方法及系统
CN112051560A (zh) * 2020-08-07 2020-12-08 深圳市速腾聚创科技有限公司 相控阵相位误差的校准方法、装置、存储介质及激光雷达

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114173043A (zh) * 2021-12-11 2022-03-11 天翼电信终端有限公司 智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113242099B (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104297718B (zh) 一种干涉仪阵列综合校准方法
CN103364751B (zh) 一种矢量网络分析仪电子校准件及校准方法
CN110275183B (zh) 基于电离层电子密度的gnss掩星电离层残差修正方法及系统
CN110530399B (zh) 双轮差速移动机器人里程计标定的轮间距修正方法
CN112731354B (zh) Agv上激光雷达位姿的自标定方法
CN113242099B (zh) 一种基于梯度下降算法的相控阵天线安装参数校准的方法
CN109959898B (zh) 一种座底式水声被动定位基阵自校准方法
CN110132281B (zh) 一种基于询问应答模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法
CN112702699B (zh) 一种融合UWB和LiDAR的室内定位方法
CN109828296A (zh) 一种ins/usbl非线性紧组合综合校正方法
CN112068073B (zh) Uwb定位误差校正方法、uwb定位系统、设备、存储介质
CN104807435A (zh) 基站天线的姿态测量系统及方法
CN104990501A (zh) 一种三维激光扫描装置的系统参数校准方法
CN111427022A (zh) 一种基于极大似然估计的阵列雷达测角方法
CN112698310A (zh) 一种用于车载毫米波雷达的多发射通道校准方法和系统
CN114994641A (zh) 一种参数标定方法、装置、电子设备及存储介质
CN115130362B (zh) 一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法及系统
CN115917361A (zh) 借助激光遥感器确定风速分量的方法
CN109856619B (zh) 一种雷达测向相对系统误差修正方法
CN107219855B (zh) 基于ipv6与虚拟视线导引的碟形飞行器高度遥控方法
CN111736120A (zh) 一种基于天波传播校正源信号的阵列误差校正方法
CN115166701B (zh) 一种rgb-d相机和激光雷达的系统标定方法及装置
CN114646933B (zh) 一种4d毫米波雷达俯仰安装误差静态测量方法
CN108021037B (zh) 三元组目标阵列近场效应修正方法
CN109798917B (zh) 一种定位精度巡检方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant