CN113270729A - 立体阵列天线、定位方法和系统、ble芯片及无线mcu芯片 - Google Patents

立体阵列天线、定位方法和系统、ble芯片及无线mcu芯片 Download PDF

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CN113270729A CN202110525783.5A CN202110525783A CN113270729A CN 113270729 A CN113270729 A CN 113270729A CN 202110525783 A CN202110525783 A CN 202110525783A CN 113270729 A CN113270729 A CN 113270729A
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Abstract

本申请实施例提供一种立体阵列天线、定位方法和系统、BLE芯片及无线MCU芯片，所述立体阵列天线包括第一半圆阵列和第二半圆阵列；所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列分别包括N和M个天线，所述第一半圆阵列中的N个天线位于第一平面内，所述第二半圆阵列中的M个天线位于第二平面内，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角为δ，且所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的直径相互平行。在本申请实施例中，将圆阵平分为两个半圆阵列，基于两个半圆阵列进行信号定位，可以提升接收数据的稳定性和鲁棒性。另外，两个半圆阵列构造成三维立体结构，可以提高三维空间中特定范围内的目标物体的定位精度，进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。

Description

立体阵列天线、定位方法和系统、BLE芯片及无线MCU芯片
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体地涉及一种立体阵列天线、定位方法和系统、BLE芯片及无线MCU芯片。
背景技术
相位法定位基于相位干涉原理，一般需要两个以上的信道，对多个天线上接收到的信号分别经过信道处理，获得两两之间的相位差，据此推算来波方向。这种方法定位精度较高，但存在测量的相位模糊问题，从而限制了定位的范围；在定位时，还需要被测信号的频率信息，并且受天线尺寸的限制，工作带宽一般较窄。对于单基线或一维多基线相位干涉仪定位的情况，存在着在基线延长线附近的定位盲区。
针对一般相位干涉仪定位方法存在的上述问题，采用多阵元形式，通过正确设计阵列的结构，选取合适的阵元数目，可以获得宽频段、全方位的定位。常用的阵列结构有线阵、矩形阵以及圆阵。圆阵是最常用的定位天线阵形式之一，通常由若干个形状和特性都相同的无方向性天线均匀排列在一个圆周上，构成一个均匀圆阵。
理论上来讲，在一次定位数据采集过程中，使用的圆阵上的天线的数量将会影响数据的采集精度，天线数量越多，精度越高。但是，在实际应用中，由于天线布局相互影响、芯片支持的天线数量以及设计成本等因素影响了圆阵的天线的数量。另外，由于多路径接收、信号极化、传播延迟、噪声和抖动等因素的影响，导致圆阵天线接收数据的稳定性和鲁棒性较差。
另外，现有技术中的圆阵均为平面圆阵，即圆阵中的天线均处于一个平面内，在圆阵平面的法向方向，以及偏离法向方向较远的区域的测向精度较低。
发明内容
本申请提供一种立体阵列天线、定位方法和系统、BLE芯片及无线MCU芯片，以利于解决现有技术中圆阵天线在天线数量一定的情况下，稳定性和鲁棒性较差，以及在三维空间中特定范围内的定位精度较低的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种立体阵列天线，包括：第一半圆阵列和第二半圆阵列；
所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列分别包括N和M个天线，所述N个天线中的1个天线位于所述第一半圆阵列的圆心位置，N-1个天线位于所述第一半圆阵列的半圆弧位置，所述M个天线中的1个天线位于所述第二半圆阵列的圆心位置，M-1个天线位于所述第二半圆阵列的半圆弧位置，N≥3，M≥3；
所述第一半圆阵列中的N个天线位于第一平面内，所述第二半圆阵列中的M个天线位于第二平面内，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角为δ，且所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的直径相互平行。
优选地，所述N-1个天线在所述第一半圆阵列的半圆弧位置均匀分布；和/或，
所述M-1个天线在所述第二半圆阵列的半圆弧位置均匀分布。
优选地，所述第一半圆阵列的圆心位置的天线为所述第一半圆阵列的基准天线；和/或，
所述第二半圆阵列的圆心位置的天线为所述第二半圆阵列的基准天线。
优选地，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角为δ满足条件：0°＜δ＜180°。
在本申请实施例中，通过特殊排布的立体阵列天线，能够提高三维空间中特定范围内的目标物体的定位精度，提升接收数据的稳定性和鲁棒性。
第二方面，本申请实施例提供了一种定位方法，采用权利要求1-4任一项所述的立体阵列天线，所述方法包括：
通过第一半圆阵列进行角度检测，获得第一角度信息，所述第一角度信息为待测信号相对第一基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第一基准天线为所述第一半圆阵列的基准天线；
通过第二半圆阵列进行角度检测，获得第二角度信息，所述第二角度信息为待测信号相对第二基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第二基准天线为所述第二半圆阵列的基准天线；
根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定第三角度信息和距离信息，所述第三角度信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的俯仰角和/或方位角，所述距离信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的距离；
其中，所述立体阵列天线的中心点为所述第一基准天线和所述第二基准天线的中点。
优选地，所述根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定第三角度信息和距离信息，具体包括：
在第一参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息；
在第二参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息；
根据所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息，以及所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息，确定
优选地，所述在第一参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息，具体包括：
以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以垂直于所述Y轴且过原点O的直线为X轴，建立平面直角坐标系XOY，其中，所述原点O为点A和点B的中点，且所述X轴过所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的中心点W，过所述待测信号的位置C且与所述y轴垂直的直线与所述y轴的垂足为P；
在所述平面直角坐标系XOY中，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ为∠AWB，在△AWB中存在公式一：L2 AB＝L2 WA+L2 WB-2LWALWBcosδ，其中，LAB为点A到点B的距离，LWA为点W到点A的距离，LWB为点W到点B的距离；
过点A和点C的直线与X轴的夹角为所述第一角度信息α1，在△CPA中存在公式二：tan(90°-α1)＝LCP/LPA，其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离；
过点B和点C的直线与X轴的夹角为所述第二角度信息β1，在△CPB中存在公式三：tan(90°-β1)＝LCP/(LPA+LAO+LOB)，其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离，LAO为点A和点O的距离，LOB为点O和点B的距离；
根据所述公式一、所述公式二和所述公式三，求得LCP和LPA；
过点O和点C的直线与X轴的夹角为所述第三角度信息θ1，在△CPO中存在公式四：tan(90°-θ1)＝LCP/(LPA+LAO)，根据所述公式四求得所述平面直角坐标系XOY中的第三角度信息θ1。
优选地，点O到点C的距离为所述距离信息LOC，在△CPO中存在公式五：LOC 2＝LCP 2+(LAO+LPA)2，或sin(90°-θ1)＝LCP/LOC，或cos(90°-θ1)＝(LPA+LAO)/LOC，根据所述公式五求得所述平面直角坐标系XOY中的距离信息LOC。
优选地，在第二参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息，具体包括：
以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以与所述第一平面和所述第二平面的交线平行的直线为Z轴，建立平面直角坐标系YW’Z，其中，所述Y轴与所述Z轴的交点为W’，点W’为点A和点B的中点，过所述待测信号的位置C且与所述Y轴垂直的直线与所述Y轴的垂足为P’；
过点A和点C的直线与Z轴的夹角为所述第一角度信息α2，在△CP’A中存在公式六：tan(90°-α2)＝LCP’/LP’A，其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离；
过点B和点C的直线与Z轴的夹角为所述第二角度信息β2，在△CP’B中存在公式七：tan(90°-β2)＝LCP’/(LP’A+LAW’+LW’B)，其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离，LAW’为点A和点W’的距离，LW’B为点W’和点B的距离；
根据所述公式六和所述公式七，求得LCP’和LP’A；
过点W’和点C的直线与Z轴的夹角为所述第三角度信息θ2，在△CP’W’中存在公式八：tan(90°-θ2)＝LCP’/(LP’A+LAW’)，根据所述公式八求得所述平面直角坐标系YW’Z中的第三角度信息θ2。
优选地，点W’到点C的距离为所述距离信息LW’C，在△CP’W’中存在公式九：LW’C 2＝LCP’ 2+(LAW’+LP’A)2，或sin(90°-θ2)＝LCP’/LW’C，或cos(90°-θ2)＝(LP’A+LAW’)/LW’C，根据所述公式九求得所述平面直角坐标系YW’Z中的距离信息LW’C。
优选地，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列分别采用下述方法，获得第一角度信息和第二角度信息：
根据数据模型Y(t)＝A′X(t)+N(t)进行数据矢量计算，其中，Y为阵列输出数据复向量，X为空间信号复向量，N为阵列噪声，A’为阵列的方向矩阵，A′＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θn)]；
计算X的协方差矩阵
Figure BDA0003064812540000031
对所述协方差矩阵进行特征值分解RY＝[U1，U2，…，UM]diag(λ1，λ2，…，λN)[U1，U2，…，UM]H，其中，M为阵列中天线的数量，λi为矩阵RY的第i个特征值，Ui为与特征值对应的特征向量；
根据分解的特征值构建相互正交的信号子空间US和噪声子空间UN，其中，信号子空间US为分解的特征值中D个大的特征值对应的特征向量组成的空间，噪声子空间UN为分解的特征值中M-D个小的特征值对应的特征向量组成的空间，其中，D为入射到阵列的空间信号的个数；
构造空间谱函数
Figure BDA0003064812540000041
在空间谱域求取普函数最大值，获得谱峰对应的角度，所述谱峰对应的角度为待测信号的角度。
在本申请实施例中，采用与上述特殊排布的立体阵列天线所匹配的计算算法，可以提高定位的角度和精度。
第三方面，本申请实施例提供了一种定位系统，包括：处理器、存储器和上述第一方面任一项所述的立体阵列天线。
优选地，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被执行时，使得所述定位系统执行上述第二方面任一项所述的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种BLE芯片，包括CPU、存储单元、RF控制单元和上述第一方面任一项所述的立体阵列天线。
第五方面，本申请实施例提供了一种无线MCU芯片，包括MCU控制单元、RF控制单元和上述第一方面任一所述的立体阵列天线，MCU控制单元包括CPU和存储单元。
在本申请实施例中，将圆阵平分为两个半圆阵列，基于两个半圆阵列进行信号定位，可以提升接收数据的稳定性和鲁棒性。在支持天线数量较少的应用场景中(例如，芯片仅支持4天线或8天线)，可以进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
另外，两个半圆阵列构造成三维立体结构，可以提高三维空间中特定范围内的目标物体的定位精度，进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的一些实施例，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为相关技术中一种圆阵天线的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种立体阵列天线的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种定位方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的第二参考平面内的角度换算示意图；
图5为本申请实施例提供的第二参考平面内的角度换算示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种角度换算示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种无线MCU芯片的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。
参见图1，为相关技术中一种圆阵天线的结构示意图。在该圆阵天线中包括8个天线，天线0-天线7，该8个天线在半径为R的圆周上均匀分布。利用圆阵天线接收信号，加上合适的算法，可以对来自不同方向的多个信号进行方向测量。具体算法在下文中进行详细说明。
理论上来讲，在一次定位数据采集过程中，使用的圆阵上的天线的数量将会影响数据的采集精度，天线数量越多，精度越高。但是，在实际应用中，由于天线布局相互影响、芯片支持的天线数量以及设计成本等因素影响了圆阵天线的数量。另外，由于多路径接收、信号极化、传播延迟、噪声和抖动等因素的影响，导致圆阵天线接收数据的稳定性和鲁棒性较差。
另外，现有技术中的圆阵均为平面圆阵，即圆阵中的天线均处于一个平面内，在圆阵平面的法向方向，以及偏离法向方向较远的区域的测向精度较低。
针对上述问题，本申请实施例提供了一种新型的立体阵列天线，以下结合附图进行详细说明。
参见图2，为本申请实施例提供的一种立体阵列天线的结构示意图。如图2所示，该立体阵列天线将一个圆阵分为两个半圆阵列，为了便于说明，将图2中位于左侧的半圆阵列定义为第一半圆阵列，位于右侧的半圆阵列定义为第二半圆阵列。
其中，第一半圆阵列包括4个天线，分别为天线1、天线2、天线3和天线4。天线1位于第一半圆阵列的圆心位置，天线2、天线3和天线4在第一半圆阵列的圆弧位置均匀分布。第二半圆阵列包括4个天线，分别为天线0、天线5、天线6和天线7。天线0位于第二半圆阵列的圆心位置，天线5、天线6和天线7在第二半圆阵列的圆弧位置均匀分布。
可理解，图2所示仅为本申请实施例所列举的一种可能的实现方式，并不应当将其作为本申请保护范围的限制。例如，从天线的数量来看，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列可以分别包括N和M个天线，所述N个天线中的1个天线位于所述第一半圆阵列的圆心位置，N-1个天线位于所述第一半圆阵列的半圆弧位置，所述M个天线中的1个天线位于所述第二半圆阵列的圆心位置，M-1个天线位于所述第二半圆阵列的半圆弧位置，N≥3，M≥3。也就是说，从天线的数量来看，只要满足上述约束条件，其均应当处于本申请的保护范围之内。
在一种可选实施例中，所述N-1个天线在所述第一半圆阵列的半圆弧位置均匀分布；和/或，所述M-1个天线在所述第二半圆阵列的半圆弧位置均匀分布。
在一种可选实施例中，所述第一半圆阵列的圆心位置的天线为所述第一半圆阵列的基准天线；和/或，所述第二半圆阵列的圆心位置的天线为所述第二半圆阵列的基准天线。
由于本申请实施例提供的阵列天线为立体阵列天线，也就是说所有的天线处于不同的平面内。将第一半圆阵列所在的平面定义为第一平面，将第二半圆阵列所在的平面定义为第二平面，第一平面和第二平面之间的夹角为δ，δ满足条件：0°＜δ＜180°。
另外，第一半圆阵列和第二半圆阵列的直径相互平行。可理解，若第一半圆阵列的直径和第二半圆阵列的直径重合，即第二半圆阵列的圆心和第二半圆阵列的圆心重合，则第一半圆阵列和第二半圆阵列组成一个完整的圆形。但是，由于物理结构的限制，第一半圆阵列和第二半圆阵列需要保持一定的距离。也就是说，本申请实施例提供的立体阵列天线并不是一个严格的圆阵，而是由两个半圆阵列间隔一定的距离、且折叠一定的角度形成的立体阵列结构。
在本申请实施例中，通过特殊夹角的立体阵列天线，能够解决三维空间中特定范围内的目标物体的定位，提升接收数据的稳定性和鲁棒性。
对于圆阵，通常可以基于多信号分类算法(Multiple Signal Classification，MUSIC)实现对空间多信号的测向。MUSIC算法的基本思想则为将任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的参数(入射方向、极化信息和信号强度)。
在本申请实施例中，第一半圆阵列和第二半圆阵列分别通过MUSIC算法进行待测信号的方向检测，然后基于第一半圆阵列和第二半圆阵列检测的角度信息，计算待测信号相对立体阵列天线的角度信息。
参见图3，为本申请实施例提供的一种定位方法的流程示意图。该方法可应用于图2所示的立体阵列天线，如图3所示，其主要包括以下步骤。
步骤S301：通过第一半圆阵列进行角度检测，获得第一角度信息，所述第一角度信息为待测信号相对第一基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第一基准天线为所述第一半圆阵列的基准天线。
具体地，第一半圆阵列基于MUSIC算法进行信号检测，获得第一角度信息。可理解，该第一角度信息为待测信号相对第一基准天线的角度信息。
在一种优选实施例中，第一基准天线为位于第一半圆阵列圆心的天线。当然，本领域技术人员也可以设置任一半圆弧位置的天线作为基准天线，本申请实施例对此不作具体限制。
步骤S302：通过第二半圆阵列进行角度检测，获得第二角度信息，所述第二角度信息为待测信号相对第二基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第二基准天线为所述第二半圆阵列的基准天线。
具体地，第二半圆阵列基于MUSIC算法进行信号检测，获得第二角度信息。可理解，该第二角度信息为待测信号相对第二基准天线的角度信息。
在一种优选实施例中，第二基准天线为位于第二半圆阵列圆心的天线。当然，本领域技术人员也可以设置任一半圆弧位置的天线作为基准天线，本申请实施例对此不作具体限制。
步骤S303：根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定第三角度信息和距离信息。
其中，所述第三角度信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的俯仰角和/或方位角，所述距离信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的距离。
需要指出的是，在不同的参考平面内，会获得不同的第三角度信息和距离信息。可理解，结合不同的参考平面分别对第三角度信息和距离信息进行计算，可以获得三维空间内的第三角度信息和距离信息。
因此，上述步骤S303具体包括：在第一参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息；在第二参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息；根据所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息，以及所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息，确定在三维空间内的第三角度信息和距离信息。具体地，以图2所示的立体阵列天线为例，分别对不同参考平面内的角度换算原理进行说明。
第一参考平面内的角度换算：
参见图4，为本申请实施例提供的第一参考平面内的角度换算示意图。在图4中，以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以垂直于所述Y轴且过原点O的直线为X轴，建立平面直角坐标系XOY。可理解，所述平面直角坐标系XOY即第一参考平面。
其中，所述原点O为点A和点B的中点，且所述X轴过所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的中心点W，过所述待测信号的位置C且与所述y轴垂直的直线与所述y轴的垂足为P。由图2可知，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的中心点W为第一半圆阵列和第二半圆阵列的交线的中点。
在所述平面直角坐标系XOY中，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ为∠AWB，在△AWB中存在公式一：
L2 AB＝L2 WA+L2 WB-2LWALWBcosδ
其中，LAB为点A到点B的距离，LWA为点W到点A的距离，LWB为点W到点B的距离。
过点A和点C的直线与X轴的夹角为所述第一角度信息α1，在△CPA中存在公式二：
tan(90°-α1)＝LCP/LPA
其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离。
过点B和点C的直线与X轴的夹角为所述第二角度信息β1，在△CPB中存在公式三：
tan(90°-β1)＝LCP/(LPA+LAO+LOB)
其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离，LAO为点A和点O的距离，LOB为点O和点B的距离。
根据所述公式一、所述公式二和所述公式三，求得LCP和LPA。
过点O和点C的直线与X轴的夹角为所述第三角度信息θ1，在△CPO中存在公式四：
tan(90°-θ1)＝LCP/(LPA+LAO)
根据所述公式四求得所述平面直角坐标系XOY中的第三角度信息θ1。
点O到点C的距离为所述距离信息LOC，在△CPO中存在公式五：
LOC 2＝LCP 2+(LAO+LPA)2，
或sin(90°-θ1)＝LCP/LOC，
或cos(90°-θ1)＝(LPA+LAO)/LOC
根据所述公式五求得所述平面直角坐标系XOY中的距离信息LOC。
在本申请实施例中，将圆阵平分为两个半圆阵列，基于两个半圆阵列进行信号定位，可以提升接收数据的稳定性和鲁棒性。在支持天线数量较少的应用场景中(例如，芯片仅支持4天线或8天线)，可以进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
另外，两个半圆阵列构造成三维立体结构，可以提高三维空间中特定范围内的目标物体的定位精度，进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
第二参考平面内的角度换算：
参见图5，为本申请实施例提供的第二参考平面内的角度换算示意图。在图5中，以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以与所述第一平面和所述第二平面的交线平行的直线为Z轴，建立平面直角坐标系YW’Z。可理解，所述平面直角坐标系YW’Z即第二参考平面。
其中，所述Y轴与所述Z轴的交点为W’，点W’为点A和点B的中点，过所述待测信号的位置C且与所述Y轴垂直的直线与所述Y轴的垂足为P’。由图2可知，点W’为第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的中心点W在第二参考平面内的投影。
过点A和点C的直线与Z轴的夹角为所述第一角度信息α2，在△CP’A中存在公式六：
tan(90°-α2)＝LCP’/LP’A
其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离。
过点B和点C的直线与Z轴的夹角为所述第二角度信息β2，在△CP’B中存在公式七：
tan(90°-β2)＝LCP’/(LP’A+LAW’+LW’B)
其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离，LAW’为点A和点W’的距离，LW’B为点W’和点B的距离。
根据所述公式六和所述公式七，求得LCP’和LP’A。
过点W’和点C的直线与Z轴的夹角为所述第三角度信息θ2，在△CP’W’中存在公式八：
tan(90°-θ2)＝LCP’/(LP’A+LAW’)
根据所述公式八求得所述平面直角坐标系YW’Z中的第三角度信息θ2。
点W’到点C的距离为所述距离信息LW’C，在△CP’W’中存在公式九：
LW’C 2＝LCP’ 2+(LAW’+LP’A)2，
或sin(90°-θ2)＝LCP’/LW’C，
或cos(90°-θ2)＝(LP’A+LAW’)/LW’C
根据所述公式九求得所述平面直角坐标系YW’Z中的距离信息LW’C。
可理解，在本申请实施例中，平面直角坐标系XOY和平面直角坐标系YW’Z相互垂直，结合平面直角坐标系XOY中的第三角度信息θ1和距离信息LOC，以及平面直角坐标系YW’Z中的第三角度信息θ2和距离信息LW’C，可以确定距离信息LW’C。
在上述实施例中，立体阵列天线中的第一半圆阵列和第二半圆阵列分别以4个天线为例进行说明。可理解，本领域技术人员可以根据实际需要对天线的数量进行调整。
另外，在上述实施例中，将位于半圆阵列中心的天线作为基准天线。当然，本领域技术人员可以根据实际需要将其它位置的天线作为基准天线。
参见图6，为本申请实施例提供的另一种角度换算示意图。本申请实施例与图4所示实施例的不同指出在于，在半圆阵列中，将天线3作为第一基准天线，图6中的点A’对应于图2中天线3的中心点。相应的，第一半圆阵列进行信号检测获得的第一角度信息，为待测信号相对天线3的角度γ。
另外，根据角度γ和β1，以及点C、点A’和点B的相对距离，可以计算出角度θ1，即获得第三角度信息。本申请实施例的其它内容可以参见图4所示实例中的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。
在上述实施例中，阵列天线中的第一半圆阵列和第二半圆阵列分别以4个天线为例进行说明。可理解，本领域技术人员可以根据实际需要对天线的数量进行调整。
参见图7，为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图。本申请实施例与图2所示实施例的不同之处在于，第一半圆阵列和第二半圆阵列分别包含3个天线，其中，第一半圆阵列的天线1位于圆心位置，天线2和天线3位于半圆弧位置；第二半圆阵列的天线0位于圆心位置，天线4和天线5位于半圆弧位置。本申请实施例的其它内容可以参见图4所示实例中的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。
参见图8，为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图。本申请实施例与图2所示实施例的不同之处在于，第一半圆阵列和第二半圆阵列分别包含5个天线，其中，第一半圆阵列的天线1位于圆心位置，天线2、天线3、天线4和天线5在半圆弧位置均匀分布；第二半圆阵列的天线0位于圆心位置，天线6、天线7、天线8和天线9在半圆弧位置均匀分布。本申请实施例的其它内容可以参见图4所示实例中的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。
在上述实施例中，第一半圆阵列和第二半圆阵列的天线的数量相等。当然，本领域技术人员也可以根据实际需要设置第一半圆阵列和第二半圆阵列的天线为不同的数量。
参见图9，为本申请实施例提供的另一种立体阵列天线的结构示意图。本申请实施例与图2所示实施例的不同之处在于，第一半圆阵列包括3个天线，分别为天线1、天线2和天线3。其中，天线1位于第一半圆阵列的圆心位置，天线2和天线3位于半圆弧位置。第一半圆阵列与图2所示实施例相同，在此不再赘述。
为了便于本领域技术人员更好地理解本申请技术方案，下面对MUSIC算法进行详细说明。
步骤S901：根据数据模型Y(t)＝A′X(t)+N(t)进行数据矢量计算，其中，Y为阵列输出数据复向量，X为空间信号复向量，N为阵列噪声，A’为阵列的方向矩阵，A′＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θn)]。
步骤S902：计算X的协方差矩阵
Figure BDA0003064812540000101
步骤S903：对所述协方差矩阵进行特征值分解RY＝[U1，U2，…，UM]diag(λ1，λ2，…，λN)[U1，U2，…，UM]H，其中，M为阵列中天线的数量，λi为矩阵RY的第i个特征值，Ui为与特征值对应的特征向量。
步骤S904：根据分解的特征值构建相互正交的信号子空间US和噪声子空间UN，其中，信号子空间US为分解的特征值中D个大的特征值对应的特征向量组成的空间，噪声子空间UN为分解的特征值中M-D个小的特征值对应的特征向量组成的空间，其中，D为入射到阵列的空间信号的个数。
步骤S905：构造空间谱函数
Figure BDA0003064812540000102
在空间谱域求取普函数最大值，获得谱峰对应的角度，所述谱峰对应的角度为待测信号的角度。在本申请实施例中，采用与上述特殊排布的阵列天线所匹配的计算算法，提高定位的角度和精度。
需要指出的是，在实际处理中，Y得到的数据为有限时间段内有限次数的样本。阵列上天线接收的信号被连续采样，每一次采样对应于一帧数据。
在本申请实施例中，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列对应的信号采样时间不同。在一种优选实施例中，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列对应的信号采样时间间隔一个采样周期。
与上述实施例相对应，本申请还提供了一种定位系统，该定位系统包括处理器、存储器和上述立体阵列天线，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被执行时，使得所述定位系统执行上述方法实施例中的部分或全部步骤。
与上述实施例相对应，本申请还提供一种BLE芯片，所述BLE芯片为载有低功耗蓝牙芯片的装置，该BLE芯片包括CPU、存储单元、RF控制单元和上述立体阵列天线，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被执行时，使得所述定位装置执行上述方法实施例中的部分或全部步骤。
在本申请实施例中，特殊设计的立体阵列天线应用于BLE芯片，提高BLE芯片在定位等方面的可靠性和鲁棒性。
参见图10，为本申请实施例提供的一种无线MCU芯片的结构示意图。该无线MCU芯片包括MCU控制单元、RF控制单元和上述立体阵列天线，MCU控制单元包括CPU和存储单元，其中MCU控制单元、RF控制单元可以采用集成方式或是分体组合在PCB板上，无线MCU芯片包括两个内核，其中一个内核CPU1用于运行主要应用软件，另一内核CPU2用于减轻CPU1的负荷，执行低功耗蓝牙和射频实时处理任务；还包括RF控制单元，所述的RF控制单元可以直导第一方面任一项所述的立体阵列天线；CPU1和CPU2分别通过共享总线矩阵和存储器进行通信，CPU2还可以通过射频总线矩阵与RF控制单元通信。
在本申请实施例中，特殊设计的立体阵列天线应用于无线MCU芯片，提高无线MCU芯片在定位，信号收发等方面的可靠性和鲁棒性。在本申请实施例中，将圆阵平分为两个半圆阵列，基于两个半圆阵列进行信号定位，可以提升接收数据的稳定性和鲁棒性。在支持天线数量较少的应用场景中(例如，芯片仅支持4天线或8天线)，可以进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
另外，两个半圆阵列构造成三维立体结构，可以提高三维空间中特定范围内的目标物体的定位精度，进行可靠的数据采集，进而提升定位角度和精度。
此外，一个整圆状的多天线圆阵对于程序和通道设计的要求高，而且接收数据相较于本申请中的两个半圆阵组成的阵列少，相应的计算精度和稳定性也不如本申请的天线阵列设计。
具体实现中，本申请还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本申请提供的各实施例中的部分或全部步骤。上述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。
具体实现中，本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，上述计算机程序产品包含可执行指令，当上述可执行指令在计算机上执行时，使得计算机执行上述方法实施例中的部分或全部步骤。
本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种立体阵列天线，其特征在于，包括：第一半圆阵列和第二半圆阵列；
所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列分别包括N和M个天线，所述N个天线中的1个天线位于所述第一半圆阵列的圆心位置，N-1个天线位于所述第一半圆阵列的半圆弧位置，所述M个天线中的1个天线位于所述第二半圆阵列的圆心位置，M-1个天线位于所述第二半圆阵列的半圆弧位置，N≥3，M≥3；
所述第一半圆阵列中的N个天线位于第一平面内，所述第二半圆阵列中的M个天线位于第二平面内，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角为δ，且所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的直径相互平行。
2.根据权利要求1所述的立体阵列天线，其特征在于，
所述N-1个天线在所述第一半圆阵列的半圆弧位置均匀分布；和/或，
所述M-1个天线在所述第二半圆阵列的半圆弧位置均匀分布。
3.根据权利要求1所述的立体阵列天线，其特征在于，所述第一半圆阵列的圆心位置的天线为所述第一半圆阵列的基准天线；和/或，
所述第二半圆阵列的圆心位置的天线为所述第二半圆阵列的基准天线。
4.根据权利要求1所述的立体阵列天线，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角为δ满足条件：0°＜δ＜180°。
5.一种定位方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的立体阵列天线，所述方法包括：
通过第一半圆阵列进行角度检测，获得第一角度信息，所述第一角度信息为待测信号相对第一基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第一基准天线为所述第一半圆阵列的基准天线；
通过第二半圆阵列进行角度检测，获得第二角度信息，所述第二角度信息为待测信号相对第二基准天线的俯仰角和/或方位角，所述第二基准天线为所述第二半圆阵列的基准天线；
根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定第三角度信息和距离信息，所述第三角度信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的俯仰角和/或方位角，所述距离信息为待测信号相对所述立体阵列天线的中心点的距离；
其中，所述立体阵列天线的中心点为所述第一基准天线和所述第二基准天线的中点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定第三角度信息和距离信息，具体包括：
在第一参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息；
在第二参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息；
根据所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息，以及所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息，确定在三维空间内的第三角度信息和距离信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在第一参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第一参考平面内的第三角度信息和距离信息，具体包括：
以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以垂直于所述Y轴且过原点O的直线为X轴，建立平面直角坐标系XOY，其中，所述原点O为点A和点B的中点，且所述X轴过所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列的中心点W，过所述待测信号的位置C且与所述y轴垂直的直线与所述y轴的垂足为P；
在所述平面直角坐标系XOY中，所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ为∠AWB，在△AWB中存在公式一：L2 AB＝L2 WA+L2 WB-2LWALWBcosδ，其中，LAB为点A到点B的距离，LWA为点W到点A的距离，LWB为点W到点B的距离；
过点A和点C的直线与X轴的夹角为所述第一角度信息α1，在△CPA中存在公式二：tan(90°-α1)＝LCP/LPA，其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离；
过点B和点C的直线与X轴的夹角为所述第二角度信息β1，在△CPB中存在公式三：tan(90°-β1)＝LCP/(LPA+LAO+LOB)，其中，LCP为点C和点P的距离，LPA为点P和点A的距离，LAO为点A和点O的距离，LOB为点O和点B的距离；
根据所述公式一、所述公式二和所述公式三，求得LCP和LPA；
过点O和点C的直线与X轴的夹角为所述第三角度信息θ1，在△CPO中存在公式四：tan(90°-θ1)＝LCP/(LPA+LAO)，根据所述公式四求得所述平面直角坐标系XOY中的第三角度信息θ1。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，点O到点C的距离为所述距离信息LOC，在△CPO中存在公式五：LOC 2＝LCP 2+(LAO+LPA)2，或sin(90°-θ1)＝LCP/LOC，或cos(90°-θ1)＝(LPA+LAO)/LOC，根据所述公式五求得所述平面直角坐标系XOY中的距离信息LOC。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在第二参考平面内，根据所述第一角度信息、所述第二角度信息、所述第一基准天线和所述第二基准天线的相对位置以及所述第一平面和所述第二平面之间的夹角δ，确定所述第二参考平面内的第三角度信息和距离信息，具体包括：
以所述第一基准天线的位置A和所述第二基准天线的位置B所在的直线为Y轴，以与所述第一平面和所述第二平面的交线平行的直线为Z轴，建立平面直角坐标系YW’Z，其中，所述Y轴与所述Z轴的交点为W’，点W’为点A和点B的中点，过所述待测信号的位置C且与所述Y轴垂直的直线与所述Y轴的垂足为P’；
过点A和点C的直线与Z轴的夹角为所述第一角度信息α2，在△CP’A中存在公式六：tan(90°-α2)＝LCP’/LP’A，其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离；
过点B和点C的直线与Z轴的夹角为所述第二角度信息β2，在△CP’B中存在公式七：tan(90°-β2)＝LCP’/(LP’A+LAW’+LW’B)，其中，LCP’为点C和点P’的距离，LP’A为点P’和点A的距离，LAW’为点A和点W’的距离，LW’B为点W’和点B的距离；
根据所述公式六和所述公式七，求得LCP’和LP’A；
过点W’和点C的直线与Z轴的夹角为所述第三角度信息θ2，在△CP’W’中存在公式八：tan(90°-θ2)＝LCP’/(LP’A+LAW’)，根据所述公式八求得所述平面直角坐标系YW’Z中的第三角度信息θ2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，点W’到点C的距离为所述距离信息LW’C，在△CP’W’中存在公式九：LW’C 2＝LCP’ 2+(LAW’+LP’A)2，或sin(90°-θ2)＝LCP’/LW’C，或cos(90°-θ2)＝(LP’A+LAW’)/LW’C，根据所述公式九求得所述平面直角坐标系YW’Z中的距离信息LW’C。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一半圆阵列和所述第二半圆阵列分别采用下述方法，获得第一角度信息和第二角度信息：
根据数据模型Y(t)＝A′X(t)+N(t)进行数据矢量计算，其中，Y为阵列输出数据复向量，X为空间信号复向量，N为阵列噪声，A’为阵列的方向矩阵，A′＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θn)]；
计算X的协方差矩阵
Figure FDA0003064812530000031
对所述协方差矩阵进行特征值分解RY＝[U1，U2，…，UM]diag(λ1，λ2，…，λN)[U1，U2，…，UM]H，其中，M为阵列中天线的数量，λi为矩阵RY的第i个特征值，Ui为与特征值对应的特征向量；
根据分解的特征值构建相互正交的信号子空间US和噪声子空间UN，其中，信号子空间US为分解的特征值中D个大的特征值对应的特征向量组成的空间，噪声子空间UN为分解的特征值中M-D个小的特征值对应的特征向量组成的空间，其中，D为入射到阵列的空间信号的个数；
构造空间谱函数
Figure FDA0003064812530000032
在空间谱域求取普函数最大值，获得谱峰对应的角度，所述谱峰对应的角度为待测信号的角度。
12.一种定位系统，其特征在于，包括：处理器、存储器和权利要求1-4任一项所述的立体阵列天线。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序被执行时，使得所述定位系统执行权利要求5-11任一项所述的方法。
14.一种BLE芯片，其特征在于，包括CPU、存储单元和、RF控单元和权利要求1-4任一项所述的立体阵列天线。
15.一种无线MCU芯片，其特征在于，包括MCU控制单元、RF控制单元和权利要求1-4任一所述的立体阵列天线，MCU控制单元包括CPU和存储单元。
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