CN113709666A - 提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法及系统，该方法中蓝牙基站通过合理布局接收天线，同时满足形成均匀圆形和均匀线形接收天线阵列的条件，利用两种天线阵列以分时复用方式切换接收蓝牙信标发送的数据包，计算出信标的真实到达角。进一步的，该方法通过设计十字型交叉极化天线，从不同极化方向接收的信标数据包中选取信噪比较高的一组，从而增强基站对不同方向的蓝牙信号的接收能力，提升信标到达角的计算精度。本发明通过使用不同极化方向的天线阵列接收信标的数据包，克服了单一极化的天线阵列基站在复杂环境下测得的信标到达角波动较大的问题，提高了基站对信标的定位精度。

Description

提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法及系统

技术领域

本发明涉及天线设计、电磁波信号接收、空间谱估计算法等技术领域，尤其涉及一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法及系统。

背景技术

蓝牙角度定位(bluetooth positioning with direction finding)提供了基于到达角和发射角的两种不同定位方式，其中到达角定位是根据蓝牙基站不同天线接收到的蓝牙信号的相位差值，计算出蓝牙信号信源相对于基站的角度，从而使用多个基站得到的角度计算出信标的位置。与传统的蓝牙信号强度定位(bluetooth positioning withreceived signal strength indicator)相比，蓝牙角度定位可大幅提高定位精度，降低基站铺设密度，因而日渐成为蓝牙定位的前沿研究领域。蓝牙定位在智慧城市中的应用非常广泛，如解决机场、高铁站、地铁站等大型室内场所卫星数据不准确的难题，为商超百货行业提供消费者、员工、购物车等人员物资的位置服务，为企业提供固定资产管理与电子围栏，并在工厂自动化与智能监控和智能家居等领域均有一定的发展潜力。

根据蓝牙5.1的规范，蓝牙数据包中可以选择添加一段自定义长度的CTE(Constant Tone Extension)数据，其中包含了一连串的标识符号，并且该标识符号可以被接收器作为IQ样本数据采集。在接收器使用不同天线以分时复用切换接收CTE数据时，便可通过不同天线采集到的信号之间的相位差，计算出蓝牙信号的到达角。蓝牙到达角的精度主要取决于蓝牙基站天线阵列的设计和计算到达角的算法，由于一维的线形阵列天线无法同时获得信号的空间方位角和俯仰角信息，所以蓝牙定位基站的天线一般采用二维的矩形或圆形天线阵列。对于二维到达角的计算，一般采用空间谱估计算法，而由于蓝牙基站需要考虑体积因素，基站的天线数量往往受到限制，并且由于CTE数据长度在蓝牙规范中标定了上限，在使用空间谱估计算法计算到达角时会因天线数量和快拍数量较少，造成计算结果的较大波动。另外，由于多径效应的影响，接收的蓝牙信号相位信息会产生一定误差，且在复杂环境中该误差值将大幅上升。在多径效应干扰，天线数量与快拍数量有限的前提下，如何进一步提高蓝牙定位精度和稳定性已成为需要突破的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法及系统。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，所述蓝牙定位基站设有一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列。该方法包括以下步骤：

(1)均匀圆形阵列以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用二维空间谱多信号分类算法计算得到信标的空间方位角和俯仰角。

(2)选取均匀圆形阵列中4个阵列天线与位于圆心的参考天线进行组合，形成互相垂直的两组3天线均匀线形天线阵列，两组均匀线形天线阵列以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用一维空间谱多信号分类算法计算得到信标在两个线形阵列天线上的平面方位角，并将两个角度其进行组合，得到信标的空间方位角。

(3)判断步骤(1)与步骤(2)得到的空间方位角的绝对差值是否大于圆形阵列天线设计时的角度误差范围，若是，则舍弃该数据包；反之，则保留该数据包并使用步骤(1)的计算结果作为信标的到达角。

进一步地，所述参考天线和阵列天线均采用双极化微带天线且天线的两种极化方向互为垂直(十字型交叉)。

进一步地，所述步骤(1)和步骤(2)中，分别使用两种极化方向接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并选取两组IQ采样数据中信噪比较高的一组计算分别获得空间方位角和俯仰角、或空间方位角(由两个平面方位角组合得到)。

进一步地，所述步骤(1)中，所述均匀圆形天线阵列的半径应不大于：

其中，f为蓝牙信号的工作频率，c为电磁波在空气中的传输速度。

一种基于上述方法的蓝牙定位基站到达角计算系统，所述蓝牙定位基站设有一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列，该系统包括：

均匀圆形阵列控制模块，用于控制均匀圆形阵列以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用二维空间谱多信号分类算法计算得到信标的空间方位角和俯仰角。

均匀线形天线阵列控制模块，用于选取均匀圆形阵列中4个阵列天线与位于圆心的参考天线进行组合，形成互相垂直的两组3天线均匀线形天线阵列，两组均匀线形天线阵列以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用一维空间谱多信号分类算法计算得到信标在两个线形阵列天线上的平面方位角，并将两个角度其进行组合，得到信标的空间方位角。

判断模块，用于判断均匀圆形天线阵列与均匀线形天线阵列得到的空间方位角的绝对差值是否大于圆形阵列天线设计时的角度误差范围，若是，则舍弃该数据包；反之，则保留该数据包并使用均匀圆形天线阵列的计算结果作为信标的到达角。

本发明的有益效果如下：本发明提供的提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，在不改变均匀圆形阵列天线的半径的基础上，额外在中心位置添加一根天线，使其能够与外围的天线组成两组3天线均匀线形天线阵列，从而进一步验证蓝牙信标所在空间方位角，有效的解决了使用单一均匀圆阵天线阵列时，接收到的蓝牙信号因多径干扰造成相位的不稳定，从而导致信标到达角计算结果出现空间方位角度大幅波动的问题，提高了蓝牙基站在复杂环境下对蓝牙信标的到达角计算的稳定性。同时利用互为垂直的双极化天线设计接收蓝牙信标发送的数据包并选取信噪比较高的一组计算，进一步提升蓝牙基站对处于不同方位的蓝牙信标的到达角计算精度。本发明可以在提高蓝牙基站对信标的到达角计算精度的同时显著增强对信标到达角计算的稳定性，同时保持了基站天线阵列所需体积不变，提高产品的竞争力。

附图说明

图1为本发明蓝牙基站接收天线阵列布局示意图；

图2为本发明蓝牙基站单根接收天线示意图；

图3为本发明蓝牙信标二维到达角示意图；

图4为本发明两组线形天线阵列及其空间方位角度范围示意图；

图5为本发明根据两组线形天线阵列空间方位角筛除蓝牙数据包效果示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～2所示，为本发明实施例蓝牙基站接收天线阵布局示意图，接收天线阵采用8+1的天线设计，为使本实例更容易被理解，外围8根天线组成均匀圆形阵列，半径为蓝牙信号载波波长的一半，圆阵中心附加一根天线，并且所有天线均采用贴片微带天线，并带有互为垂直的两种极化方向。本发明中天线阵列使用多级射频开关以分时复用的方式切换运行，即同一时间只有一根天线在工作。所述8天线均匀圆形阵列天线的切换方式为从天线1逆时针切换到天线8，选取位于圆周上0度、90度、180度、270度的4个天线，与位于圆心的天线进行组合，形成两组互相垂直的3天线均匀线形阵列天线，切换方式为“天线1—天线9—天线5”和“天线3—天线9—天线7”。所述蓝牙信号的频率为2.402GHz～2.48GHz；所述接收天线阵中多级射频开关控制器的切换时间小于2微秒。

本发明采用稳定可靠的多信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法，通过天线阵采集到的IQ采样数据计算蓝牙信号的到达角。其中，均匀圆形天线阵列得到的IQ采样数据可使用2维多信号分类算法得到蓝牙信号的二维到达角即空间方位角θ₀和俯仰角α₀，均匀线形天线阵列得到的IQ采样数据可使用1维多信号分类算法得到蓝牙信号的一维到达角即平面方位角。如图3所示，空间方位角与俯仰角的角度取值范围均为0至360度，在此基础上再获得信标相对于基站的距离即球体的半径r，或使用多个基站获得单一信标的多个二维到达角，即可计算出信标的空间位置。

如图4所示，本发明使用了两组均匀线形天线阵列辅助判断蓝牙信号的空间方位角，由于单一线形阵列天线只能获取角度范围为0至180度的平面方位角θ₁和θ₂，将两组互为垂直的线阵得到的两个平面方位角进行组合，可以得到一个取值范围在0至360度的空间方位角θ₁₂，且由于圆阵接收到的IQ采样数据与线阵接收到的IQ采样数据之间的时间间隔很小(24微秒)，两种阵列接收到的蓝牙信号的空间方位角可以视作不变，故可使用两种天线阵列互相验证计算出的蓝牙信号空间方位角，从而筛除接收到的受环境干扰较严重的蓝牙数据包。具体筛除过程如下：

判断均匀圆形天线阵列与均匀线形天线阵列得到的空间方位角θ₀和θ₁₂的绝对差值是否大于圆形阵列天线设计时的角度误差范围，若是，则舍弃该数据包；反之，则保留该数据包并使用均匀圆形天线阵列的计算结果作为信标的到达角。

作为一优选方案，本发明采用了两种不同的天线极化设计，在均匀圆形天线阵列与均匀线形天线阵列接收蓝牙信标发送的数据包时，通过使用不同的极化方向采集同一蓝牙信标的IQ数据，从不同极化方向的两组IQ数据中选取信号信噪比较高的一组计算分别获得空间方位角和俯仰角、或空间方位角，具体如下：

均匀圆形阵列全部天线为极化方向一并以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，均匀圆形阵列全部天线为极化方向二并以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，对比极化方向一和极化方向二采集的两组IQ数据，选取信号信噪比较高的一组使用二维空间谱多信号分类算法计算得到信标的空间方位角和俯仰角。

同理，两组均匀线形天线阵列的全部天线为极化方向一并以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，两组均匀线形天线阵列的全部天线为极化方向二并以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，选取信号信噪比较高的一组使用一维空间谱多信号分类算法计算得到信标在两个线形阵列天线上的平面方位角，并将两个角度其进行组合，得到信标的空间方位角。

最后判断是否舍弃数据包。

为进一步说明本发明的优越性，给一个实施案例详细对比单一圆形均匀天线阵列的信标到达角计算结果与本发明到达角计算结果。

本发明实施例一：

设定蓝牙基站的地面高度为4米，蓝牙信标的地面高度为1米，且位于20°空间方位角的位置，蓝牙数据包中CTE长度为124微秒，基站接收的数据包总数为50个。使用单一均匀圆形天线阵列得到的计算结果如图5左所示，计算结果中包含有一部分离散的二维到达角。采用本发明的方法，使用额外的两组线形天线阵列筛除受环境干扰较严重的蓝牙数据包，使用两种极化方向接收蓝牙数据包并选取高信噪比一组作为数据组计算空间方位角，如图5所示，离散的二维到达角计算结果基本被筛除，且其余到达角计算结果分布更为密集，提升了信标到达角计算结果的精度和稳定性。

综上所述，本发明实施例提供了一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，可在保持蓝牙基站天线阵列大小不变的前提下，提高基站在复杂环境下对信标的定位能力，从而降低了基站铺设密度要求，节省了产品成本。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，其特征在于，所述蓝牙定位基站设有一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列。该方法包括以下步骤：

(1)均匀圆形阵列以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用二维空间谱多信号分类算法计算得到信标的空间方位角和俯仰角。

(2)选取均匀圆形阵列中4个阵列天线与位于圆心的参考天线进行组合，形成互相垂直的两组3天线均匀线形天线阵列，两组均匀线形天线阵列以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用一维空间谱多信号分类算法计算得到信标在两个线形阵列天线上的平面方位角，并将两个角度其进行组合，得到信标的空间方位角。

(3)判断步骤(1)与步骤(2)得到的空间方位角的绝对差值是否大于圆形阵列天线设计时的角度误差范围，若是，则舍弃该数据包；反之，则保留该数据包并使用步骤(1)的计算结果作为信标的到达角。

2.根据权利要求1所述提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，其特征在于，所述参考天线和阵列天线均采用双极化微带天线且天线的两种极化方向互为垂直。

3.根据权利要求1所述提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中，分别使用两种极化方向接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并选取两组IQ采样数据中信噪比较高的一组计算分别获得空间方位角和俯仰角、或空间方位角。

4.根据权利要求1所述提高蓝牙定位基站到达角计算精度和稳定性的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述均匀圆形天线阵列的半径应不大于：

其中，f为蓝牙信号的工作频率，c为电磁波在空气中的传输速度。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述方法的蓝牙定位基站到达角计算系统，其特征在于，所述蓝牙定位基站设有一个参考天线和l个以参考天线为圆心排布的阵列天线构成的均匀圆形阵列，该系统包括：

均匀圆形阵列控制模块，用于控制均匀圆形阵列以分时复用的方式逆时针或顺时针旋转切换阵列天线接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用二维空间谱多信号分类算法计算得到信标的空间方位角和俯仰角。

均匀线形天线阵列控制模块，用于选取均匀圆形阵列中4个阵列天线与位于圆心的参考天线进行组合，形成互相垂直的两组3天线均匀线形天线阵列，两组均匀线形天线阵列以分时复用的方式分别按照从一端到另一端的方向切换接收蓝牙信标发送的数据包，提取数据包中的IQ采样数据，并使用一维空间谱多信号分类算法计算得到信标在两个线形阵列天线上的平面方位角，并将两个角度其进行组合，得到信标的空间方位角。

判断模块，用于判断均匀圆形天线阵列与均匀线形天线阵列得到的空间方位角的绝对差值是否大于圆形阵列天线设计时的角度误差范围，若是，则舍弃该数据包；反之，则保留该数据包并使用均匀圆形天线阵列的计算结果作为信标的到达角。

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