CN114624742A - 用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置，该方法包括：通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据实际幅相数据和理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过最大似然优化目标函数，根据校准后的信号数据，获取目标定位参数。本发明提高了幅相误差校准效果，实现高精度、低时延的目标定位。

Description

用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置

技术领域

本发明涉及位置定位技术领域，尤其涉及一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置。

背景技术

全球卫星定位系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)的出现和普及，极大地解决了室外环境中的位置服务问题，但卫星信号存在强度低、易受遮挡的缺点，无法提供室内环境可靠的定位服务。并且，现有的室内定位技术还有许多亟待解决的问题，例如，未妥善利用信息源的所有信息进行定位，导致需要布署多个基站或装置以消除信息源的不稳定性，不但成本高、效率低，而且定位精度受基站布署数量影响，难以保证在各场景中的性能。

极化敏感阵列是一种能将信息源运用得更完善的阵列装置，它利用了阵元在空间中的极化特性，获取额外的空域信息，因此能使定位效果大幅提升。与标量阵列不同，极化敏感阵列由若干个极化选择特性不尽相同的天线组成，从而能以矢量方式观测信号波场，提取出更为细致的微观结构信息，为提高这列信号处理的性能奠定物理基础。与标量阵列相比，极化敏感阵列的优势主要在于：1、微观上能以矢量方式感知入射电磁波不同方向上的投影分量，宏观上又可提取入射波在特定媒介中传播所具有的空间相干特征；2、信号受极化域和角度域多参数影响，隐含的信号间相关度减弱，信源区分度增大；3、极化敏感阵列具有与信号参数有关的空域调制特性，抗相位模糊能力较强，可方便的实现空域稀疏布阵；4、高阶累积量域虚拟阵列的有效阵元个数高于同阵元数的标量阵列。

然而，尽管极化敏感阵列有如此之多的优势，应用却面临不小的问题。众所周知，多天线阵列普遍存在通道间失配误差，由于各阵元的射频走线长度或是极化匹配增益不尽相同，信号衰减程度不一，表现为各阵元接收信号存在不同程度的幅度增益和相位偏移。在标量阵列中这一误差容易消除，由于信号只受来波方向的影响，只须标定信源方向，实际接收信号幅相与理论值的差别，即为相应通道的失配误差；但极化敏感阵列接收信号时，还受到信号极化状态的影响，具体来说，受到来波极化辅助角和极化相位差的影响，虽然角度可以标定，但是信号极化状态是未知的，也就无法像标量阵列方便地求出失配误差。由于通道间失配误差对于系统运作的影响是致命的，在阵列定位系统中，如不加以估计和消除，则完全无法进行后续的参数估计和定位，这是阻碍极化敏感阵列在定位系统中应用的主要阻碍。因此，现在亟需一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置。

本发明提供一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，包括：

通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；

根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；

对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，所述辅助校准源是由圆极化信号源和线极化信号源组成的。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，包括：

通过圆极化校准源，获取所述信号数据的测量幅度值；

根据所述圆极化校准源的标称参数，计算得到理论幅度值；

基于通道幅度增益公式，根据所述测量幅度值和所述理论幅度值，获取每个通道的幅度增益，所述通道幅度增益公式为：

其中，

表示第i个通道的幅度增益，A表示理论幅度值，

表示测量幅度值，θ表示水平角，γ表示极化辅助角标称值，

表示极化辅助角测量值，η表示极化相位差。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，包括：

通过线极化校准源，获取所述信号数据的测量相位值；

根据所述线极化校准源的标称参数，计算得到理论相位值；

基于通道相位偏置公式，根据所述测量相位值和所述理论相位值，获取每个通道的相位偏置，以根据所述幅度增益和所述相位偏置，构建幅相增益失配矩阵，所述通道相位偏置公式为：

其中，

表示第i个通道的理论相位值，

表示第i个通道的测量相位值，

表示第j个通道的理论相位值，

表示第j个通道的测量相位值，ζ_j表示第j个通道的相位偏置。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，所述对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，包括：

对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦，得到解耦处理后的信号模型：

x(t)＝a_θ,φ,γ,ηs(t)+n(t)＝Q_θ,φh_γ,ηs(t)+n(t)；

a_θ,φ,γ,η＝UBψ_θ,φ,γ,η；

其中，x(t)表示接收信号，s(t)表示发送信号，n(t)表示加性高斯噪声；a_θ,φ,γ,η表示原始信号导向矢量，由空域相移矩阵U，极化敏感矩阵B，以及ψ_θ,φ,γ,η组成；ψ_θ,φ,γ,η为θ,φ,γ,η构成的函数，θ表示水平角，φ表示理论相位值，γ表示极化辅助角标称值，η表示极化相位差，ψ_θ,φ,γ,η通过解耦表示为：

其中，Q_θ,φ表示空域角度，h_γ,η表示极化域参数。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，所述通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，包括：

通过所述解耦处理后的信号模型，对所述校准后的信号数据的参数进行解耦，得到多个类型的参数；

通过最小二乘法，分别对不同类型的参数进行初始化，并通过所述最大似然优化目标函数，对初始化后的参数进行迭代求解，得到目标定位参数。

根据本发明提供的一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，在所述通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据之前，所述方法还包括：

将基站作为坐标原点，对辅助校准源进行标定；

根据预设周期，改变标定后的辅助校准源的方位角，以通过极化敏感阵列获取待定位终端发送的信号数据，其中，所述标定后的辅助校准源的俯仰角为零。

本发明还提供一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位装置，包括：

接收模块，用于通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；

校准模块，用于根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；

定位模块，用于对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以通过所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述极化敏感阵列的幅相误差校准方法的步骤。

本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法及装置，通过挖掘信号中更为细致的微观结构信息—极化信息，在微观上能以矢量方式感知入射电磁波在不同方向上的投影分量，宏观上又可提取入射波在传播中所具有的空间相干特征，极化-角度域相干结构信息辅之以空域相干结构信息，以及隐含的信号间相关度的减弱，从而改善空间源信号多维参数估计性能，提高了幅相误差校准效果，进而实现高精度、低时延的目标定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的预设阵元与参考阵元的接收信号相位差随方位角变化的示意图；

图3为本发明提供的三个阵元的实际接收信号幅度的示意图；

图4为本发明提供的定位算法的角度估计性能随信噪比变化的示意图；

图5为本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校正定位装置的结构示意图；

图6为本发明提供的电子设备的结构示意图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

针对现有室内定位技术存在的问题，例如，未妥善利用信息源的所有信息进行定位，导致需要布署多个基站或装置，以消除信息源的不稳定性，不但成本高、效率低，而且定位精度受基站布署数量影响，难以保证在各场景中的性能。阵列的布署是目前最具可行性的解决方案，通过阵列上的多个阵元，同时或按预先规定的顺序接收信号，可以消除大部分的信号不确定性，如相位偏移和环境噪声等；而极化敏感阵列作为一种将信息源运用得更完善的阵列装置，通过阵元在空间中的极化特性，获取额外的空域信息，因此能使定位效果大幅提升。

极化又称偏振，是所有矢量波的共有属性，对电磁波而言，极化是指传播空间任一点处电场的空间取向随时间变化的方式，可以由电场矢量端点随时间变化所形成的空间轨迹的形状和旋向来描述。信息获取与处理的常规手段，如雷达、通信等系统，多是基于均匀极化标量阵列，该类阵列由增益特性相同的多个天线组成，只可获得反映信号波场某剖面结构的标量信息，对信号极化这一矢量信息具有盲性。相应的，标量阵列信号处理通常也只能利用信号空域相干波前中所隐含的空间相位信息，其处理性能对阵列孔径的大小和信号波场均较为敏感，而对入射信号的极化方式有时还会呈现病态响应：由于单极化阵列所有天线单元仅由单一的极化方式，当入射信号的极化方式与之正交时，阵列将不会产生有效输出，后续信号处理自然无法进行。

与标量阵列不同，极化敏感阵列由若干个极化选择特性不尽相同的天线组成，从而能以矢量方式观测信号波场，提取出更为细致的微观结构信息。然而，多天线阵列普遍存在通道间失配误差，由于各阵元的射频走线长度或是极化匹配增益不尽相同，信号衰减程度不一，在极化敏感阵列中，表现为各阵元接收信号存在不同程度的幅度增益和相位偏移，在阵列定位系统中，如不加以估计和消除，则完全无法进行后续的参数估计和定位，这是阻碍极化敏感阵列在定位系统中应用的主要阻碍。

此外，不同的系统还存在由其工作特性所导致的其他误差，如蓝牙定位系统中，接收机采用单个下变频通道，意味着各天线分时接收信号，在这样的分时系统中还必须考虑累积的信号频率误差；WiFi定位系统中，则需要考虑去除数据包检测延迟、采样时钟偏移和中心频率偏移等导致的相位偏差；更一般地，在通信系统中，自动增益控制模块的不完善，收发机时钟不同步，锁相环误差带来的收发端中心频率不完全同步等硬件引起的误差，最终都会体现在数据中，并对定位产生不同程度的影响。

图1为本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，包括：

步骤101，通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据。

在本发明中，基站通过极化敏感阵列接收待定位终端的信号数据，待定位终端可以是用户手机终端或其他具有定位功能的移动终端；然后，通过辅助校准源对信号数据中的幅相信息进行提取，从而得到该信号数据对应的实际幅相数据。对于辅助校准源，需要说明的是，种类一般使用线极化和圆极化两种，其中，线极化源用于校准相位偏置，而圆极化源用于校准幅度增益。理论上来说，若辅助源均为理想信源，则任意一种即可校准幅度和相位，但是由于实际中，极化源的实际极化参数与设计标称值总是存在较大误差，比如，理想圆极化信源的轴比为1，但是由于制造工艺等的限制，实际中所达到的水平一般在2以上，导致实际测试得到的幅相数据与理想指标下得到的幅相数据相去甚远，本发明提供的校准方法一个重大优势就在于，无需考虑理想校准源，通过将圆极化信号源和线极化信号源进行组合，使用多种极化源，在特定的校准位置配合适当的校准方法，可以使得在部分极化参数存在误差情况下不影响相位或幅度关系。

步骤102，根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据。

在本发明中，根据校准源标称参数值，仿真计算得到理论幅相数据，通过结合实际幅相数据与理论幅相数据，计算各通道失配误差，从而得到幅相增益失配矩阵，进一步地，通过该幅相增益失配矩阵，对信号数据进行校准。

具体地，在本发明中，需要获得辅助校准源的极化参数标称值，按照实际场景仿真得到理论的各阵元接收信号，抽取幅相数据，即得到理论幅相数据。仿真过程需要与实际一致，重点是阵列结构阵型，信号模型和发送信号等，在一实施例中，阵列共包含六个双极化天线，每个双极化天线由一对相互正交的水平和垂直偶极子组成，所有阵元的朝向角各不相同且均匀间隔，信源发送的是采用GFSK调制的单音信号。

对于极化敏感阵列中的任意两个阵元，朝向角分别为α_i和α_j，他们之间的幅相关系完全由导向矢量a决定，而导向矢量a可以表示为：

其中，U为空域相移矩阵，当俯仰角为零时，该空域相移矩阵退化为单位阵，意味着空域角度引起的相移被抑制了；第i个阵元的幅度A_i和相位

由参数组(θ,γ,η)决定，当线极化信号η＝0，记

即使极化辅助角测量值

的数值不准确，仍然满足：

以阵元i为参考

阵元j的相位偏置为：

其中，

和

为相位测量值，即不同通道的测量相位值。

在仿真过程中，设定线极化参数的极化辅助角γ＝0，极化相位差η＝0，不失一般性，以阵元一为参考阵元，图2为本发明提供的预设阵元与参考阵元的接收信号相位差随方位角变化的示意图，可参考图2所示，理论值与测量值间存在一个固定偏差，即为对应阵元的相位偏置。

进一步地，幅度校准采用圆极化信源，阵元i的幅度校准公式为：

其中，

为幅度测量值。

在仿真过程中，设置极化辅助角

极化相位差

其余设置和线极化仿真过程无异，所有阵元的理论幅度变化区间均相同，图3为本发明提供的三个阵元的实际接收信号幅度的示意图，可参考图3所示，三个阵元各自处在不同的变化区间中，故所谓幅度校准，就是寻找一组乘性因子使得所有阵元处于同一变动区间，并且通常情况下进行归一化。

步骤103，对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

在本发明中，对信号模型进行改进，通过解耦空域角度与极化域参数，建立最大似然优化目标函数；然后，以最小二乘近似提供角度初值估计，进而通过交替迭代得到最终多维参数估值，即得到多个定位参数，其中，定位参数包括俯仰角、方位角、极化辅助角和极化相位差，若是确知信号，则还包含信号幅度、初始相位和频率等，并结合高度信息得到最终定位结果，结合已知基站高度信息和角度估值，从而对待定位终端实现定位。

本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，通过挖掘信号中更为细致的微观结构信息—极化信息，在微观上能以矢量方式感知入射电磁波在不同方向上的投影分量，宏观上又可提取入射波在传播中所具有的空间相干特征，极化-角度域相干结构信息辅之以空域相干结构信息，以及隐含的信号间相关度的减弱，从而改善空间源信号多维参数估计性能，提高了幅相误差校准效果，进而实现高精度、低时延的目标定位。

在上述实施例的基础上，所述辅助校准源是由圆极化信号源和线极化信号源组成的。

在上述实施例的基础上，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，所述方法包括：

通过圆极化校准源，获取所述信号数据的测量幅度值；

根据所述圆极化校准源的标称参数，计算得到理论幅度值；

基于通道幅度增益公式，根据所述测量幅度值和所述理论幅度值，获取每个通道的幅度增益，所述通道幅度增益公式为：

其中，

表示第i个通道的幅度增益，A表示理论幅度值，

表示测量幅度值，θ表示水平角，γ表示极化辅助角标称值，

表示极化辅助角测量值，η表示极化相位差。保持俯仰角φ＝0，以避免由于极化辅助角γ实际值偏离标称值而造成干扰。

在上述实施例的基础上，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，包括：

通过线极化校准源，获取所述信号数据的测量相位值；

根据所述线极化校准源的标称参数，计算得到理论相位值；

基于通道相位偏置公式，根据所述测量相位值和所述理论相位值，获取每个通道的相位偏置，以根据所述幅度增益和所述相位偏置，构建幅相增益失配矩阵，所述通道相位偏置公式为：

其中，

表示第i个通道的理论相位值，

表示第i个通道的测量相位值，

表示第j个通道的理论相位值，

表示第j个通道的测量相位值，ζ_j表示第j个通道的相位偏置。

在上述实施例的基础上，在所述通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据之前，所述方法还包括：

将基站作为坐标原点，对辅助校准源进行标定；

根据预设周期，改变标定后的辅助校准源的方位角，以通过极化敏感阵列获取待定位终端发送的信号数据，其中，所述标定后的辅助校准源的俯仰角为零。

在一实施例中，以基站为坐标原点，标定辅助校准源的相对位置为俯仰角为零，均匀改变方位角使其变化一周期。在本实施例中，可获取基站接收信号的离散采样数据，并分为同相和正交两路呈现，提取模长和辐角，即分别对应幅度和相位。需要说明的是，辅助源的相对位置可以根据具体情况进行设置，优选地，将俯仰角保持为零。此外，不同通信技术的信号具体形式不尽相同，只须保证提取出幅度相位分量，或者间接反映幅度和相位变化的变量即可。对于辅助源相对位置，需要说明的是，当进行相位校准时，必须保证其俯仰角为零。由于线极化信源的极化相位差一般较为准确，为

而极化辅助角未知或者数值不准确，因此在进行相位校准时，需要确保极化辅助角不对接收信号相位产生影响，或者不产生大的影响，前述措施的有益效果就在于此。

进一步地，在校准过程中，方位角变化的跨度可以根据实际情况自行设置，变化方位角有多个益处。首先，极化阵列中各阵元选择特性不尽相同，若固定某个方位角，极可能某些阵元接收极化方向与信号极化方向正交，轻则影响接收信号强度，重则被噪声淹没无法可用，造成校准结果不准确，而改变方位角可以确保每个阵元都能接收到优质信号；其次，在零俯仰角处，信源方位角较难确定，方位角变动整个周期方便接收数据与角度对应。当然，固定方位角依然可以计算出失配误差，可以根据实际情况选择，不做具体限制。在整个校准过程中，必须保持辅助校准源的极化状态固定不变。

另外，在本发明中，辅助校准源为非理想辅助校准源，可从天线设备制造商获得，校准所需方位角均匀变化条件，可借助自动转盘实现，数据预处理和幅相数据仿真可通过通用计算机进行。由于通道失配误差为固定的系统误差，因此校准工作是一劳永逸的，校准完成后获得幅相增益失配矩阵，进而补充至信号模型中。本发明提供的幅相误差校准方法，具有以下优点：1、无须理想校准源；2、校准方法简单易操作；3、一次性校准所有通道。

在上述实施例的基础上，所述对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，包括：

对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦，得到解耦处理后的信号模型：

x(t)＝a_θ,φ,γ,ηs(t)+n(t)＝Q_θ,φh_γ,ηs(t)+n(t)；

a_θ,φ,γ,η＝UBψ_θ,φ,γ,η；

其中，x(t)表示接收信号，s(t)表示发送信号，n(t)表示加性高斯噪声；a_θ,φ,γ,η表示原始信号导向矢量，由空域相移矩阵U，极化敏感矩阵B，以及ψ_θ,φ,γ,η组成；ψ_θ,φ,γ,η为θ,φ,γ,η构成的函数，θ表示水平角，φ表示理论相位值，γ表示极化辅助角标称值，η表示极化相位差，ψ_θ,φ,γ,η通过解耦表示为：

其中，Q_θ,φ表示空域角度，h_γ,η表示极化域参数。

在上述实施例的基础上，所述通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，包括：

通过所述解耦处理后的信号模型，对所述校准后的信号数据的参数进行解耦，得到多个类型的参数；

通过最小二乘法，分别对不同类型的参数进行初始化，并通过所述最大似然优化目标函数，对初始化后的参数进行迭代求解，得到目标定位参数。

由于极化敏感阵列定位的另一大难题在于定位算法，即便不考虑多径情况(虽然在实际场景中普遍存在)，对于单个入射源，决定性的参数包括：方位角、极化辅助角和极化相位差。此外，还可能包括不可知的信号(不确定该信号的来源)相关参数，如幅度和初始相位，因此参数估计的维度很高。此前有一些研究工作试图将标量阵列中的角度估计算法，如MUSIC算法、ESPRIT算法等，应用于极化敏感阵列并取得了一些成果。但是，直接在极化阵列中应用此类算法存在显著的缺陷，如MUSIC算法需要进行矩阵特征值分解，高维参数估计运算量过大，根本难以满足实时定位需求；ESPRIT则精度较低，且对阵列结构具有特定要求。因此，缺乏一种高精度、低时延的针对极化敏感阵列的定位算法。

在本发明中，由于极化敏感阵列接收信号不仅受来波角度影响，还受极化状态影响，因此定位算法需要克服的主要挑战在于降低计算复杂度，而定位最关注的只是角度参数，对角度和极化参数分开估计是可行的策略。考虑到在加性高斯白噪声背景下，最大似然算法是渐进最优估计算法，最接近性能下界，建立联合条件概率密度函数为：

其中，X＝[x(t₁),...,x(t_K)]，x(t_k)为第k个独立观测，Λ_k＝x(t_k)-Qhs(t_k)，为观测信号与理想信号误差；

R_n为噪声协方差矩阵，因此，最大似然参数估计式可表示为：

由于上式是非线性的，也不存在闭式解，一般是采用网格搜索方式求解最优值，但是由于参数空间维数较高，导致计算复杂度过高无法应用。在本发明中，定位算法是通过解耦不同类型参数，交替估计来降低复杂度。首先进行参数初始化，在给定角度情况下，伪信号的最小二乘估计为

为Q_θ,φ的伪逆矩阵,由此得到唯角度最大似然估计：

其中，

为样本协方差矩阵；接着，极化辅助角和极化相位差可以初始化为：

其中，

一旦角度和极化参数初始化后，优化步骤交替执行为：

{θ″,φ″}＝argmin_θ,φtr{R_Λ(θ,φ,γ′,η′)}；

{γ″,η″}＝argmin_γ,ηtr{R_Λ(θ″,φ″,γ,η)}；

其中，

表示Λ_k的协方差矩阵，Λ_k＝x(t_k)-Qhs(t_k)为观测信号与理想信号误差。

通过上述采用交替迭代估计的定位算法，虽然总体的参数空间维度很高，但每次只需估计部分参数，将另一部分参数固定，因此计算复杂度低，完全满足实时高精度定位需求。本发明定位算法的突出优点是：1、交替迭代估计，计算复杂度较低，满足实时定位要求；2、精度较高，相比现有的算法更接近克拉美罗界；3、无须指定初值，不存在初值依赖问题。本发明中的极化敏感阵列，可测量终端的三维角度，在基站高度保持恒定的情况下，通过几何变换即可转化为最终位置，因此支持单基站定位。

在一实施例中，图4为本发明提供的定位算法的角度估计性能随信噪比变化的示意图，可参考图4所示，假设入射信号参数为

角度和极化参数为v＝(60°,30°,45°,60°)，如图4所示，还展示了相应的角度估计克拉美罗界，为了进行算法对比，本实施例还分析了极化阵列中最常用的RD-MUSIC算法的测角性能。显然，即便不迭代，本实施例的算法性能也更为优异，尤其在低信噪比情况下更是如此，而迭代可以获得约20％的性能增益，并且一般只需2到3轮迭代即可收敛，计算开销较小。

图5为本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校正定位装置的结构示意图，如图5所示，本发明提供了一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位装置，包括接收模块501、校准模块502和定位模块503，其中，接收模块501用于通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；校准模块502用于根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；定位模块503用于对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以通过所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

在本发明中，通过部署用于极化敏感阵列的幅相误差校正定位装置，在不同环境中进行定位实验，包括空旷的室外和充满多径和电磁干扰的室内，在所有实验中，标签均按照指定的且各不相同的轨迹运动，通过定位实验得到的定位结果，观察到定位结果与真实轨迹基本重合，且环境的影响极为有限，得益于极化阵列的选择特性，处于阵元主瓣宽度之外的多径信号被有效抑制了。

本发明提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位装置，通过挖掘信号中更为细致的微观结构信息—极化信息，在微观上能以矢量方式感知入射电磁波在不同方向上的投影分量，宏观上又可提取入射波在传播中所具有的空间相干特征，极化-角度域相干结构信息辅之以空域相干结构信息，以及隐含的信号间相关度的减弱，从而改善空间源信号多维参数估计性能，提高了幅相误差校准效果，进而实现高精度、低时延的目标定位。

本发明实施例提供的装置是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图6为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)601、通信接口(CommunicationsInterface)602、存储器(memory)603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信。处理器601可以调用存储器603中的逻辑指令，以执行用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，该方法包括：通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

此外，上述的存储器603中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，该方法包括：通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，该方法包括：通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，包括：

通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；

根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；

对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以根据所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

2.根据权利要求1所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，所述辅助校准源是由圆极化信号源和线极化信号源组成的。

3.根据权利要求2所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，包括：

通过圆极化校准源，获取所述信号数据的测量幅度值；

根据所述圆极化校准源的标称参数，计算得到理论幅度值；

基于通道幅度增益公式，根据所述测量幅度值和所述理论幅度值，获取每个通道的幅度增益，所述通道幅度增益公式为：

其中，

表示第i个通道的幅度增益，A表示理论幅度值，

表示测量幅度值，θ表示水平角，γ表示极化辅助角标称值，

表示极化辅助角测量值，η表示极化相位差。

4.根据权利要求3所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，所述根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，包括：

通过线极化校准源，获取所述信号数据的测量相位值；

根据所述线极化校准源的标称参数，计算得到理论相位值；

基于通道相位偏置公式，根据所述测量相位值和所述理论相位值，获取每个通道的相位偏置，以根据所述幅度增益和所述相位偏置，构建幅相增益失配矩阵，所述通道相位偏置公式为：

其中，

表示第i个通道的理论相位值，

表示第i个通道的测量相位值，

表示第j个通道的理论相位值，

表示第j个通道的测量相位值，ζ_j表示第j个通道的相位偏置。

5.根据权利要求1所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，所述对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，包括：

对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦，得到解耦处理后的信号模型：

x(t)＝a_{θ，φ，γ，η}S(t)+n(t)＝Qθ_，φh_γ，ηS(t)+n(t)；

a_{θ，φ，γ，η}＝UBψ_{θ，φ，γ，η}；

其中，x(t)表示接收信号，s(t)表示发送信号，n(t)表示加性高斯噪声；a_{θ，φ，γ，η}表示原始信号导向矢量，由空域相移矩阵U，极化敏感矩阵B，以及ψ_{θ，φ，γ，η}组成；ψ_{θ，φ，γ，η}为θ,φ,γ,η构成的函数，θ表示水平角，φ表示理论相位值，γ表示极化辅助角标称值，η表示极化相位差，ψ_{θ，φ，γ，η}通过解耦表示为：

其中，Q_θ,φ表示空域角度，h_γ,η表示极化域参数。

6.根据权利要求5所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，所述通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，包括：

通过所述解耦处理后的信号模型，对所述校准后的信号数据的参数进行解耦，得到多个类型的参数；

通过最小二乘法，分别对不同类型的参数进行初始化，并通过所述最大似然优化目标函数，对初始化后的参数进行迭代求解，得到目标定位参数。

7.根据权利要求1所述的用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法，其特征在于，在所述通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据之前，所述方法还包括：

将基站作为坐标原点，对辅助校准源进行标定；

根据预设周期，改变标定后的辅助校准源的方位角，以通过极化敏感阵列获取待定位终端发送的信号数据，其中，所述标定后的辅助校准源的俯仰角为零。

8.一种用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于通过极化敏感阵列，获取待定位终端发送的信号数据，并对所述信号数据的幅相信息进行提取，得到对应的实际幅相数据；

校准模块，用于根据辅助校准源的标称参数，计算得到理论幅相数据，并根据所述实际幅相数据和所述理论幅相数据，获取各通道之间的失配误差，以根据所述失配误差构建的幅相增益失配矩阵，对所述信号数据进行校准，得到校准后的信号数据；

定位模块，用于对信号模型的空域角度和极化域参数进行解耦处理，构建最大似然优化目标函数，并通过所述最大似然优化目标函数，根据所述校准后的信号数据，获取目标定位参数，以通过所述目标定位参数对所述待定位终端进行定位。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述用于极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述极化敏感阵列的幅相误差校准定位方法的步骤。

Images