一种UWBAOA测量装置及方法与流程

本发明涉及无线电定位技术，特别涉及一种uwb aoa测量装置及方法。

背景技术：

1、在传统方法中的aoa基站阵列天线测角时，如果天线间距大于信号的半波长接收相位差值(phase differece ofarrival,pdoa)会产生模糊，即入射角相差整数周期倍2π的pdoa测量值相同，为平衡天线尺寸和精度，可采用长短基线法解模糊。但由于外界环境影响和测角范围限制，接收信号叠加干扰和噪声信号后，实际测量得到的pdoa值还可能产生“翻转”问题，即叠加干扰和噪声信号pdoa测量值“翻转”为与实际入射角相加得2π的另一角pdoa测量值相同，进而将导致入射方向判断错误，此外部分角度下由于三角函数的特性导致测角方法线性度较差，测量结果受噪声影响较大。

2、实际应用中，单个阵列上，信号入射角与pdoa值之间的关系可用三角函数表示，当入射角度在(-60°,0°),(0°，60°)区间时线性度较好、测角精度较高；而在±60°范围外测角精度较低，入射角度变化较大时pdoa值变化很小，若考虑测量误差则在±60°范围外测角精度会进一步下降。

3、传统的解模糊方法无法识别和校正“翻转”问题，导致测角错误和精度下降，而现有的阵列信号处理方法如esprit、music算法对于uwb信号而言，也很难获取到足够多的快拍数量，也无法有效解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种uwb aoa测量装置及方法，以优化相关技术中uwbaoa测量方法，通过长短基线结合，提升角度测量精度。

2、第一方面，本发明提供了一种uwb aoa测量装置，包括：一天线阵列，所述天线阵列包括第一天线、第二天线、第三天线及第四天线；其中所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线呈正三角形分布，各天线之间的第一间距小于所述第四天线位于所述第三天线的延长线上并与所述第三天线之间的第二间距大于所述第二天线、所述三天线和所述第四天线位于一条直线；其中，所述第二间距为所述第一间距的m-1倍，m为大于1的常数，λ为信号波长。

3、可选的，所述装置还包括处理模块和同步模块；所述处理模块和天线阵列连接,用于接收和处理所述天线阵列发出的信号；所述同步模块与所述处理模块连接，用于为所述处理模块提供相同时钟。

4、可选的，所述uwb处理模块包括第一uwb处理单元，第二uwb处理单元，第三uwb处理单元以及第四uwb处理单元；所述第一uwb处理单元与所述第一天线连接，用于获取所述第一天线的第一uwb信号；所述第二uwb处理单元与所述第二天线连接，用于获取所述第二天线的第二uwb信号；所述第三uwb处理单元与所述第三天线连接，用于获取所述第三天线的第三uwb信号；所述第四uwb处理单元与所述第四天线连接，用于获取所述第四天线的第四uwb信号，基于所述第一uwb信号、所述第二uwb信号、所述第三uwb信号以及所述第四uwb信号得到各天线之间的相位差值。

5、第二方面，本发明还提供了一种uwb aoa测量方法，采用所述uwb aoa测量装置，包括：

6、获取第一天线与第二天线之间的初始第一短基线相位差值，第一天线与第三天线之间的初始第二短基线相位差值，第二天线与第三天线之间的初始第三短基线相位差值；第二天线与第四天线之间的初始第一长基线相位差值，第三天线与第四天线之间的初始第二长基线相位差值；

7、判断所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值及所述初始第三短基线相位差值中是否存在翻转，若存在翻转，对所述初始第一短基线相位差值，所述初始第二短基线相位差值以及所述初始第三短基线相位差值进行翻转识别与修正，获得修正第一短基线相位差值、修正第二短基线相位差值以及修正第三短基线相位差值，基于所述修正第一短基线相位差值、所述修正第二短基线相位差值以及所述修正第三短基线相位差值解长基线模糊；若不存在翻转，使用所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值以及所述初始第三基线相位差值解长基线模糊；

8、选择第一短基线相位差值、第二短基线相位差值以及第三短基线相位差值中绝对值最小的两个短基线相位差值，若所述两个短基线相位差值中包括所述第三短基线相位差值，则使用所述第三短基线相位差值解长基线模糊；否则，使用所述第二短基线相位差值和所述第一短基线相位差值解长基线模糊；其中，所述第一短基线相位差值包括初始第一短基线相位差值和修正第一短基线相位差值；所述第二短基线相位差值包括：初始第二短基线相位差值和修正第二短基线相位差值；所述第三短基线相位差值包括初始第三短基线相位差值和修正第三短基线相位差值；

9、判断所述解长基线模糊是否成功；

10、若所述解长基线模糊成功，获取无模糊的长基线相位差值；选择所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值中绝对值小的短基线相位差值与所述无模糊的长基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角；

11、若所述解长基线模糊失败，选择所述第一短基线相位差值、第二短基线相位差值以及第三短基线相位差值中两个短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角。

12、可选的，若使用第三短基线相位差值解长基线模糊且所述解长基线模糊失败，则选择所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值中绝对值小的短基线相位差值与所述第三短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角；否则，选择所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角。

13、可选的，根据公式1判断所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值及所述初始第三短基线相位差值中是否存在翻转：

14、|ψ′20-ψ′21-ψ′10|＞t1 公式1

15、其中，t1表示角度，取π，ψ′10表示初始第一短基线相位差值，ψ′20表示第二短基线相位差值，ψ′21表示初始第三短基线相位差值；

16、若所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值和所述初始第三短基线相位差值满足公式1，则存在翻转，对所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值和所述初始第三短基线相位差值进行翻转识别和修正。

17、可选的，所述翻转识别和修正的步骤包括：对所述初始第一短基线相位差值、所述初始第二短基线相位差值和所述初始第三短基线相位差值的绝对值进行排序，先将绝对值排序第一的初始短基线相位差值取反之后带入所述公式1，另外两个初始短基线相位差值保持不变，若不满足所述公式1，则该绝对值排序第一的初始短基线相位差值发生翻转，开始进行修正；否则，再将绝对值排序第二的初始短基线相位差值取反之后带入所述公式1，另外两个初始短基线相位差值保持不变，若不满足所述公式1，则该绝对值排序第二的初始短基线相位差值发生翻转，开始进行修正；否则，绝对值排序第三的初始短基线相位差值发生翻转，开始进行修正。

18、可选的，若取反后的所述初始第一短基线相位差值，所述初始第二短基线相位差值和所述初始第三短基线相位差值不满足所述公式1，则所述初始第一短基线相位差值发生翻转，进行修正，所述修正第一短基线相位差值等于所述初始第一短基线相位差值*(-1)，所述修正第二短基线相位差值等于所述初始第二短基线相位差值，所述修正第三短基线相位差值等于所述初始第二短基线相位差值；

19、若取反后的所述初始第二短基线相位差值、所述初始第一短基线相位差值和所述初始第三短基线相位差值不满足所述公式1，则所述初始第二短基线相位差值发生翻转，进行修正，所述修正第二短基线相位差值等于所述初始第二短基线相位差值*(-1)，所述修正第一短基线相位差值等于所述初始第一短基线相位差值，所述修正第三短基线相位差值等于所述初始第三短基线相位差值；

20、若取反后的所述第三短基线相位差值、所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值不满足所述公式1，则所述第三短基线相位差值发生翻转，进行修正，所述修正第三短基线相位差值等于所述初始第三短基线相位差值*(-1)，所述修正第一短基线相位差值等于所述初始第一短基线相位差值，所述修正第二短基线相位差值等于所述初始第二短基线相位差值。

21、可选的，所述判断所述解长基线模糊是否成功，若所述解长基线模糊成功，获取无模糊的长基线相位差值的步骤包括：

22、根据公式2和公式3判断所述解长基线模糊是否成功：

23、

24、

25、其中，ψ31表示第一长基线相位差值，ψ32表示第二长基线相位差值，m为第二间距/第一间距；

26、若使用所述第三短基线相位差值解长基线模糊，则令所述公式2和公式3中的ψsa＝ψ21，得到k1和k2的第一实际值，其中，ψ21表示第三短基线相位差值；

27、判断k1的第一实际值是否满足范围：其中，l1表示第一长基线长度；若满足则所述第一长基线相位差值解模糊成功，此时的所述第一长基线相位差值为无模糊的第一长基线相位差值；

28、判断k2的第一实际值是否满足范围：其中，l2表示第二长基线长度；若满足则所述第二长基线相位差值解模糊成功，此时的所述第二长基线相位差值为无模糊的第二长基线相位差值；

29、若使用所述第二短基线相位差值和所述第一短基线相位差值解长基线模糊，则令所述公式2和公式3中的ψsa＝ψ20-ψ10，得到k1和k2的第二实际值，其中，ψ10表示第一短基线相位差值，ψ20表示第二短基线相位差值；

30、判断k1的第二实际值是否满足范围：若满足则所述第一长基线相位差值解模糊成功，此时的所述第一长基线相位差值为无模糊的第一长基线相位差值；

31、判断k2的第二实际值是否满足范围：若满足则所述第二长基线相位差值解模糊成功，此时的所述第二长基线相位差值为无模糊的第二长基线相位差值。

32、可选的，1＜m≤2时,根据公式2判断所述解长基线模糊是否成功，若解长基线模糊成功，获得无模糊的第一长基线相位差值。

33、可选的，所述第一长基线相位差值解模糊成功，若所述第一短基线相位差值小于所述第二短基线相位差值，使用所述第一短基线相位差值和所述无模糊的第一长基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

34、

35、

36、

37、若所述第一短基线相位差值大于所述第二短基线相位差值，则使用所述第二短基线相位差值和所述无模糊的第一长基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

38、

39、

40、

41、其中，表示无模糊的第一长基线相位差值，d表示短基线长度，即第一间距。

42、可选的，仅有所述第二长基线相位差值解模糊成功，若所述第一短基线相位差值小于所述第二短基线相位差值，则使用所述第一短基线相位差值和所述无模糊的第二长基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

43、

44、

45、

46、若所述第一短基线相位差值大于所述第二短基线相位差值，则使用所述第二短基线相位差值和所述无模糊的第二长基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

47、

48、

49、

50、其中，表示无模糊的第二长基线相位差值。

51、可选的，所述选择所述第一短基线相位差值、第二短基线相位差值以及第三短基线相位差值中两个短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角包括：选择所述第一短基线相位差值、第二短基线相位差值以及第三短基线相位差值中绝对值最小的两个短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角。

52、可选的，若所述绝对值最小的两个短基线相位差值为所述第一短基线相位差值和所述第三短基线相位差，使用所述第一短基线相位差值和所述第三短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

53、

54、

55、

56、若所述绝对值最小的两个短基线相位差值为所述第二短基线相位差值和所述第三短基线相位差，使用所述第二短基线相位差值和所述第三短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角，计算公式如下：

57、

58、

59、

60、若所述绝对值最小的两个短基线相位差值为所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值，使用所述选择所述第一短基线相位差值和所述第二短基线相位差值获取入射信号的方位角和擦地角的计算公式如下：

61、

62、

63、

64、其中，ψ10表示第一短基线相位差值，ψ20表示第二短基线相位差值，ψ21表示第三短基线相位差值。

65、相比于现有技术，本发明实施例提供的uwb aoa测量装置及方法，该uwb aoa测量装置包括一天线阵列，所述天线阵列包括3个短基线天线和1个长基线天线；其中3个短基线天线呈正三角形分布，长基线天线位于一条短基线的延长线上；本发明基于uwb相位差值测量的特性，优化了角度测量的阵列形式，通过等边三角形阵列的特性进行弥补现有测量方法中的不足，在等边三角形阵列的基础上，在3个短基线天线中某一天线的延长边上增加长基线天线从而增加了两条长基线解决了长基线模糊的问题，同时通过长短基线的组合，可以有效避免在uwb aoa中pdoa值测量过程中出现翻转无法解决导致测角失败、在阵列法向方向±60度范围外，pdoa值与实际角度线性度不够，受测量误差影响较大的问题，提升阵列测角精度。