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，通过引入多个相等基线长度、不同方位的阵列设计，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、所述第三天线和所述第四天线呈正三角形分布，各天线之间的第一间距小于所述第二天线与第四天线之间的第二间距大于第二天线与第四天线之间的第一连线与第一天线与第三天线之间的第二连线垂直；所述第二天线与所述第一连线和第二连线的交点的距离为所述第一间距的m倍，其中，λ为信号波长，d为第一间距。

3、可选的，所述装置还包括处理模块和同步模块；所述处理模块和所述天线阵列连接,用于接收和处理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、获取第一天线与第三天线之间的初始第一短基线相位差值，第一天线与第四天线之间的初始第二短基线相位差值，第三天线与第四天线之间的初始第三短基线相位差值；第二天线与第一天线之间的初始第一相位差值，第二天线与第三天线之间的初始第二相位差值，第二天线与第四天线之间的初始长基线相位差值；

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、所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一相位差值以及所述初始第二相位差值是否需要修正；若需要，进行所述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、修正第三短基线相位差值、修正第一相位差值以及修正第二相位差值；

8、判断第一短基线相位差值、第二短基线相位差值及第三短基线相位差值中绝对值最小的两个相位差值是否包括所述第一短基线相位差值，若是，使用所述第一短基线相位差值和所述第一相位差值或所述第一短基线相位差值和所述第二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三短基线相位差值获得所述第一短基线相位差值的估计值，使用所述估计值解长基线模糊；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；使用所述无模糊的长基线相位差值和所述第一短基线相位差值或其估计值获取入射信号的方位角与擦地角；

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、第三短基线相位差值中的两个短基线相位差值获取入射信号的方位角与擦地角。

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与擦地角；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与擦地角。

13、可选的，根据公式1、公式2、公式3及公式4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、所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一相位差值以及所述初始第二相位差值是否需要修正；

14、ψ′10·ψ′02>0      公式1

15、ψ′23·ψ′02>0      公式2

16、ψ′30·ψ′02>0      公式3

17、ψ′21·ψ′02>0      公式4

18、其中，ψ′02表示初始第一短基线相位差值，ψ′30表示初始第二短基线相位差值，ψ′23表示初始第三短基线相位差值，ψ′10表示初始第一相位差值，ψ′21表示初始第二相位差值；

19、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、所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一相位差值以及所述初始第二相位差值同时满足公式1至公式4则进入所述修正。

20、可选的，所述修正包括：根据第一阈值t1和第二阈值t2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、所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一相位差值以及所述初始第二相位差值是否需要进行修正；其中,所述第一阈值t1和所述第二阈值t2的表达式为：

21、t1＝c1+3σ

22、t2＝0+3σ

23、其中，t1和t2表示角度，σ表示天线阵列测量的相位差值标准差的估计值；c1为短基线法向方向±60度时短基线pdoa取值的绝对值；

24、若满足|ψ′10|>t1且|ψ′02|>t2，将-ψ′10作为ψ′10的修正值；否则，ψ′10保持初始值不变；获得修正第一相位差值；

25、若满足|ψ′02|>t1且||ψ′10|>t2，将-ψ′02作为ψ′02的修正值；否则，ψ′02保持初始值不变；获得修正第一短基线相位差值；

26、若满足|ψ′23|>t1且|ψ′02|>t2，将-ψ′23作为ψ′23的修正值；否则，ψ′23保持初始值不变；获得修正第三短基线相位差值；

27、若满足|ψ′30|>t1且|ψ′02|>t2，将-ψ′30作为ψ′30的修正值；否则，ψ′30保持初始值不变；获得修正第二短基线相位差值；

28、若满足|ψ′21|>t1且|ψ′02|>t2，将-ψ′21作为ψ′21的修正值；否则，ψ′21保持初始值不变；获得修正第二相位差值。

29、可选的，所述使用所述第一短基线相位差值和所述第一相位差值或所述第一短基线相位差值和所述第二相位差值解长基线模糊，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：

30、设定长基线相位差值的判决范围；

31、根据所述第一短基线相位差值和所述第一相位差值或根据所述第一短基线相位差值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第一估计值；

32、判断所述第一估计值是否在所述判决范围内，若是，所述长基线解模糊成功，使用所述第一估计值作为无模糊的的长基线相位差值；若否，获取所述长基线相位差值的第一模糊周期系数；

33、判断所述第一模糊周期系数是否在设定的门限范围内，若是，所述长基线解模糊成功；根据所述第一模糊周期系数获取所述长基线相位差值的第二估计值；使用所述第二估计值作为所述无模糊的的长基线相位差值。

34、可选的，，所述根据所述第一短基线相位差值和所述第一相位差值获取所述长基线相位差值的第一估计值的公式为：

35、

36、所述根据所述第一短基线相位差值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第一估计值的公式为：

37、

38、若根据第一短基线相位差值和所述第一相位差值获取所述长基线相位差值的第一估计值，则所述获取所述长基线相位差值的第一模糊周期系数的公式为：

39、

40、若所述根据所述第一短基线相位差值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第一估计值，则所述获取所述长基线相位差值的第一模糊周期系数的公式为：

41、

42、所述第一模糊周期系数的门限范围为：

43、

44、所述获取第二估计值的公式为：

45、φ″13＝2k1π+ψ′13

46、其中，φ′13表示第一估计值，φ″13表示第二估计值，ψ02表示第一短基线相位差值；ψ10表示第一相位差值，ψ12表示第二相位差值，ψ′13表示初始长基线相位差值，k1表示第一模糊周期系数，l表示第三长基线长度，m为第二天线与第一连线和第二连线交点的距离比上第一间距的倍数。

47、可选的，所述长基线相位差值解模糊成功，使用所述无模糊的长基线相位差值和所述第一短基线相位差值获取入射信号的方位角与擦地角的计算公式如下：

48、

49、

50、

51、其中，表示无模糊的长基线相位差值。

52、可选的，所述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得所述第一短基线相位差值的估计值，使用所述第一短基线相位差值的估计值解长基线模糊的步骤包括：

53、根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第一相位差值或根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第三估计值；

54、判断所述第三估计值是否在所述判决范围内，若是，所述长基线解模糊成功，使用所述第三估计值作为无模糊的的长基线相位差值；若否，获取所述长基线相位差值的第二模糊周期系数；

55、判断所述第二模糊周期系数是否在设定的门限范围内，若是，所述长基线解模糊成功；根据所述第二模糊周期系数获取所述长基线相位差值的第四估计值，使用所述第四估计值作为所述无模糊的长基线相位差值。

56、可选的，所述根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第一相位差值获取所述长基线相位差值的第三估计值的公式为：

57、

58、所述根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第三估计值的公式为：

59、

60、若根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第一相位差值获取所述长基线相位差值的第三估计值，则所述获取所述长基线相位差值的第一相位系数的公式为：

61、

62、若根据所述第一短基线相位差值的估计值和所述第二相位差值获取所述长基线相位差值的第三估计值，则所述获取所述长基线相位差值的第一相位系数的公式为：

63、

64、所述第二模糊周期系数的门限范围为：

65、

66、所述获取第四估计值的公式为：

67、

68、其中，表示第三估计值，表示第四估计值，表示第一短基线相位差值的估计值；k2表示第二模糊周期系数。

69、可选的，所述长基线相位差值解模糊成功，使用所述无模糊的长基线相位差值和所述第一短基线相位差值的估计值获取入射信号的方位角与擦地角的计算公式如下：

70、

71、

72、

73、其中，表示无模糊的长基线相位差值。

74、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、第三短基线相位差值值中的两个短基线相位差值获取入射信号的方位角与擦地角的步骤包括：选择所述第一短基线相位差值、第二短基线相位差值、第三短基线相位差值中绝对值最小的相位差值和与其对应基线不平行的另一基线的相位差值获取入射信号的方位角与擦地角。

75、可选的，选择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与擦地角，计算公式为：

76、

77、

78、

79、或选择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与擦地角，计算公式为：

80、

81、

82、

83、或选择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与擦地角，计算公式为：

84、

85、

86、

87、其中，ψ02表示第一短基线相位差值，ψ23表示第三短基线相位差值，ψ30表示第二短基线相位差值。

88、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、所述第三天线和所述第四天线呈正三角形分布，各天线之间的第一间距小于所述第一天线与所述第三天线对齐，所述第二天线与所述第四天线对齐，所述第二天线与第四天线之间的第二间距大于第二天线与第四天线之间的第一连线与第一天线与第三天线之间的第二连线垂直；所述第二天线与所述第一连线和第二连线的交点的距离为所述第一间距的m倍。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，在等边三角形其中一条中垂线的延长线上增加天线，从而增加了长基线，提高了测角精度；同时通过长短基线的组合，解决了长基线模糊的问题，通过本发明可以有效避免在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。