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 difference 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，同时利用ieee 802.15.4z最新标准的特性，利用同步段与加扰时间戳序列(scrambled timestamp sequence,简称sts)段之间的空隙，实现天线的切换，进而通过更少的接收机实现了uwb到达信号相位差测量，基于特殊阵列形式，以及uwb测量到达角的特性，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，处理模块以及切换模块；

3、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，其中，λ为信号波长，d为第一间距；

4、所述处理模块包括第一uwb处理单元和第二uwb处理单元；所述切换模块包括第一切换单元和第二切换单元，所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线及所述第四天线两两组合形成第一组天线和第二组天线；

5、所述第一uwb处理单元与所述第一切换单元相连，所述第一切换单元与所述第一组天线连接，所述第一uwb处理单元用于获取和处理所述第一组天线发送的uwb信号，所述第一切换单元用于切换所述第一组天线中与所述第一uwb处理单元通信的uwb天线；

6、所述第二uwb处理单元与所述第二切换单元相连，所述第二切换单元与所述第二组天线连接，所述第二uwb处理单元用于获取和处理所述第二组天线发送的uwb信号，所述第二切换单元用于切换所述第二组天线中与所述第二uwb处理单元通信的uwb天线。

7、可选的，所述第一uwb处理单元与所述第一组天线之间形成第一通道，所述第二uwb处理单元与所述第二组天线之间形成第二通道，所述第一通道的数据帧中包括第一数据帧和第二数据帧；所述第二通道的数据帧中包括第三数据帧和第四数据帧；接收过程中，通过切换所述第一组天线中的天线，分别获取所述第一数据帧和所述第二数据帧的到达信号相位差；通过切换所述第二组天线中的天线，分别获取所述第三数据帧和第四数据帧的到达信号相位差。

8、可选的，所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线及所述第四天线包括三种天线分组连接方式，第一种天线分组连接方式为：所述第一组天线包括第三天线和第四天线；所述第三天线和所述第四天线分别和所述第一切换单元连接，所述第一数据帧和所述第二数据帧通过所述第一切换单元获取所述第三天线和所述第四天线的到达信号相位差；所述第二组天线包括第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线分别和所述第二切换单元连接，所述第三数据帧和所述第四数据帧通过所述第二切换单元获取所述第一天线和所述第二天线的到达信号相位差。

9、可选的，第二种天线分组连接方式为：所述第一组天线包括第二天线和第四天线，所述第二天线和所述第四天线分别和所述第一切换单元连接，所述第一数据帧和所述第二数据帧通过所述第一切换单元获取所述第二天线和所述第四天线的到达信号相位差；所述第二组天线包括第一天线和第三天线，所述第一天线和第三天线分别和所述第二切换单元连接，所述第三数据帧和所述第四数据帧通过所述第二切换单元获取所述第一天线和所述第三天线的到达信号相位差。

10、可选的，第三种天线分组连接方式为：所述第一组天线包括第一天线和第四天线，所述第一天线和所述第四天线分别和所述第一切换单元连接，所述第一数据帧和所述第二数据帧通过所述第一切换单元获取所述第一天线和所述第四天线的到达信号相位差；所述第二组天线包括第二天线和第三天线，所述第二天线和第三天线分别和所述第二切换单元连接，所述第三数据帧和所述第四数据帧通过所述第二切换单元获取所述第二天线和所述第三天线的到达信号相位差。

11、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：

12、判断第一天线、第二天线、第三天线及第四天线的天线分组连接方式；根据所述天线分组连接方式获取同一通道的两个初始相位差值和同一时刻不同通道的两个初始相位差值；

13、判断四个所述初始相位差值中是否存在相位差值需要修正，若是，进行修正，获取修正相位差值，若否，保留初始相位差值；

14、获取解长基线模糊的短基线相位差值，所述短基线相位差值包括第一短基线相位差值、第二短基线相位差值和第三短基线相位差值；若所述天线分组连接方式为第一种天线分组连接方式或第二种天线分组连接方式，使用所述第一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三短基线相位差值获取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；所述第一短基线相位差值包括初始第一短基线相位差值、修正第一短基线相位差值和修正第一短基线相位差值的估计值；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；

15、判断所述解长基线模糊是否成功；

16、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；

17、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。

18、可选的，所述根据所述天线分组连接方式获取两两天线之间的初始相位差值的步骤包括：若为第一种天线分组连接方式或第二种天线分组连接方式获取第一天线和第三天线之间的初始第一短基线相位差值，第三天线和第四天线之间的初始第三短基线相位差值，第一天线和第二天线之间的初始第一相位差值，第二天线和第四天线之间的初始长基线相位差值；若为第三种天线连接方式获取所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一相位差值，第一天线和第四天线之间的初始第二短基线相位差值，第二天线和第三天线之间的初始第二相位差值。

19、可选的，所述判断四个所述初始相位差值中是否存在相位差值需要修正，若是，进行修正的步骤包括：若为第一种天线分组连接方式或第二种天线分组连接方式，根据公式1和公式2判断是否需要进行修正：

20、ψ′10·ψ′02>0 公式1

21、ψ′23·ψ′02>0 公式2

22、其中，ψ′02表示初始第一短基线相位差值，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；

23、若所述初始第一相位差值和所述初始第三短基线相位差值满足公式1和公式2则进入所述修正；

24、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、所述初始第三短基线相位差值、所述初始第一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：

25、t1＝c1+3σ

26、t2＝0+3σ

27、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；

28、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；

29、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；

30、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。

31、可选的，所述判断四个所述初始相位差值中是否存在相位差值需要修正，若是，进行修正的步骤包括：若为第三种天线分组连接方式，根据公式3、公式4和公式5判断是否需要进行修正：

32、

33、

34、

35、其中，ψ′12表示初始第二相位差值，ψ′30表示初始第二短基线相位差值，ψ′23表示初始第二短基线相位差值，表示第一短基线相位差值的估计值；

36、若所述初始第一相位差值和所述初始第二相位差值满足公式3、公式4和公式5则进入所述修正；

37、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、所述初始第一相位差值、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：

38、t1＝c1+3σ

39、t2＝0+3σ

40、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；

41、若满足|ψ′10|>t1且将-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；

42、若满足且||ψ′10|>t2，将作为的修正值；否则，保持初始值不变；获得修正第一短基线相位差值的估计值；

43、若满足|ψ′12|>t1且将-ψ′12作为ψ′12的修正值；否则，ψ′12保持初始值不变；获得修正第二相位差值。

44、可选的，所述使用所述第一短基线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：

45、设定长基线相位差值的判决范围；

46、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；

47、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；

48、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。

49、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：

50、

51、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：

52、

53、所述第一模糊周期系数的门限范围为：

54、所述获取第二估计值的公式为：

55、φ″13＝2k1π+ψ′13

56、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。

57、可选的，所述第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：

58、

59、

60、

61、其中，表示无模糊的长基线相位差值。

62、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，使用所述第一相位差值的估计值解长基线模糊的步骤包括：

63、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；

64、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；

65、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。

66、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：

67、

68、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：

69、

70、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二模糊周期系数的公式为：

71、

72、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二模糊周期系数的公式为：

73、

74、所述第二模糊周期系数的门限范围为：

75、

76、所述获取第四估计值的公式为：

77、

78、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，ψ′13表示初始长基线相位差值，l表示第三长基线长度。

79、可选的，所述第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：

80、

81、

82、

83、其中，表示无模糊的长基线相位差值。

84、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：当所述天线分组连接方式为第一种天线分组连接方式或第二种天线分组连接方式时，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与擦地角，计算公式为：

85、

86、

87、

88、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。

89、可选的，当所述天线分组连接方式为第三种分组连接方式时，使用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：

90、

91、

92、

93、其中，ψ30表示第二短基线相位差值，ψ23表示第三短基线相位差值。

94、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、处理模块以及切换模块；

95、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。所述处理模块包括第一uwb处理单元和第二uwb处理单元；所述切换模块包括第一切换单元和第二切换单元，所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线及所述第四天线两两组合形成第一组天线和第二组天线；所述第一uwb处理单元与所述第一切换单元相连，所述第一切换单元与所述第一组天线连接，所述第一uwb处理单元用于接收和处理所述第一组天线发送的uwb信号，所述第一切换单元用于切换所述第一组天线中发送信号的天线；所述第二uwb处理单元与所述第二切换单元相连，所述第二切换单元与所述第二组天线连接，所述第二uwb处理单元用于接收和处理所述第二组天线发送的uwb信号，所述第二切换单元用于切换所述第二组天线中发送信号的天线。本发明中，利用ieee 802.15.4z最新标准的特性，利用同步段与加扰时间戳序列段之间的空隙，实现天线的切换进而通过更少的接收机实现了uwb到达信号相位差测量。同时，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，在等边三角形阵列一条中垂线的延长边上增加一个天线，从而增加了阵列的基线数量，结合等边三角形阵列短基线，可以解决长基线模糊的问题，同时通过长短基线的组合，可以提高角度测量精度。本发明通过天线阵列的组合，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，提升阵列的测角精度。