一种基于阵列天线的信号到达角的测量方法、装置及设备与流程

1.本发明涉及通信技术领域，特别是指一种基于阵列天线的信号到达角的测量方法、装置及设备。


背景技术：

2.随着定位市场以及需求的高速发展，近年来精准定位业务的需求呈现爆炸式发展。为此，信号到达角测量技术为精准定位提供了一种技术方案。通过测量信号的到达角方向，可以确定待测设备相对于接收信号基站的位置，通过多个基站测量或者结合测量信号功率等方式确定待测设备位置。
3.目前基于到达角测量的定位方案，基站接收天线多采用矩阵或者环状设计，通过开关以一定周期轮询天线阵子。由于信号到达天线具有一定的到达角度，信号到达各天线的路程长度不同，所以各天线接收的信号具有相同频率不同相位，通过相邻天线接收信号的相位差；通过相位差可以得到信号到达相邻天线的路程差，并通过已知的天线间距，得到信号到达角。然后通过多基站联合定位或者结合测量信号功率等方式确定待测设备位置，实现对待测设备的定位。当前方案采用固定频率信号，这时为了保证基站可以接收并计算到一定范围内的到达信号角度，故会通过设计天线间距来满足。在设计该接收系统时，并不会从阵列天线装置上以及测量方法上考虑接收精度的问题。
4.现有技术缺点：测量时相邻天线阵子的间距相同，并且信号频率相同，所以到达角测量的精度以及测量覆盖的角度均为固定的(预先设计好的)，并且呈现相互制约的关系。故到达角测量的测量精度天然是有限制的，继而定位精度受到到达角测量的测量精度的限制。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于阵列天线的信号到达角的测量方法、装置及设备，可以实现更高精确度的到达角测量，进而提高基于到达角测量法的定位精度。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.一种基于阵列天线的信号到达角的测量方法，包括：
8.获取待测信号的第n次测量的信号到达角的值；
9.根据所述第n次测量的信号到达角的值以及第n 1次测量的信号到达角的预测值，确定第n 1次测量的信号到达角的目标值；所述第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积大于第n次测量的信号频率和天线阵间距的乘积，n为大于或者等于1的正整数，所述信号到达角的值与所述待测信号的信号频率和天线阵子间距的乘积相关。
10.可选的，信号频率和天线阵子间距的乘积为f
·
l，其中，f为信号频率，l天线阵子间距。
11.可选的，第n次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积fn·
ln和第n 1次测量的信
号频率和天线阵子间距的值fm·
lm满足：(fm·
lm)/(fn·
ln)小于δα
max
/δα
min
；
12.其中，δα
max
为第n 1次测量时，可测最大到达角α；δα
min
为第n次待测信号的信号到达角α的误差。
13.可选的，信号到达角α通过以下关系式确定：
[0014][0015]
其中，
[0016]
其中，δd为待测信号到达测量装置的天线的路程差，λ＝c/f，c为光速，f为待测信号的频率，待测信号的相位差的范围为通过测量得到，和分别为到达两个天线的到达角的相位值。
[0017]
本发明的实施例还提供一种基于阵列天线的信号到达角的测量装置，包括：
[0018]
获取模块，用于获取待测信号的第n次测量的信号到达角的值；
[0019]
处理模块，用于根据所述第n次测量的信号到达角的值以及第n 1次测量的信号到达角的预测值，确定第n 1次测量的信号到达角的目标值；所述第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积大于第n次测量的信号频率和天线阵间距的乘积，n为大于或者等于1的正整数，所述信号到达角的值与所述待测信号的信号频率和天线阵子间距的乘积相关。
[0020]
可选的，信号频率和天线阵子间距的乘积为f
·
l，其中，f为信号频率，l天线阵子间距。
[0021]
可选的，第n次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积fn·
ln和第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的值fm·
lm满足：(fm·
lm)/(fn·
ln)小于δα
max
/δα
min
；
[0022]
其中，δα
max
为第n 1次测量时，可测最大到达角α；δα
min
为第n次待测信号的信号到达角α的误差。
[0023]
可选的，信号到达角α通过以下关系式确定：
[0024][0025]
其中，
[0026]
其中，δd为待测信号到达测量装置的天线的路程差，λ＝c/f，c为光速，f为待测信号的频率，待测信号的相位差的范围为通过测量得到，和分别为到达两个天线的到达角的相位值。
[0027]
本发明的实施例还提供一种基于阵列天线的信号到达角的测量设备，包括：
[0028]
多频阵子天线阵列，用于接收到达的信号；
[0029]
射频收发器单元，用于将接收到的信号转换为基带信号，并对基带信号进行采样，得到信号的相位信息；以及如上所述的阵列天线角度信息的测量装置。
[0030]
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上所述的方法。
[0031]
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
[0032]
通过获取待测信号的第n次测量的信号到达角的值；根据所述第n次测量的信号到达角的值以及第n 1次测量的信号到达角的预测值，确定第n 1次测量的信号到达角的目标值；所述第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积大于第n次测量的信号频率和天线阵间距的乘积，n为大于或者等于1的正整数，所述信号到达角的值与所述待测信号的信号频率和天线阵子间距的乘积相关。可以实现更高精确度的到达角测量，进而提高基于到达角测量法的定位精度。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例的阵列天线角度信息的测量方法流程示意图；
[0034]
图2是本发明实施例的阵列天线角度信息的测量装置的示意图；
[0035]
图3是本发明实施例的联合测试示意图；
[0036]
图4是本发明实施例的多频天线模型。
具体实施方式
[0037]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0038]
如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于阵列天线的信号到达角的测量方法，包括：
[0039]
步骤11，获取待测信号的第n次测量的信号到达角的值；
[0040]
步骤12，根据所述第n次测量的信号到达角的值以及第n 1次测量的信号到达角的预测值，确定第n 1次测量的信号到达角的目标值；所述第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积大于第n次测量的信号频率和天线阵间距的乘积，n为大于或者等于1的正整数，所述信号到达角的值与所述待测信号的信号频率和天线阵子间距的乘积相关。
[0041]
该实施例采用多组信号频率和天线阵子间距的值联合测量的方法，来解决覆盖和测量精度无法兼得的问题，可以实现更高精确度的到达角测量，进而提高基于到达角测量法的定位精度。
[0042]
本发明的一可选的实施例中，信号频率和天线阵子间距的乘积为f
·
l，其中，f为信号频率，l天线阵子间距。
[0043]
本发明的一可选的实施例中，第n次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积fn·
ln和第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的值fm·
lm满足：(fm·
lm)/(fn·
ln)小于δα
max
/δα
min
；
[0044]
其中，δα
max
为第n 1次测量时，可测最大到达角α；δα
min
为第n次待测信号的信号到达角α的误差。
[0045]
信号到达角α通过以下关系式确定：
[0046]
[0047]
其中，
[0048]
其中，δd为待测信号到达测量装置的天线的路程差，λ＝c/f，c为光速，f为待测信号的频率，待测信号的相位差的范围为通过测量得到，和分别为到达两个天线的到达角的相位值。
[0049]
如图2所示，为本发明的上述实施例中的到达角测量装置的示意图，待测信号以角度α到达测量装置的天线，待测信号到达测量装置的天线的路程差为δd；天线间的距离为l。δd可以通过不同天线阵子接收的待测信号的相位差确定：
[0050][0051][0052]
其中，λ为信号的波长；不同天线阵子接收的待测信号经过射频收发器单元，并经过数据分析和处理单元计算可以得到
[0053]
故到达角可以通过三角函数关系得到：
[0054][0055]
代入λ＝c/f，c为光速，f为待测信号的频率。
[0056]
由于相位差超过2π，将会发生周期模糊，故待测信号的相位差的范围选取为当为
±
π时，为可以测量的待测信号的最大到达角α
max
，也就是覆盖角度。
[0057]
关于覆盖：根据公式，为了提高待测信号的可覆盖角度，可以通过减小f
·
l值实现，也就是降低待测信号的频率以及减小天线间距实现。
[0058]
公式可以表示为：
[0059][0060]
其中f
l
和l
l
为一组信号频率和天线间距选择，该选择越小，覆盖角度越大。也就是说当f
·
l减小到某一值时，一定可以满足测量系统所需的覆盖角度。
[0061]
关于测量精度(误差)：同时，由于相位噪声以及系统误差影响，测量的相位差具有一定的不可消除误差，即存在测量精度推算到待测信号的到达角上，待测信号的到达角也存在测量精度α
min
。根据公式，为了提高待测信号的到达角测量精度，可以通过提高f
·
l值实现，也就是增加待测信号的频率以及提高天线间距实现。
[0062]
公式可以表示为：
[0063]
其中fh和lh为一组信号频率和天线间距选择，该选择越大，测量精度越高。
[0064]
本发明的实施列中，通过改变频率以及天线间距，即f
·
l值。通过数次测量，每次
测量使得f
·
l值依次从小到大逐渐递增。
[0065]
除第一次测量外，每一次测量和其上一次(或多次)测量之间均呈联合测量，即每一次测量结果的输出均需依靠上一次(或多次)测量的结果进行辅助。
[0066]
采用联合测量是因为除第一次测量外，其余测量均无法独立满足测量系统所需的覆盖角度，在所需覆盖角度下，由于相位模糊，会得到多个入射角α值。故第二次测量需要通过第一次测量的结果从第二次测量得到的复数个入射角α值明确真正解。后续测量同理。
[0067]
同时，为了保证每次测量的精度误差不会被引入下一次的测量，故应对每次提高f
·
l值的倍数进行限制。假定第n次测量选取fn·
ln，第n 1次测量选取fm·
lm,那么(fm·
lm)/(fn·
ln)应小于δα
max
/δα
min
。
[0068]
通过该测试流程，可以显著降低测量系统误差带来的影响，提高到达角测量精度。
[0069]
一个具体的实施例，具体流程包括：
[0070]
首次测量：通过最低f
·
l值的测量满足所需的测量覆盖角度，也可以被称为粗测量，首次测量确定信号到达角α1；如图3中实线31，测量结果和误差用线34表示。
[0071]
然后，逐渐提高f
·
l值，通过数次测量逐渐提高到达角测量精度，也可以被称为细测量。由于提高了f
·
l值，在当前覆盖宽度下，测量会发生相位2π模糊，即无法确定测量相位差对应的信号到达角，如图3中线32，当测量相位差为90度时，在信号到达角处于-60到60中，有多个结果(-50，-20，10，40)，故需要第一次的测量结果进行辅助解算。(例如图3中，第一次解算，可以得到到达角处于-15到-25区间，那么可以得知-20的结果是准确的)。通过此方法每次测量均可在上一次测量的基础上获得更精确的到达角αn(如线33)，通过上述公式可以得知，其在保证测量覆盖角度的同时，相位差的误差可以降低(fh·
lh)/(f
l
·
l
l
)倍。如图3中线32，测量结果和误差如线33表示。
[0072]
同时，为了保证每次测量的精度误差不会被引入下一次的测量，故应对每次提高f
·
l值的倍数进行限制。假定第n次测量选取fn·
ln，第n 1次测量选取fm·
lm,那么(fm·
lm)/(fn·
ln)应小于δα
max
/δα
min
。
[0073]
再如图3所示，系统方案设计流程如下：
[0074]
首次测量需要保障天线能保障覆盖所需的测量角度。也就是需要选取最低的信号频率和天线阵子间距。完成测量后的结果为图3中线31所示。其中天线阵子间距设计是根据所用信号的频率以及系统所需的覆盖(一般为60度，
±
1/3π)得到。
[0075]
例：以wi-fi信号为例，最低频率为2.4ghz，故经过计算可以得到保障覆盖的天线阵子间距为7.2厘米。由于信号的相位噪声和系统误差导致相位差测量最大有10度的误差。到达角误差最大为5度，最小误差为2.75度。
[0076]
下次测量通过提高f
·
l值保证测量精度提高，同时需要注意每次测量的精度误差不会被引入下一次的测量，故应对每次提高f
·
l值的倍数进行限制。假定第n次测量选取fn·
ln，第n 1次测量选取fm·
lm,那么(fm·
lm)/(fn·
ln)应小于δα
max
/δα
min
。
[0077]
续例：第二次测量采用wi-fi的5.8ghz频率，天线阵子间距仍采用7.2厘米。满足(fm·
lm)/(fn·
ln)小于δα
max
/δα
min
条件，到达角测量误差降低两倍。(亦可采用固定频率改变天线阵子间距或频率和天线阵子间距同时改变)
[0078]
重复第二步，直到满足所需精度。
[0079]
该方案还有两种简化方案：一、固定天线间距l，采用多组信号频率f进行联合测
量；二、固定信号频率f，采用多种天线间距l进行测量。
[0080]
以下为实施例：
[0081]
具体实施例1(固定天线间距l，采用两组不同频率信号)：
[0082]
固定天线间距为7.2厘米，第一组信号频率为2.4ghz，第二组信号频率为5.8ghz。
[0083]
首先通过2.4ghz进行测量，可以保证可以测得
±
60度以内的到达信号。假设由于信号的相位噪声和系统误差导致相位差测量最大有10度的误差。到达角误差最大为5度，最小误差为2.75度。
[0084]
然后下一次通过5.8ghz信号进行测量，在这次的细测量中，假设由于信号的相位噪声和系统误差和上次保持一致，相位差最大有10度的误差。最终到达角最大误差约为1.22度，最小误差为1.15度。
[0085]
通过双频测量方案，到达角误差降低了2.25-4.35倍。
[0086]
具体实施例2(固定测量信号频率，采用多组不同天线间距)：
[0087]
测试信号频率为2.4ghz。八个天线阵子组成一个圆形天线阵列。相邻天线阵子间距为7.2厘米。对角天线阵子间距为18.8厘米。
[0088]
首先通过相邻天线阵子进行测量，可以保证可以测得
±
60度以内的到达信号。假设由于信号的相位噪声和系统误差导致相位差测量最大有10度的误差。到达角误差最大为5度，最小误差为2.75度。
[0089]
然后下一次通过对角天线阵子进行测量，在这次的细测量中，假设由于信号的相位噪声和系统误差和上次保持一致，相位差最大有10度的误差。最终到达角最大误差约为1.11度，最小误差为1.06度。
[0090]
通过该测量方案，到达角误差降低了2.48-4.7倍。
[0091]
具体实施例3(多频多天线间距)
[0092]
八个天线阵子组成一个圆形天线阵列。相邻天线阵子间距为7.2厘米。对角天线阵子间距为18.8厘米。频率最低的信号为2.4ghz，频率最高的信号为24ghz。
[0093]
为了保证覆盖首次测量选用相邻天线阵子和2.4ghz信号，为了得到最高精度，选择对角天线阵子和24ghz信号。假设由于信号的相位噪声和系统误差导致相位差测量最大有10度的误差。故需要额外一次测量保证测量误差不会传递，故选取5.8ghz和对角天线阵子作为中间过渡测量。
[0094]
首先通过相邻天线阵子进行测量以及2.4ghz信号进行测量，可以保证可以测得
±
60度以内的到达信号。到达角误差最大为5度，最小误差为2.75度。
[0095]
然后通过5.8ghz信号和对角天线阵子进行测量，缩小信号到达角范围。
[0096]
最后通过24ghz信号和对角天线阵子进行测量，到达角误差最大为0.036度，最小误差为0.035度。通过该方案，到达角误差降低76.4-142倍。
[0097]
本发明的实施例还提供一种基于阵列天线的信号到达角的测量装置，包括：
[0098]
获取模块，用于获取待测信号的第n次测量的信号到达角的值；
[0099]
处理模块，用于根据所述第n次测量的信号到达角的值以及第n 1次测量的信号到达角的预测值，确定第n 1次测量的信号到达角的目标值；所述第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积大于第n次测量的信号频率和天线阵间距的乘积，n为大于或者等于1的正整数，所述信号到达角的值与所述待测信号的信号频率和天线阵子间距的乘积相关。
[0100]
可选的，信号频率和天线阵子间距的乘积为f
·
l，其中，f为信号频率，l天线阵子间距。
[0101]
可选的，第n次测量的信号频率和天线阵子间距的乘积fn·
ln和第n 1次测量的信号频率和天线阵子间距的值fm·
lm满足：(fm·
lm)/(fn·
ln)小于δα
max
/δα
min
；
[0102]
其中，δα
max
为第n 1次测量时，可测最大到达角α；δα
min
为第n次待测信号的信号到达角α的误差。
[0103]
可选的，信号到达角α通过以下关系式确定：
[0104][0105]
其中，
[0106]
其中，δd为待测信号到达测量装置的天线的路程差，λ＝c/f，c为光速，f为待测信号的频率，待测信号的相位差的范围为通过测量得到，和分别为到达两个天线的到达角的相位值。
[0107]
需要说明的是，该装置是与上述方法对应的装置，上述方法实施例的所有实现方式均适用于该装置的实施例中，也能达到相同的技术效果。
[0108]
如图2和图4所示，本发明的实施例还提供一种阵列天线角度信息的测量设备，包括：
[0109]
多频阵子天线阵列，用于接收到达的信号；
[0110]
射频收发器单元，用于将接收到的信号转换为基带信号，并对基带信号进行采样，得到信号的相位信息；以及如上所述的阵列天线角度信息的测量装置。
[0111]
这里，多频阵子天线阵列：由多频率天线阵子组成，天线阵子间距为一种或多种。天线阵列用于接收到达的信号；为了使蓝牙天线实现多频化，需要给天线引入多个谐振频率点，一般有谐振分枝法、倍频法和添加寄生分枝法。
[0112]
谐振分枝法在同一天线上设计多个振子分枝，每一个分枝对应一个工作频段；
[0113]
倍频法是在一个分枝实现多个频段，其主要利用谐波原理在基波频率的奇次谐波点附近产生谐振点；寄生分枝法的思路是通过在天线附近增加短路的耦合枝节来产生高频谐振点。
[0114]
如下实施例给出一种采用谐振分枝法设计的多频天线。在传统pcb印刷偶极子天线的基础上设计两组双频谐振偶极子分枝，其宽偶极子负责辐射高频信号，窄偶极子负责辐射低频信号。
[0115]
射频收发器单元：将接收到的信号下变频为基带信号，并对信号进行采样，用于采集到达信号的相位信息；
[0116]
数据分析和处理单元：对采集到的到达角信号的相位信息进行处理和分析，解算出信号的到达角。
[0117]
本发明的上述实施例，在满足一定测量覆盖角度下，无法提高精度。申请提案通过多种频率及多种天线间距联合测量，可以保证一定测量覆盖角度下，大幅提高测量精度。
[0118]
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上所述的方法。上述方法实施例中的所有实现方式均适用
于该实施例中，也能达到相同的技术效果。
[0119]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0120]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0121]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0122]
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单元来实现本实施例方案的目的。
[0123]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0124]
所述功能如果以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、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0125]
此外，需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行，某些步骤可以并行或彼此独立地执行。对本领域的普通技术人员而言，能够理解本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本发明的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。
[0126]
因此，本发明的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本发明。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。还需要指出的是，在本发明的
装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。
[0127]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。