CN111077492A - 利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法：根据所要定位的区域面积和来波角度估计精度，选择定向天线的方向图波束宽度和方向图夹角；根据定向天线参数组装锚节点天线；根据水平方向图和垂直方向图的测量数据构造三维方向图数据，得到三个三维方向图的差分曲面数据；安装锚节点天线；在设定的时间内，得到三个板状定向天线所采集的来波信号强度并进行滤波处理，进行来波信号强度的差分计算，得到三个差分值；根据差分曲面数据和三个差分值进行来波角度估计，获得一组中间值；达到设定的n次重复，得到n组中间值并进行滤波，通过参考点的转换，得到应用于定位现场的来波角度值。本发明能够对于多径干扰和噪声干扰进行一定程度的抑制。

Description

利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法

技术领域

本发明涉及一种来波角度的估计方法。特别是涉及一种针对收发节点高度差的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法。

背景技术

随着无线局域网作为常用网络架构的普及，基于无线局域网(WLAN)的室内定位技术得到了迅速的发展。在WLAN信号已经大面积覆盖的环境中，如仓库、图书馆、机场大厅和医院等，由于全球定位***(GPS)的信号微弱不能提供定位服务，因此依靠智能手机、移动电脑或其他移动通信设备所携带的WLAN装置实现基于室内的定位已成为商业应用的重点。

在以WLAN为基础的室内定位***中，用于定位的测量物理量主要包括射频信号传播时间、入射角度和接收信号强度(Rss)。对于WLAN，信号传播时间的测量复杂度较高，它需要频率非常高的测量时钟以及精准的同步设计。而入射角度测量实现的方法通常是基于阵列天线以及精准的相位测量，对于WLAN而言众多阵元的阵列天线的采用造成设计成本高昂而不能接受，同时精准的相位测量与传播信号测量一样需要频率非常高并且精确的测量时钟。而Rss的获取比较容易，几乎所有移动终端都可实现，且成本低廉，较适用于WLAN条件下的室内定位。

目前基于Rss的定位主要是根据射频信号传播模型中Rss与信号传播距离之间的函数关系而开展的，这个射频信号传播模型受到了信号发射、接收设备的影响(如设备噪声)，更多的是受到了环境的影响(如信号遮挡、多径干扰和同频干扰等)。为了克服信号遮挡以及多径的影响，定位***中的锚节点天线通常的安装高度要高于被测节点天线。这样的设计增加了直射径存在的可能，但是多径的干扰依旧存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现提高定位精度和稳定性的利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法，是用于室内定位的采用具有三维方向图叠加效果的天线来估计来波角度的水平角和垂直角，具体包括如下步骤：

1)根据所要定位的区域面积和来波角度估计精度的要求，选择锚节点设计中的定向天线参数：方向图波束宽度和方向图夹角；

2)根据步骤1)中的定向天线参数对三个板状定向天线进行组装构成锚节点天线；

3)在暗室条件下，对锚节点天线中的每个板状定向天线进行水平方向图和垂直方向图的测量，然后根据水平方向图的测量数据和垂直方向图的测量数据构造三维方向图数据，根据三个板状定向天线的三维方向图数据得到三个三维方向图的差分曲面数据；

4)在定位现场安装锚节点天线，测量锚节点天线的高度以及锚节点天线主轴方向延长线与定位现场水平面的夹角，以及延长线在水平面投影与X轴的夹角；

5)在设定的时间内，采用分时方式读取构成锚节点天线的三个板状定向天线所采集的来波信号强度；采用均值法分别对读取的来波信号强度值进行滤波处理，得到滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度，然后进行来波信号强度的差分计算，得到三个差分值；

6)根据步骤3)得到的三个三维方向图的差分曲面数据和步骤5)中得的三个差分值进行来波角度估计，获得步骤5)所设定的时间内的来波角度估计的一组中间值；

7)重复步骤5)～步骤6)，达到设定的n次重复，得到n组中间值；

8)对步骤7)的n组中间值进行滤波处理，得到以定位现场锚节点天线为角度参考点的来波角度估计结果，然后通过参考点的转换，得到应用于定位现场的来波角度值。

步骤1)包括：

定向天线的方向图波束宽度和方向图夹角的选择范围是：波束宽度为20度～40度，方向图夹角为20度～40度，所述的方向图夹角为三个板状定向天线中任意两个定向天线的三维方向图的主轴方向之间的夹角，设定方向图波束宽度与方向图夹角的变化趋势是一致的，并将方向图波束宽度与方向图夹角的变化合并为一个参数的变化，当所述的定位区域面积增大时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而增大，最终的来波角度估计精度将降低；反之，当所述的定位区域面积减小时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而减小，最终的来波角度估计精度将提高。

步骤3)中：

所述的三维方向图数据是通过如下公式得到：

其中

为三维方向图，单位为分贝，其中的

θ分别对应着水平角和垂直角，单位为度；

为水平方向图，单位为分贝；G_V(θ)为垂直方向图，单位为分贝；

为归一化水平方向图、g_V(θ)为归一化垂直方向图；

所述的三个三维方向图的差分曲面数据获得是：将三个三维方向图数据在相同的水平角和垂直角索引下两两求差，得到三个三维方向图的差分曲面数据，三维方向图差分曲面数据的水平角和垂直角索引是相同的，从而构成三个三维方向图的差分曲面数据表。

步骤5)所述的来波信号强度的差分计算，是对于滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度进行两两差分运算，得到三个差分值，分别定义为第一差分值、第二差分值和第三差分值。

步骤6)是采用查表法在三个三维方向图的差分曲面数据表中，找到所述的三个差分值所对应的水平角和垂直角；包括：

(1)将来自天线1和天线2的第一差分值在天线1和天线2所对应的三维方向图的差分曲面数据表中进行查表处理，得到一个或多个等高线圈，定义为第一等高线圈，同理得到第二等高线圈和第三等高线圈；

(2)第一等高线圈、第二等高线圈和第三等高线圈两两之间的空间关系存在以下两种情况：A，当两种等高线圈相交时，存在相交点；B，当两种等高线圈不相交，两种等高线圈之间存在两个最接近点，将这两个最接近点的坐标的均值定义为准相交点；

(3)将得到的相交点或者准相交点所对应的水平角和垂直角定义为来波角度估计的一组中间值。

步骤8)包括：

采用统计方法中的聚类算法对多个连续的设定时间所获得的多组来波角度估计的中间值进行聚类分析，以聚类密度和置信度指标为判断标准，对每个设定时间内所获得的一组中间值进行筛选，筛选结果作为该设定时间内的来波角度估计值；

将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值转换为以定位现场原点为参考点的来波角度估计值，具体如下：

(1)将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值从球坐标系的坐标转换为以锚节点为原点的直角坐标系的坐标；

(2)根据步骤4)所获得的锚节点天线在定位现场的安装空间参数h、α和β，将以锚节点为原点的直角坐标系坐标进行原点移动变换，新的原点为定位现场原点，采用布尔沙模型进行三维坐标转换。

(3)将原点移动变换后的直角坐标系坐标转换为球坐标系坐标。

本发明的利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法，具有以下优势：

1，在锚节点的轴向方向上的一定的角度范围内，能够对于多径干扰和噪声干扰进行一定程度的抑制。

2，能够解决三维角度估计的问题。即锚节点与被测节点存在高度差，在这种条件下，利用三个定向天线的三维共点安装，估计被测节点的水平角和垂直角。

3，由于信号处理只是在锚节点一侧完成，对于被定位的移动终端的要求非常低，只需要有信号发射功能即可，因此具有较高的普适性。

附图说明

图1是锚节点天线中的三个板状定向天线构成示意图，图中箭头为各个板状定向天线的主轴方向；

图2是三个具有重叠关系的三维天线方向图的直角坐标系示意图；

图3是图2中的两个方向图曲面相互求差的方向图差分曲面示意图；

图4是锚节点天线与定位区域空间关系示意图；

图5是差分值在方向图差分曲面上获得的等高线圈示意图；

图6是多个等高线圈相交或准相交示意图，图中12表示第一等高线圈C12，13表示第二等高线圈C13，23表示第三等高线圈C23。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法做出详细说明。

本发明的利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法，是用于室内定位的采用具有三维方向图叠加效果的天线来估计来波角度(AoA)的水平角和垂直角，具体包括如下步骤：

1)根据所要定位的区域面积和来波角度估计精度的要求，选择锚节点设计中的定向天线参数：方向图波束宽度和方向图夹角；包括：

定向天线的方向图波束宽度和方向图夹角的选择范围是：波束宽度为20度～40度，方向图夹角为20度～40度，所述的方向图夹角为三个板状定向天线中任意两个定向天线的三维方向图的主轴方向之间的夹角，设定方向图波束宽度与方向图夹角的变化趋势是一致的，并将方向图波束宽度与方向图夹角的变化合并为一个参数的变化，当所述的定位区域面积增大时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而增大，最终的来波角度估计精度将降低；反之，当所述的定位区域面积减小时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而减小，最终的来波角度估计精度将提高。

2)根据步骤1)中的定向天线参数对三个板状定向天线进行组装构成锚节点天线；示意图见图1。

3)在暗室条件下，对锚节点天线中的每个板状定向天线进行水平方向图和垂直方向图的测量，然后根据水平方向图的测量数据和垂直方向图的测量数据构造三维方向图数据，根据三个板状定向天线的三维方向图数据得到三个三维方向图的差分曲面数据；其中，

所述的三维方向图数据是通过如下公式得到：

其中

为三维方向图，单位为分贝，其中的

θ分别对应着水平角和垂直角，单位为度；

为水平方向图，单位为分贝；G_V(θ)为垂直方向图，单位为分贝；

为归一化水平方向图、g_V(θ)为归一化垂直方向图。

所述的三个三维方向图的差分曲面数据获得是：锚节点天线中的三个板状定向天线的三维方向图主轴方向之间存在着夹角(方向图夹角)，三个板状定向天线的三维方向图不会完全重复，但是有相互重叠。从直角坐标系的角度描述，三个板状定向天线的三维方向图在相同的水平角和垂直角索引下具有不同的天线增益值。三个具有重叠关系的三维天线方向图的直角坐标系示意图见图2。将三个三维方向图数据在相同的水平角和垂直角索引下两两求差，得到(天线1-天线2)、(天线1-天线3)和(天线2-天线3)共三个三维方向图的差分曲面数据，三维方向图差分曲面数据的水平角和垂直角索引是相同的，从而构成三个三维方向图的差分曲面数据表。如图3所示为一个方向图差分曲面示意图。

4)在定位现场安装锚节点天线，测量锚节点天线的高度h以及锚节点天线主轴方向延长线与定位现场水平面的夹角α，以及延长线在水平面投影与X轴的夹角β；图4为安装参数示意图。

5)在设定的时间内，采用分时方式读取构成锚节点天线的三个板状定向天线所采集的来波信号强度(Rss)；采用均值法分别对读取的来波信号强度值进行滤波处理，得到滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度，是在设定时间内，假设无线信道环境稳定，被测终端没有发生位移，所采集的来波信号强度的变化只受到环境中呈现高斯分布的随机噪声的影响，因此采用均值法来抑制噪声的影响。然后进行来波信号强度的差分计算，得到三个差分值；

所述的来波信号强度的差分计算，是对于滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度进行两两差分运算，得到三个差分值，分别定义为第一差分值(R12)、第二差分值(R13)和第三差分值(R23)。

6)根据步骤3)得到的三个三维方向图的差分曲面数据和步骤5)中得的三个差分值进行来波角度估计，获得步骤5)所设定的时间内的来波角度估计的一组中间值；

是采用查表法在三个三维方向图的差分曲面数据表中，找到所述的三个差分值所对应的水平角和垂直角；包括：

(1)将来自天线1和天线2的第一差分值R12在天线1和天线2所对应的三维方向图的差分曲面数据表中进行查表处理，得到一个或多个等高线圈，定义为第一等高线圈C12，同理得到第二等高线圈C13和第三等高线圈C23；如图5所示为一个等高线圈的示意图。

(2)第一等高线圈C12、第二等高线圈C13和第三等高线圈C23两两之间的空间关系存在以下两种情况：A，当两种等高线圈相交时，存在相交点；B，当两种等高线圈不相交，两种等高线圈之间存在两个最接近点，将这两个最接近点的坐标的均值定义为准相交点；如图6所示展示了多个等高线圈相交或准相交的示意图。

(3)将得到的相交点或者准相交点所对应的水平角和垂直角定义为来波角度估计的一组中间值，因为这些结果并不是最终的来波角度估计值，所以称这些结果为在设定的时间内的一组来波角度估计的中间值。

7)重复步骤5)～步骤6)，达到设定的n次重复，得到n组中间值；

8)对步骤7)的n组中间值进行滤波处理，得到以定位现场锚节点天线为角度参考点的来波角度估计结果，然后通过参考点的转换，得到应用于定位现场的来波角度值。包括：

采用统计方法中的聚类算法对多个连续的设定时间所获得的多组来波角度估计的中间值进行聚类分析，以聚类密度和置信度指标为判断标准，对每个设定时间内所获得的一组中间值进行筛选，筛选结果作为该设定时间内的来波角度估计值；

将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值转换为以定位现场原点为参考点的来波角度估计值，具体如下：

(1)将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值从球坐标系的坐标转换为以锚节点为原点的直角坐标系的坐标；

(2)根据步骤4)所获得的锚节点天线在定位现场的安装空间参数h、α和β，将以锚节点为原点的直角坐标系坐标进行原点移动变换，新的原点为定位现场原点，采用布尔沙模型进行三维坐标转换；

(3)将原点移动变换后的直角坐标系坐标转换为球坐标系坐标。

Claims (6)

1.一种利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法，其特征在于，是用于室内定位的采用具有三维方向图叠加效果的天线来估计来波角度的水平角和垂直角，具体包括如下步骤：

1)根据所要定位的区域面积和来波角度估计精度的要求，选择锚节点设计中的定向天线参数：方向图波束宽度和方向图夹角；

2)根据步骤1)中的定向天线参数对三个板状定向天线进行组装构成锚节点天线；

3)在暗室条件下，对锚节点天线中的每个板状定向天线进行水平方向图和垂直方向图的测量，然后根据水平方向图的测量数据和垂直方向图的测量数据构造三维方向图数据，根据三个板状定向天线的三维方向图数据得到三个三维方向图的差分曲面数据；

4)在定位现场安装锚节点天线，测量锚节点天线的高度(h)以及锚节点天线主轴方向延长线与定位现场水平面的夹角(α)，以及延长线在水平面投影与X轴的夹角(β)；

5)在设定的时间内，采用分时方式读取构成锚节点天线的三个板状定向天线所采集的来波信号强度；采用均值法分别对读取的来波信号强度值进行滤波处理，得到滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度，然后进行来波信号强度的差分计算，得到三个差分值；

6)根据步骤3)得到的三个三维方向图的差分曲面数据和步骤5)中得的三个差分值进行来波角度估计，获得步骤5)所设定的时间内的来波角度估计的一组中间值；

7)重复步骤5)～步骤6)，达到设定的n次重复，得到n组中间值；

8)对步骤7)的n组中间值进行滤波处理，得到以定位现场锚节点天线为角度参考点的来波角度估计结果，然后通过参考点的转换，得到应用于定位现场的来波角度值。

2.根据权利要求1所述的利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法，其特征在于，步骤1)包括：

定向天线的方向图波束宽度和方向图夹角的选择范围是：波束宽度为20度～40度，方向图夹角为20度～40度，所述的方向图夹角为三个板状定向天线中任意两个定向天线的三维方向图的主轴方向之间的夹角，设定方向图波束宽度与方向图夹角的变化趋势是一致的，并将方向图波束宽度与方向图夹角的变化合并为一个参数的变化，当所述的定位区域面积增大时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而增大，最终的来波角度估计精度将降低；反之，当所述的定位区域面积减小时，方向图波束宽度的值要随定位区域面积而减小，最终的来波角度估计精度将提高。

3.根据权利要求1所述利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法的，其特征在于，步骤3)中：

所述的三维方向图数据是通过如下公式得到：

其中

为三维方向图，单位为分贝，其中的

θ分别对应着水平角和垂直角，单位为度；

为水平方向图，单位为分贝；G_V(θ)为垂直方向图，单位为分贝；

为归一化水平方向图、g_V(θ)为归一化垂直方向图；

所述的三个三维方向图的差分曲面数据获得是：将三个三维方向图数据在相同的水平角和垂直角索引下两两求差，得到三个三维方向图的差分曲面数据，三维方向图差分曲面数据的水平角和垂直角索引是相同的，从而构成三个三维方向图的差分曲面数据表。

4.根据权利要求1所述利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法的，其特征在于，步骤5)所述的来波信号强度的差分计算，是对于滤波后的来自于三个板状定向天线的来波信号强度进行两两差分运算，得到三个差分值，分别定义为第一差分值(R12)、第二差分值(R13)和第三差分值(R23)。

5.根据权利要求1所述利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法的，其特征在于，步骤6)是采用查表法在三个三维方向图的差分曲面数据表中，找到所述的三个差分值所对应的水平角和垂直角；包括：

(1)将来自天线1和天线2的第一差分值(R12)在天线1和天线2所对应的三维方向图的差分曲面数据表中进行查表处理，得到一个或多个等高线圈，定义为第一等高线圈(C12)，同理得到第二等高线圈(C13)和第三等高线圈(C23)；

(2)第一等高线圈(C12)、第二等高线圈(C13)和第三等高线圈(C23)两两之间的空间关系存在以下两种情况：A，当两种等高线圈相交时，存在相交点；B，当两种等高线圈不相交，两种等高线圈之间存在两个最接近点，将这两个最接近点的坐标的均值定义为准相交点；

(3)将得到的相交点或者准相交点所对应的水平角和垂直角定义为来波角度估计的一组中间值。

6.根据权利要求1所述利用三个共点安装的板状定向天线估计来波角度的方法的，其特征在于，步骤8)包括：

采用统计方法中的聚类算法对多个连续的设定时间所获得的多组来波角度估计的中间值进行聚类分析，以聚类密度和置信度指标为判断标准，对每个设定时间内所获得的一组中间值进行筛选，筛选结果作为该设定时间内的来波角度估计值；

将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值转换为以定位现场原点为参考点的来波角度估计值，具体如下：

(1)将以锚节点为角度参考点的来波角度估计值从球坐标系的坐标转换为以锚节点为原点的直角坐标系的坐标；

(2)根据步骤4)所获得的锚节点天线在定位现场的安装空间参数h、α和β，将以锚节点为原点的直角坐标系坐标进行原点移动变换，新的原点为定位现场原点，采用布尔沙模型进行三维坐标转换。

(3)将原点移动变换后的直角坐标系坐标转换为球坐标系坐标。

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