CN115278522A - Uwb信号入射角处理及定位方法、***、电子设备、介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种UWB信号入射角处理及定位方法、***、电子设备、介质，应用于信息处理技术领域，其中UWB信号入射角处理方法包括：通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；根据所述信道信息确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。通过增设天线切换开关，并基于天线切换前后UWB信号中多径的信道信息完成入射角计算，不仅处理精度满足应用需要，而且***结构简单，成本低，功耗低，可以灵活适应各种定位场景。
Description
技术领域
本申请涉及信息处理技术领域，具体涉及一种UWB信号入射角处理及定位方法、***、电子设备、介质。
背景技术
近年来，脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra Wide Band，IR-UWB，又称脉冲无线电)技术用于物体(如人、动物)定位，已被工业界、政府等接受，且随着制造成本、设备尺寸和能源消耗的降低，IR-UWB已被广泛用于定位场景，其应用范围包括集装箱定位、库存管理、采矿安全和保健等各个领域。由于IR-UWB信号具有精细的时间分辨率特性，通过这种方式可以实现非常精确的源定位。
现有定位技术中，主要有基于距离的TOA(time of arrival，到达时间)、TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)、基于角度的AOA(Angle of Arrival，到达角度)、基于相位差的PDOA(Phase Difference of Arrival，到达相位差)等技术，尤其是AOA技术所需基站少。
但是，现有方案在入射角(即到达角)计算时，一方面需要多副天线及相应多套接收设备，即使有些应用方案中可以在一套接收设备中共用同一个基带处理单元，但每副天线仍需要有相应的接收机通路(也称射频前端、射频通路等)，仅是基带处理单元根据不同天线及其接收机通路所接收信号的到达时间差或者角度差等指标来计算天线所接收信号的到达角度，导致AOA定位时方案较复杂，且基带处理单元的处理逻辑复杂，以及成本、功耗等较高；另一方面，对天线***的性能要求十分高，导致天线***非常复杂，成本和功耗居也高不下，而且在室内环境中多径效应严重影响方向判断，定位精度不高。
因此，在AOA应用中需要一种新技术方案，以结构简单且低成本、低功耗的新方案对达到角度(即入射角)进行精确处理。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种UWB信号入射角处理及定位方法、***、电子设备、介质，可以简化结构，降低成本、功耗，且定位精度高。
本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书实施例提供一种UWB信号入射角处理方法，包括：
通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；
根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；
根据所述传输延时确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。
本说明书实施例还提供一种UWB信号入射角处理***，包括目标天线、开关和接收机，其中所述接收机包括射频单元和基带处理单元，所述射频单元通过所述开关配置有多个所述目标天线；
所述基带处理单元被配置为执行以下操作：
通过所述开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；
根据解调出的所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；
根据所述传输延时确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。
本说明书实施例还提供一种UWB信号定位方法，包括：
获取至少一个入射角，其中入射角为基于本说明书中任意一项实施例所述的UWB信号入射角处理方法根据至少一个定位设备发射的UWB信号确定出的入射角；
基于所述第一入射角对目标所在位置进行定位。
本说明书实施例还提供一种UWB信号定位***，包括接收处理单元和至少一个定位设备；其中，所述定位设备用于发射UWB信号；所述接收处理单元用于获取所述定位设备对应的入射角，以及基于所述入射角对目标进行定位处理，所述入射角为基于本说明书中任意一项实施例所述的UWB信号入射角处理方法确定出的入射角。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
相比于传统的双天线及双接收设备的AOA计算方案，本申请仅需一套接收装置搭配多副天线进行AOA计算，即在接收装置内，在天线和接收前端之间增设天线切换开关，处理中通过及时切换接收天线，以及根据天线切换前后的信道接收情况获得各天线对应的信道信息，最后基于信道信息完成AOA定位计算，不仅能够基于一套接收设备配置多副天线实现高精度的AOA定位，而且可以简化设备内的电路结构，可以节省AOA定位设备内重复的电路，如设备中均只需一个射频、解调、信道、基带等电路单元，可以显著地降低电路功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是基于多接收机进行入射角计算及定位应用的结构示意图；
图2是接收机配置多副天线进行入射角计算及定位应用的结构示意图；
图3是本申请中UWB信号平行入射到天线阵列时入射角的示意图；
图4是本申请中一种UWB信号入射角处理方案的结构示意图；
图5是本申请中一种UWB信号入射角处理方法的流程图；
图6是本申请中UWB信号格式的结构示意图；
图7是本申请中基于UWB信号中SYNC字段进行天线切换及信道信息提取的示意图；
图8是本申请中基于UWB信号中SYNC字段和其他字段进行天线切换及信道信息提取的示意图；
图9是本申请中UWB信号中STS字段的结构示意图；
图10是本申请中基于UWB信号中STS字段进行天线切换及信道信息提取的示意图；
图11是本申请中UWB信号中RMARKER标记的示意图；
图12是本申请中一种UWB信号入射角处理***的示意图；
图13是本申请中一种UWB信号定位方法的流程图；
图14是本申请中一种基于单AOA基站的UWB信号定位方法的示意图；
图15是本申请中一种基于双定位设备的UWB信号定位方法的示意图；
图16是本申请中一种UWB信号定位***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
目前，AOA定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度，而且因角度误差对定位精度的影响远比测距误差大，一般不单独用于UWB定位，通常作为辅助手段进行初级粗定位。
现有AOA定位方案，主要有以下方案：
一是，传统AOA定位***中，通常使用多副天线及多套接收机设备，如图1所示，每套接收机配置一副天线作为测试站(Station)来获取到达角，比如二维测量中至少需要两套接收机和两副天线，比如三维测量中至少需要三套接收机和三副天线。因此，***构成复杂，定位逻辑计算多，实施成本高，***功耗大，且定位精度容易受到接收机处理性能影响，也容易受到天线之间的部署精度影响。
二是，AOA定位***中，一套接收机设备搭配多副天线，且在接收机设备内部设置有各天线对应的接收通道(即射频信号通道)，以及在基带处理中共用同一基带处理单元。如图2所示，接收机设备的基带处理单元可以分别对第一接收通道(如图中示意的第一射频前端)和第二接收通道(如图中示意的第二射频前端)提取信道参数后进行入射角计算，而除了基带处理单元共用外，在接收机内部仍需要配置有不同天线对应的接收通道，比如第一天线对应第一接收通道，第二天线对应第二接收通道等。因此，每副天线需要对应的接收通道，且各接收通道内仍然需要射频前端、解调单元等，设备构成仍较复杂，功耗也较高，以及定位精度容易受到天线和基带处理影响。
因此，基于AOA进行定位的入射角计算方案，不仅结构复杂，计算逻辑复杂，而且实施成本高，功耗高，以及定位精度有待提供
有鉴于此，发明人通过对常见的AOA定位算法、接收机进行调研分析，以及对入射角的计算方案进行深入研究及改进探索，对于等间隔线性排布的天线阵列，如图3所示，鉴于信号源与天线阵列之间的距离远大于天线阵列的阵元之间间距，这时信号源发出的信号每条多径在入射到各个天线阵元的波束可以认为是平行入射，即对于某条多径信号来说，其到达每个天线阵元的入射角均为θi角度。
假设信号源发送的信号为是s(t)，接收机的天线阵列由若干天线阵元按等间隔线性排布，比如天线单元共有m个。在考虑多径影响时，第m个天线阵元上的接收信号可以表示为
其中，Lp是多径个数，αi是第i条多径的复增益系数，τi,m是第i条多径在m个天线单元上的传输时延(或到达时间TOA)，nm(t)是第m个天线单元上的AWGN噪声(Additive WhiteGaussian Noise，加性高斯白噪声)。
当信号源与天线阵列之间距离足够远(即远远大于天线阵元之间间距d)，传输时延τi,m可以满足以下相互关系：τi,m＝τi,0+mdsinθi/c，其中θi是第i条多径入射到天线阵列时的入射到达角度(即入射角)，c为光速，m为阵元个数，d为相邻阵元之间的间距。
根据三角函数，入射到达角度θi与天线的到达时间之间关系可表示为：
鉴于光速c、阵元个数m和阵元间距d等参数均为已知参数，因而入射角的计算可以转化为计算信号的不同多径到达不同天线的时间差。
基于此，本说明书实施例提出了一种用于获取信号入射角的处理方案：如图4所示，在接收通道(如图中示意的射频通路单元)与多副天线之间增设天线切换开关，通过开关将天线接入接收通道进行切换控制，使得不同天线分时工作，从而可以根据切换前后获得相应信道信息，以基于同一接收通道和基带处理单元对处于工作状态的天线所接收信号的信道信息进行处理，最后基于信道信息中UWB信号到达不同天线的时间差获得对应的入射角，相对于传统的方案，可节省重复的部分电路单元，比如射频、解调、信道提取均只需要一个，就能实现多副天线可以共用一套接收机设备，且有效地降低设备功耗和成本。
鉴于信号源到天线的距离远远大于天线之间的距离，因而入射角和不同多径到达不同天线的时间差之间满足以下关系：
其中θ为入射角，△τ为多径到达不同天线的时间差，c为光速，D为天线之间的距离。
而多径到达每个天线的时间可以如采用前述传输延时τi,m，因而时间差△τ可以为多径到达两个天线对应传输延时之间的差值，而每个天线对应的传输延时可以基于天线所接收UWB信号时的信道信息得到。
因此，通过采用天线切换方案和基于信道信息估计，多副天线之间共用一套接收机设备，比如仅使用两副天线和一套接收装置，实现AOA定位中的入射角计算、定位等。相比于现有方案，不仅设备结构简单，大大降低设备的成本，也显著地降低了设备的功耗，而且计算逻辑简单，多径对定位精度的影响较小，可以提高精度。
本说明书中，同一个接收机设备可以配备多副天线，比如第一天线至第K天线，其中K为大于1的整数，通过多副天线和配合接收机进行高精度的UWB信号定位应用。虽然下面说明内容是以同一接收机设备配置两副天线为例进行示意说明，但本领域的技术人员应当理解的是，同一接收机设备配置的天线数量可以大于等于两副，而且数据处理方式与两副天线可以相似。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
如图5所示，本说明书实施例提供一种UWB信号入射角处理方法，可包括：
步骤S202、通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号。
实施中，多个目标天线可以共用一套接收机设备，这时可通过天线切换开关在指定的预设时间内将目标天线切换到工作状态，便于处于工作状态的天线接收UWB信号，从而后期可以从该UWB信号中提取出信道信息。
需要说明的是，预设时间可以是用于切换天线的预先确定时间(或者时时刻)，比如先让第一天线处于工作状态，在基于第一天线接收到的UWB信号后，可基于UWB信号中的特性时刻作为第二天线的切换时刻。
步骤S204、根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息。
实施中，UWB信号是一类持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，因而多径信号在时间上可分离，这时在对UWB信号进行处理中，不仅可以从UWB信号中提取出各个多径信号，而且还可以获得各个多径信号的传输时间(即自信号发射到信号被解调出之间的总时间)，从而可以获得各个多径信号入射到处于工作状态的目标天线接收并被接收后对应的时间差。
实施中，根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息，可以是提取所述UWB信号中的不同多径对应的传输延时，以此来反应天线对应的信道信息。因此，可利用信道估计方法提取传输延时，比如基于时间序列进行信道估计，比如基于参考信号进行信道估计等等。
虽然能够从UWB信号中确定出每一个多径对应的信道信息，但是最前径可以理解为直射径，以及直射径对应的信道信息最能反映信道特征，因而可以根据直射径提取信道信息。
实施中，在接收到所述UWB信号时，可以从接收的所述UWB信号中确定出直射径信号，从而根据所述直射径信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息。
通过根据直射径提取信道信息，不仅能够保证信道信息提取的准确性满足应用精度要求，而且极大地简化了数据处理，有利于简化硬件结构和数据处理时所需性能要求，有利于降低成本和功耗，也有利于提高UWB定位方案的灵活性和环境适应能力。
步骤S206、根据所述传输延时确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。
将传输延时作为时间差时，入射角与传输延时之间满足如下关系：(τi,m-τi,1)c＝(m-1)dsinθi，其中τi,m是第i条多径在m个天线阵元上的传输时延，θi是所述UWB信号的第i条多径在入射到处于工作状态的所述目标天线时的入射角，c为光速，m为处于工作状态的所述目标天线中天线阵元个数，d为处于工作状态的所述目标天线中相邻天线阵元之间的间距。
在对UWB信号处理中获得出各个多径的传输延时后，可以基于传输延时获得各个多径在入射到目标天线时对应的入射角。计算中，鉴于天线阵元之间的距离d远远小于发射UWB信号的信号源与天线之间的距离L，因而某一个多径信号可以看作均平行地入射到目标天线的各个天线阵元，这时同一多径信号的入射角相同，从而可以基于天线阵元之间的几何关系(可参见附图3的示意)及三角函数计算出入射角θ，其中第i个多径经天线接收时的入射角与传输延时之间满足如下关系：(τi,m-τi,1)c＝(m-1)dsinθi。
通过步骤S202至S206，在采用天线切换方式后，并在合适时间切换工作天线，可以仅基于同一接收装置配置多副天线进行AOA(到达角，即入射角)计算，而且在基于UWB信号提取出各个多径对应的信道信息后，可以基于时间差和天线阵列的几何参数(如阵元之间的间距)，对各个多径入射到天线时的入射角进行精确计算。因此，相比于现有基于AOA进行定位的方案，本申请不仅能够简化接收机设备的***构成，可以大大降低接收机设备成本和功耗，而且还保证了各个多径的入射角具有良好精度，可以避免多径对AOA定位的精度影响，提高了AOA定位精度和在各种定位场景中的可用性，有利于低成本、低功耗地在各种应用场景中基于AOA进行定位应用。
在一些实施方式中，UWB信号可以为按802.15.4标准规定的PPDU(PresentationProtocol Data Unit，表示协议数据单元)格式的信号。
如图6所示，UWB信号可以为这四种PPDU格式中的任意一种信号。其中，在第一种格式中数据字段依次为SYNC字段、SFD字段、PHR字段和PHY Payload字段(也可简称Payload字段)；在第二种格式中数据字段依次为SYNC字段、SFD字段、STS字段、PHR字段和PHY Payload字段；在第三种格式中数据字段依次为SYNC字段、SFD字段、PHR字段、PHY Payload字段和STS字段；在第四种格式中数据字段依次为SYNC字段、SFD字段和STS字段。
需要说明的是，各种格式中数据字段及其具体数据内容可参见802.15.4标准，这里不再赘述。
因此，在根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息，可以根据实际应用中天线所接收的相应数据格式，并依据对UWB信号提取信道信息的方案进行提取。
在一些实施方式中，鉴于每种PPDU结构格式中均包含有SYNC字段，可以基于SYNC字段提取信道信息。因此，可以根据天线接收SYNC字段的情况进行天线切换及信道信息提取。
如图7所示，在基于SYNC字段进行目标天线工作状态切换及信道信息提取时，当利用前第一长度(比如前N个)的符号完成第一目标天线的信道估计后，及时将第二目标天线切换到工作状态，这时第二目标天线可以接收第二长度(比如M个)的符号，从而第二目标天线可以从第二长度的符号序列的起始符号进行信道估计。需要说明的是，在第二目标天线接收完第二符号序列后，可以及时切换其他天线为工作状态，这里不再展开。
实施中，通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号可包括：在将第一目标天线切换为工作状态后，当通过所述第一目标天线接收到所述SYNC字段中第一长度的第一符号序列时，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态以使所述第二目标天线用于接收所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列；
以及，根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息可包括：利用第一本地序列与所述第一符号序列进行相关运算得到第一相关系数，其中所述第一相关系数用于作为所述第一目标天线接收所述UWB信号时对应的第一信道信息。
实施中，通过预设的本地序列和天线接收到的符号序列进行相关运算，从而可以在相关运算后获得这两个序列之间的相关性。
需要说明的是，前述的第一长度、第二长度、本地序列等，可以根据应用需要而预先确定，比如信道精度要求(如累计到一定符号数)。通过这些参数可以及时地对天线进行切换以及从接收的符号序列中获取出信道信息。
通过在第一天线接收到SYNC字段中的第一符号序列，就立即将第二天线切换为工作状态，不仅能够使得第一天线的信道信息可以基于该第一符号序列进行信道信息提取，而且能够使得第二天线的信道信息可以基于第二符号序列进行提取，从而信道信息可以基于UWB信号中的SYNC字段提取。
在一些实施方式中，可以以符号长度为周期长度进行循环相关运算得到第一相关系数，其中第一相关系数与第一本地序列和第一符号序列之间的关系如下：
其中，xi(n)为相关系数，s 0 i(n)为第i个符号序列，s 1 i(n)为用于对第i各符号序列进行相关运算的第一本地序列，其中n＝0，1，.....，L-1，L为符号长度。
通过以符号长度为周期长度进行循环的相关系数提取运算，运算简单，性能开销小，设备硬件成本低，功耗地，进一步提高了UWB定位方案在不同场景中的灵活性，适应能力更强。
在一些实施方式中，在基于本地序列和第一符号序列提取出相关系数后，还可以对相关系数进行数据平滑处理。
实施中，可以采用N个符号序列的相关系数作平均的数据平滑得到第一相关系数以作为第一信道信息，平均运算如下：
其中，第一信道信息记为h1(n)，N为大于1的整数，xi(n)为相关系数。另外，N取值具体可以根据应用需要而设置，这里不作限定。
在一些实施方式中，其他天线的信道信息也可以参照第一目标天线的进行相应处理，这里不再展开说明。
通过采用相同或相似处理方案，可以简化整体设计，提高处理效率，降低硬件成本和功耗，进一步提高UWB定位方案的灵活性和在不同场景的适应能力。
在一些实施方式中，鉴于同一信号源到同一接收机设备(或者说是多个目标天线)之间的距离通常远远大于多个目标天线之间的距离，因而同一信号(或者说同一多径)基本可以看作是平行地入射到多个目标天线，即信号入射到多个目标天线对应的入射角基本相同。因此，可以基于多个目标天线对应的信道信息共同确定入射角。
在一种示例中，在利用第二本地序列与所述第二符号序列进行相关运算得到第二相关系数后，其中所述第二相关系数用于作为所述第二目标天线接收所述UWB信号时对应的第二信道信息，可以根据第一目标天线对应的第一信道信息和第二目标天线对应的第二信道信息共同确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角。
实施中，入射角与信道信息之间的关系如下：
其中，θ为所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，c为光速，D为所述第一目标天线和所述第二目标天线之间的距离，△τ为根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的时间差。需要说明的是，△τ是同一信号(或者说同一多径)入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的时间差。
因此，鉴于每一个多径均有对应的传输延时，因而基于两个目标天线的信道信息可以准确地获取出同一多径对应的入射角。
考虑到直射径能够反应信号的入射情况，可以将两副目标天线接收各自对应的直射径用于提取信道信息，以及基于提取的信道信息进行入射角处理。
假设，第一目标天线和第二目标天线各自对应的信道信息分别是
和
其中，Lp1为第一长度，Lp2为第二长度，h1，i(t-τ′1，k)为第i个多径入射到第一目标天线时第k个符号对应的信道信息，h2，i(t-τ′2，k)为第i个多径入射到第二目标天线时第k个符号对应的信道信息。
因此，在取直射径作为提取信道信息时，即将最前径作为直射径，第一目标天线和第二目标天线分别对应的信道信息记为h1，0(t-τ1，0)和h2，0(t-τ2，0)。可通过该信道信息计算出直射径到达两天线的时间差dτ。
实施中，时间差dτ(也可记为△τ，不作区分)可以有以下两种计算方式：
(1)直接计算：dτ＝τ′2，0-τ′1，0；
(2)按角度计算：dτ＝(angle(h2，0)-angle(h1，0))/(2πfc)。
需要说明的是，可以根据应用需要(如精度、处理性能等等)，选用dτ相应计算方式，这里不对计算方式作限定。
在获得多径到达时间差dτ，便可按前述
计算出入射角θ。
在一些实施方式中，如图8所示，当SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列，可以利用UWB信号中的其他字段(如SFD、Payload等字段)的数据与SYNC字段共同拼凑后用于提取信道信息。
在一种示例中，当SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，且所述UWB信号还包含有SFD字段，这时所述第二目标天线可以用于接收所述SFD字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
在一种示例中，当SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，且所述UWB信号还包含有Payload字段，这时所述第二目标天线用于接收所述Payload字段以作为第二长度的第二符号序列。
在一些实施方式中，鉴于UWB信号的PPDU格式中还包含其他字段内容，比如SFD、Payload、STS等，因而可以基于这些数据字段进行天线切换以及信道信息提取。
需要说明的是，基于SFD、Payload、STS等字段提取信道信息，可参照SYNC字段的相关示意说明，这里不再展开。
在一些实施方式中，在PPDU格式中UWB信号所配置的STS字段有其自身格式，即STS字段中通常可以配置一个到四个Gap，比如图9所示的单STS字段配置有两个Gap，双STS字段配置有三个Gap。因此，可以基于STS字段格式的自身特性进行天线切换和信道信息提取。
如图10所示，当所述UWB信号的PPDU格式中配置有STS字段时，这时通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号可以包括：
在第一个Gap期间，通过所述开关将第一目标天线切换为工作状态，以使第一目标天线在紧随所述第一个Gap后的STS活动块(如图中的STS active块)期间接收所述STS字段的第一STS序列；
以及，在第二个Gap期间，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态，以使所述第二目标天线在紧随所述第二个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第二STS序列。
需要说明的是，可以在各个Gap期间将对应的接收天线切换到工作状态，进而处于工作状态的天线可以接收紧跟该Gap的STS序列。
在一些实施方式中，鉴于在PPDU格式中UWB信号所配置的STS字段除了具有Gap特性外，还具有SRMARKER标识(可记为附加RMarker)，比如图11中STS字段相应地配置有SRMARKER0至SRMARKER4共4个SRMARKER标识，这些SRMARKER标记用于定义单个STS字段的开始和结束。因此，可以基于这些SRMARKER标识进行天线切换。
具体地，所述UWB信号包含有附加RMarker和STS字段，其中附加RMarker标记用于定义单个STS字段的开始和结束；这时，通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号可以包括：在检测到第一个附加RMarker标记时，在紧随第一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第一目标天线切换为工作状态以使第一目标天线用于接收第一UWB信号，以及在检测到下一个附加RMarker标记时，在紧随所述下一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第二目标天线切换为工作状态以使第二目标天线用于接收第二UWB信号。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种UWB信号入射角处理***，以基于前述的UWB信号入射角处理方法获取精度较高的入射角。
如图12所示，一种UWB信号入射角处理***，可以包括目标天线、开关和接收机，其中所述接收机包括射频单元和基带处理单元，所述射频单元通过所述开关配置有多个所述目标天线；
其中，目标天线至少包括第一天线和第二天线，以便接收机可以基于多副天线接收UWB信号；
射频单元可以包括放大器、滤波器等用于对射频信号进行处理的射频前端单元；
所述基带处理单元被配置为执行以下操作：
通过所述开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；
根据解调出的所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；
根据所述信道信息确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。
可选地，当所述UWB信号包含有SYNC字段时，所述基带处理单元还用于：
在将第一目标天线切换为工作状态后，当通过所述第一目标天线接收到所述SYNC字段中第一长度的第一符号序列时，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态以使所述第二目标天线用于接收所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列；
利用第一本地序列与所述第一符号序列进行相关运算得到第一相关系数，其中所述第一相关系数用于作为所述第一目标天线接收所述UWB信号时对应的第一信道信息。
可选地，所述基带处理单元还用于：
利用第二本地序列与所述第二符号序列进行相关运算得到第二相关系数，其中所述第二相关系数用于作为所述第二目标天线接收所述UWB信号时对应的第二信道信息；
根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，入射角与信道信息之间的关系如下：
其中，θ为所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，c为光速，D为所述第一目标天线和所述第二目标天线之间的距离，△τ为根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的时间差。
可选地，以符号长度为周期长度进行循环相关运算得到第一相关系数，其中第一相关系数与第一本地序列和第一符号序列之间的关系如下：
其中，xi(n)为相关系数，s 0 i(n)为第i个符号序列，s 1 i(n)为用于对第i各符号序列进行相关运算的第一本地序列，其中n＝0，1，.....，L-1，L为符号长度。
可选地，采用N个符号序列的相关系数作平均的数据平滑得到第一相关系数以作为第一信道信息：
其中，第一信道信息记为h1(n)，N为大于1的整数。
可选地，当所述UWB信号还包含有SFD字段时，所述基带处理单元还用于：当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述SFD字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
可选地，当所述UWB信号还包含有Payload字段时，所述基带处理单元还用于：当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述Payload字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
可选地，当所述UWB信号包含有STS字段时，所述基带处理单元还用于：
在第一个Gap期间，通过所述开关将第一目标天线切换为工作状态，以使第一目标天线在紧随所述第一个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第一STS序列；
以及，在第二个Gap期间，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态，以使所述第二目标天线在紧随所述第二个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第二STS序列。
可选地，当所述UWB信号包含有附加RMarker和STS字段时，其中附加RMarker标记用于定义单个STS字段的开始和结束，所述基带处理单元还用于：
在检测到第一个附加RMarker标记时，在紧随第一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第一目标天线切换为工作状态以使第一目标天线用于接收第一UWB信号，以及在检测到下一个附加RMarker标记时，在紧随所述下一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第二目标天线切换为工作状态以使第二目标天线用于接收第二UWB信号。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供与前述任意一个实施例所述UWB信号入射角处理方法对应的一种用于UWB信号入射角处理的电子设备，所述电子设备包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行：如本说明书中任意一项实施例所述的UWB信号入射角处理方法。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种用于UWB信号入射角处理的计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时执行如本说明书中任意一实施例提供的所述UWB信号入射角处理的步骤。
需要说明的是，所述计算机存储介质可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
在可能的实施方式中，本申请还可以提供将数据处理实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行前述任意一个实施例所述方法中的若干步骤。
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请中的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种UWB信号定位方法，通过同一接收机设备接收定位设备发送的UWB信号后，可以基于前述UWB信号入射角处理方法获得较高精确度的入射角后进行精确定位。
如图13所示，一种UWB信号定位方法，包括：
步骤S402、获取至少一个入射角，其中入射角为基于前述任意一项实施例中所述的UWB信号入射角处理方法对至少一个定位设备发射的UWB信号确定出的入射角；
步骤S406、基于所述入射角对目标所在位置进行定位。
需要说明的是，定位可以根据应用需要确定具体处理方式，比如定向、测距、确定坐标信息等，这里不作限定。相应地，在定位应用时，可以根据定位计算需要而充分地基于UWB信号进行测距后结合入射角进行相应的定位计算。
在一种示例中，可以基于单个AOA基站进行定位应用。如图14所示，针对目标平面内的某个目标位置，可以将接收机(如标签形式的接收机)放置于目标位置，然后利用单个AOA基站发射的UWB信号，从而可以基于本说明书提供的任意一个实施例所述的UWB信号入射角处理方法获得AOA基站发射的UWB信号的入射角。基于一个AOA基站的定位方式，不仅可以通过入射角进行定向测量，而且基于UWB信号能够实现测距，从而结合距离和角度，根据俯仰角、方位角、高度(如目标平面的高度、参考平面的高度，两高度差)等参数实现目标位置(如接收机所在位置)的定位测量。需要说明的是，基于本说明书提供的定位方法，不仅可以测出信号方向(即定向)，还可以获得高精度(如厘米级)的测距，定位更准确，而且目标平面与参考平面之间的高度不影响定位精度。
在一种示例中，可以基于至少两个AOA基站进行定位应用。如图15所示，通过确定出第一定位设备和第二定位设备对应的入射角θ1和θ2，以及根据两定位设备之间已知的距离S，就可以确定出接收机所处的目标位置，比如距离第一定位设备的距离r1、距离第二定位设备的距离r2等，以及基于这些参数可以确定出具体坐标信息等。
需要说明的是，虽然以两台定位设备作定位的示意说明，但本领域的技术人员应当理解的是，定位设备的数量可以根据应用场景需要进行配置，比如针对一维定位场景，可以只配置一台定位设备，又比如针对二维定位场景，可以配置两台以上定位设备，又比如针对三维定位场景可以配置三台以上定位设备等等。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种UWB信号定位***，可以基于前述UWB信号定位方法进行精确定位。
如图16所示，一种UWB信号定位***可以包括接收处理单元101和至少一个定位设备(记为第一定位设备103)。其中，第一定位设备103发射UWB信号，接收处理单元101用于获取定位设备对应的入射角，以及根据所述入射角对目标进行定位处理，所述入射角为基于前述任意一项实施例中所述的UWB信号入射角处理方法确定出的定位设备对应的入射角。
需要说明的是，接收处理单元101可以是位于目标位置上的接收机内部单元，也可以是位于接收机外部的单元，比如后端计算机、服务器等形式。因此，不对接收处理单元的形式作具体限定。另外，定位设备可以是AOA基站，这里不作限定。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种用于UWB信号定位的电子设备，所述电子设备包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行：如本说明书中任意一项实施例所述的UWB信号定位方法。
需要说明的是，该电子设备的说明，具体可参照前述实施例的说明方式，这里不再展开说明。
基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种用于UWB信号定位的计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时执行：如本说明书实施例提供的任意一种UWB信号定位方法。
需要说明的是，该计算机存储介质的说明，具体可参照前述实施例的说明方式，这里不再展开说明。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见***实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (20)
1.一种UWB信号入射角处理方法，其特征在于，包括：
通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；
根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；
根据所述信道信息确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定入射角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UWB信号包含有SYNC字段；
通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号包括：在将第一目标天线切换为工作状态后，当通过所述第一目标天线接收到所述SYNC字段中第一长度的第一符号序列时，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态以使所述第二目标天线用于接收所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列；
根据所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息包括：利用第一本地序列与所述第一符号序列进行相关运算得到第一相关系数，其中所述第一相关系数用于作为所述第一目标天线接收所述UWB信号时对应的第一信道信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用第二本地序列与所述第二符号序列进行相关运算得到第二相关系数，其中所述第二相关系数用于作为所述第二目标天线接收所述UWB信号时对应的第二信道信息；
根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，入射角与信道信息之间的关系如下：
其中，θ为所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，c为光速，D为所述第一目标天线和所述第二目标天线之间的距离，△τ为根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的时间差。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以符号长度为周期长度进行循环相关运算得到第一相关系数，其中第一相关系数与第一本地序列和第一符号序列之间的关系如下：
其中，xi(n)为相关系数，s0 i(n)为第i个符号序列，s1 i(n)为用于对第i各符号序列进行相关运算的第一本地序列，其中n＝0，1，.....，L-1，L为符号长度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用N个符号序列的相关系数作平均的数据平滑得到第一相关系数以作为第一信道信息：
其中，第一信道信息记为h1(n)，N为大于1的整数。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述UWB信号还包含有SFD字段，当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述SFD字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述UWB信号还包含有Payload字段，当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述Payload字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UWB信号包含有STS字段；
通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号包括：
在第一个Gap期间，通过所述开关将第一目标天线切换为工作状态，以使第一目标天线在紧随所述第一个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第一STS序列；
以及，在第二个Gap期间，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态，以使所述第二目标天线在紧随所述第二个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第二STS序列。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UWB信号包含有附加RMarker和STS字段，其中附加RMarker标记用于定义单个STS字段的开始和结束；
通过开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号包括：
在检测到第一个附加RMarker标记时，在紧随第一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第一目标天线切换为工作状态以使第一目标天线用于接收第一UWB信号，以及在检测到下一个附加RMarker标记时，在紧随所述下一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第二目标天线切换为工作状态以使第二目标天线用于接收第二UWB信号。
10.一种UWB信号入射角处理***，其特征在于，包括目标天线、开关和接收机，其中所述接收机包括射频单元和基带处理单元，所述射频单元通过所述开关配置有多个所述目标天线；
所述基带处理单元被配置为执行以下操作：
通过所述开关在预设时间内将目标天线切换为工作状态以使目标天线用于接收UWB信号；
根据解调出的所述UWB信号提取处于工作状态的所述目标天线对应的信道信息；
根据所述信道信息确定所述UWB信号入射到处于工作状态的所述目标天线的时间差，并根据所述时间差确定的入射角。
11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，当所述UWB信号包含有SYNC字段时，所述基带处理单元还用于：
在将第一目标天线切换为工作状态后，当通过所述第一目标天线接收到所述SYNC字段中第一长度的第一符号序列时，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态以使所述第二目标天线用于接收所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列；
利用第一本地序列与所述第一符号序列进行相关运算得到第一相关系数，其中所述第一相关系数用于作为所述第一目标天线接收所述UWB信号时对应的第一信道信息。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述基带处理单元还用于：
利用第二本地序列与所述第二符号序列进行相关运算得到第二相关系数，其中所述第二相关系数用于作为所述第二目标天线接收所述UWB信号时对应的第二信道信息；
根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，入射角与信道信息之间的关系如下：
其中，θ为所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的入射角，c为光速，D为所述第一目标天线和所述第二目标天线之间的距离，△τ为根据所述第一信道信息和所述第二信道信息确定所述UWB信号入射到所述第一目标天线和所述第二目标天线的时间差。
13.根据权利要求11所述的***，其特征在于，当所述UWB信号还包含有SFD字段时，所述基带处理单元还用于：当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述SFD字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
14.根据权利要求11所述的***，其特征在于，当所述UWB信号还包含有Payload字段时，所述基带处理单元还用于：当所述SYNC字段的长度不足以使得所述第二目标天线接收到所述SYNC字段中第二长度的第二符号序列时，所述第二目标天线用于接收所述Payload字段以作为第二长度的第二符号序列中至少一部分序列数据。
15.根据权利要求10所述的***，其特征在于，当所述UWB信号包含有STS字段时，所述基带处理单元还用于：
在第一个Gap期间，通过所述开关将第一目标天线切换为工作状态，以使第一目标天线在紧随所述第一个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第一STS序列；
以及，在第二个Gap期间，通过所述开关将第二目标天线切换为工作状态，以使所述第二目标天线在紧随所述第二个Gap后的STS活动块期间接收所述STS字段的第二STS序列。
16.根据权利要求10所述的***，其特征在于，当所述UWB信号包含有附加RMarker和STS字段时，其中附加RMarker标记用于定义单个STS字段的开始和结束，所述基带处理单元还用于：
在检测到第一个附加RMarker标记时，在紧随第一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第一目标天线切换为工作状态以使第一目标天线用于接收第一UWB信号，以及在检测到下一个附加RMarker标记时，在紧随所述下一个附加RMarker标记的Gap期间通过开关将第二目标天线切换为工作状态以使第二目标天线用于接收第二UWB信号。
17.一种UWB信号定位方法，其特征在于，包括：
获取至少一个入射角，其中入射角为基于如权利要求1至9中任意一项所述的UWB信号入射角处理方法根据至少一个定位设备发射的UWB信号确定出的入射角；
基于所述入射角对目标所在位置进行定位。
18.一种UWB信号定位***，其特征在于，包括接收处理单元和至少一个定位设备；其中，所述定位设备用于发射UWB信号；所述接收处理单元用于获取所述定位设备对应的入射角，以及基于所述入射角对目标进行定位处理，所述入射角为基于如权利要求1至9中任意一项所述的UWB信号入射角处理方法确定出的入射角。
19.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行：权利要求1-9中任一项所述的UWB信号入射角处理方法，或权利要求17所述的UWB信号定位方法。
20.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时执行权利要求1-9中任一项所述的UWB信号入射角处理方法，或权利要求17所述的UWB信号定位方法。
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