天线阵列信号处理方法及装置与流程

本发明涉及阵列信号处理领域，具体涉及一种天线阵列信号处理方法及装置。

背景技术：

近年来，基于天线阵列技术的无线感知理论与技术取得重大突破，应用于设备定位、人体追踪，人机交互等多个领域。这些应用的关键在于天线阵列信号处理。特别地，波达角估计是精准室内定位、无线安全通信、无线覆盖控制和被动人机交互等应用的基础技术。然而，波达角估计仍无法应用于商业无线设备。原理上，阵列包含天线越多，波达角测量精度越高。然而，目前大部分商业设备仅安装有少量天线，一般不超过三根。这使得直接使用商用设备的波达角估计无法达到精度需求。

进一步，利用商业网卡和该网卡的一个经过微调的驱动，上层用户可以从每个数据包中获得一组包含M＝3根天线，N＝30个子载波的信道频率相应信息，即CSI：

其中每个分量代表了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)信号的对应子载波的幅度和相位，即：

这里，H(a_i,f_j)是天线a_i的中心频率为f_j的子载波的CSI，||H(a_i,f_j)||表示CSI的幅度，＜H(a_i,f_j)表示CSI的相位(简便起见，记测量相位为)。CSI的测量相位与真实相位相比具有严重的相位偏移，其相位可以表示为

其中，φ_i,j是信道真实相位，包含了波达角信息，δ是接收机时钟偏移，β_i是第i根天线的常数相位偏差，Z是随机噪声。k_j是第j个子载波的子载波索引，K是子载波索引总数。

上述相位偏差中，由时钟偏差δ引入的相位偏差对波达角测量无影响，因为所有天线具有相同的相位偏差，而波达角仅与天线相位差有关。然而，不同天线具有不同的常数未知偏差β_i，将影响波达角测量。如图1所示为具有随机相位偏差的双天线阵列应用MUSIC算法估计波达角结果图，当相位偏差β_i为0时，波达角为120度。未知相位偏差严重影响了波达角估计精度，使得传统波达角估计算法无法直接应用到商业设备上。而已有工作或者仅适用于已知相对位置的固定设备或者需要引入大量人为操作以形成合成孔径雷达。基于商业移动设备的波达角测量仍然亟待进一步研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种天线阵列信号处理方法及装置，在商用无线设备上实现了最少用户操作的波达角估计，并将估计算法扩展到三维空间和多径环境下，而且无需知道设备的相对位置。

一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：

S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；

S11、根据所述相位差计算等效波达角；

S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。

另一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：

S20、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

S21、根据所述相位差计算等效波达角；

S22、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，波达角与水平方位角和垂直方位角存在着空间几何关系，利用该空间几何关系以及等效波达角与相对波达角的关系，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的三维波达角估计。

另一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：

S30、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

S31、根据所述相位差计算等效波达角；

S32、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；

S33、利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；

S34、利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，因无法对位置未知的移动设备进行校准，故首先连续两次旋转移动设备以计算出三维波达角，之后用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，以此对天线阵列进行相位校准，校准后的天线阵列能够消除未知相位偏差，之后即可利用传统的波达角估计算法估计波达角，为了应用在多径环境，本发明要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，能够得到准确的波达角估计，从而能够实现天线阵列的准确相位校准，利用校准后的天线阵列即可实现多径环境下波达角的准确估计。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备，并执行一次校准即可实现多径环境下准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计，而且利用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，从而无需知道设备的相对位置。

另一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理装置，包括：

第一计算单元，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；

第二计算单元，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第三计算单元，用于根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，具有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。

另一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理装置，包括：

第四计算单元，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

第五计算单元，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第六计算单元，用于根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，具有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，波达角与水平方位角和垂直方位角存在着空间几何关系，利用该空间几何关系以及等效波达角与相对波达角的关系，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的三维波达角估计。

另一方面，本发明实施例提出一种天线阵列信号处理装置，包括：

第七计算单元，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

第八计算单元，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第九计算单元，用于根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；

校准单元，用于利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；

估计单元，用于利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，因无法对位置未知的移动设备进行校准，故首先连续两次旋转移动设备以计算出三维波达角，之后用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，以此对天线阵列进行相位校准，校准后的天线阵列能够消除未知相位偏差，之后即可利用传统的波达角估计算法估计波达角，为了应用在多径环境，本发明要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，能够得到准确的波达角估计，从而能够实现天线阵列的准确相位校准，利用校准后的天线阵列即可实现多径环境下波达角的准确估计。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备，并执行一次校准即可实现多径环境下准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计，而且利用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，从而无需知道设备的相对位置。

附图说明

图1为具有随机相位偏差的双天线阵列应用MUSIC算法估计波达角结果图；

图2为本发明天线阵列信号处理方法一实施例的流程示意图；

图3为用户旋转移动无线设备的示意图；

图4为天线阵列两次旋转前后的波达角示意图；

图5为针对天线阵列两次旋转所计算出的波达角示意图；

图6为本发明天线阵列信号处理方法另一实施例的流程示意图；

图7为三维波达角示意图；

图8为本发明天线阵列信号处理方法又一实施例的流程示意图；

图9为本发明天线阵列信号处理装置一实施例的结构示意图；

图10为本发明天线阵列信号处理装置另一实施例的结构示意图；

图11为本发明天线阵列信号处理装置又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图2，本实施例公开一种天线阵列信号处理方法，包括：

S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；

S11、根据所述相位差计算等效波达角；

S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

当无线信号到达M元线性阵列时，第i根天线的CSI的测量相位是：

其中d表示天线间距，λ表示信号波长，θ表示波达角，β_i表示第i根天线的常数相位偏差，Z表示随机噪声。为了消除常数相位偏差β_i，本发明提出差分MUSIC算法估计不同姿态下阵列信号的相位变化。

差分MUSIC算法利用天线相位偏差β_i的不变性，计算不同姿态下阵列信号的相位差以消除此相位偏差。本实施例计算的是在信号方向和天线阵列张成的平面内的二维波达角，则首先用户需要如图3所示在信号方向和天线阵列张成的平面内旋转移动设备。如图4所示，假设信号由远端信号源发射到达天线阵列(信号近似平行传播)，波达角为θ₁，用户旋转阵列的记旋转角度为Δθ，则旋转后波达角为θ₂＝θ₁+Δθ。

记第i根天线在旋转前后的信号相位为和则旋转前后相位差为：

通过计算阵列在旋转前后的相位差，常数相位偏差β_i被消除。进一步，通过定义θ₂₁＝cos^-1(cosθ₂-cosθ₁)，上述信号相位差可以被等效的当作波达角为θ₂₁的信号相位，同时不包含任何相位偏差。因此，对上述信号相位差应用MUSIC算法，可以估计等效波达角θ₂₁。此外，通过设备内置的惯性传感器可获得旋转角度Δθ，即可得到如下方程组：

θ₂₁的唯一性可通过约束阵列的旋转方向和天线间距来保证。具体而言，因为cosθ₂₁＝cosθ₂-cosθ₁与Δθ＝θ₂-θ₁的符号相反，可以根据Δθ的符号确定cosθ₂₁的取值范围为[-2,0)或(0,2]。进一步，通过限制相邻天线间距不超过半波长，即可确定的取值范围为[-2π,0)或(0,2π]，即不超过2π，满足MUSIC算法对相位唯一性的要求。

将旋转后波达角θ₂用θ₁+Δθ表示，可得到如下等式：

然而，由于sin函数在[0，π]内具有歧义性，上式存在两组解：

和

为了消除歧义性，用户需要额外进行一次旋转，并测量第二次旋转后的信号相位，此时波达角为θ₃。通过对第一次旋转前后(波达角θ₁，θ₂)的相位和第二次旋转前后(波达角θ₂，θ₃)的相位分别应用差分MUSIC算法，可以得到4组候选解。如图5(图5中θ′₃和θ″₃分别为第二次旋转后的波达角的两个解)所示，记波达角θ₂的解为θ′_2；i和θ″_2；i(i＝1,3)，则只有正确的解θ′_2；1和θ′_2；3重合。因此，通过选取θ₂差距最小的两组解，即可测得正确的波达角。

另外需要说明的是，设备旋转角度可通过内置惯性传感器测量。本发明可以利用陀螺仪测量设备旋转角度。目前商用移动设备上的陀螺仪具有极高精度，满足波达角测量需求。本发明从陀螺仪中获取角速度采样，采样具有如下格式：

(T,w_x,w_y,w_z)，

其中T为采样时间戳，w_x,w_y,w_z分别为局部坐标系下x,y,z三轴的角速度。采用Euler Axis/Angle算法计算旋转角度。在波达角测量场景下，用户手持设备进行不超过3秒钟的旋转操作，相应的旋转角度测量误差不超过0.5，满足波达角测量需求。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，通过引入人为的设备旋转操作，形成虚拟空时阵列，进行相对波达角估计，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。

参看图6，本实施例公开一种天线阵列信号处理方法，包括：

S20、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

S21、根据所述相位差计算等效波达角；

S22、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。

由于信号在三维空间中传播，实际信号波达角包含水平方位角和垂直方位角两部分，如图7所示。然而，商业无线设备一般仅安装有线性阵列。因此，MUSIC算法仅能计算信号在信号方向和阵列方向张成的平面内的波达角，即图7中的θ。为了同时计算水平方位角和垂直方位角，本发明利用了估计波达角θ与水平方位角γ和垂直方位角τ的几何关系：

cosθ＝cosγcosτ (6)

根据二维波达角测量方法，差分MUSIC算法在三维空间下关于两次旋转的输出结果为：

cosθ₂₁＝(cosγ₂-cosγ₁)cosτ (7)

cosθ₃₂＝(cosγ₃-cosγ₂)cosτ (8)

式(7)和式(8)中的γ₁、γ₂和γ₃分别为第一次旋转前、第一次旋转后以及第二次旋转后的水平方位角，为第二次旋转对应的等效波达角。

假设设备在水平面内旋转角度满足：

Δθ₂₁＝γ₂-γ₁ (9)

Δθ₃₂＝γ₃-γ₂ (10)

式(9)和式(10)中，Δθ₂₁和Δθ₃₂分别为天线阵列第一次和第二次旋转的角度。

则通过上述方程组可得到三维波达角的唯一解：

上式表明，垂直方位角τ的符号无法通过差分MUSIC算法确定。然而，由于信号源(如无线AP等)通常部署在室内天花板以获得较大覆盖范围，垂直方位角τ倾向于非负，因而上述歧义性在一般情况下对波达角测定没有影响。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，波达角与水平方位角和垂直方位角存在着空间几何关系，利用该空间几何关系以及等效波达角与相对波达角的关系，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的三维波达角估计。

参看图8，本实施例公开一种天线阵列信号处理方法，包括：

S30、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

S31、根据所述相位差计算等效波达角；

S32、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；

S33、利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；

S34、利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。

室内多径效应严重，信号一般经过多条路径抵达接收机。接收机收到的信号为多径信号叠加。因此，叠加信号相位不再具有上述单一路径相位的结构，从而严重影响差分MUSIC算法的测量效果。在极端情况下，差分MUSIC算法无法对波达角进行估计。

为了克服上述情况，本发明利用MUSIC算法对多径信号的波达角进行估计。然而，如前所述，受到未知相位偏差的影响，商业无线设备无法利用MUSIC算法进行波达角估计。因此，本发明利用已有技术Phaser对天线阵列进行校准，消除未知相位偏差，并利用校准后的阵列进行波达角估计。Phaser要求发射机和接收机的相对位置作为校准输入，通过搜索相位偏差空间以找到使得消除该偏差后由MUSIC算法输出的实际伪谱与根据设备相对位置得到的理论伪谱最相近的相位偏差。Phaser无法应用于位置未知的移动设备校准。差分MUSIC算法则可为Phaser提供相对位置输入，以允许Phaser对移动设备进行相位校准。本发明要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以利用差分MUSIC算法估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，差分MUSIC算法能够得到准确的波达角估计，并将其作为Phaser的输入用以校准阵列。通过上述方法，用户不需额外测量设备未知相位偏差。由于未知相位偏差在每次设备启动后保持不变，上述相位校准工作在每次设备启动期间只需要执行一次。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理方法，因无法对位置未知的移动设备进行校准，故首先连续两次旋转移动设备以计算出三维波达角，之后用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，以此对天线阵列进行相位校准，校准后的天线阵列能够消除未知相位偏差，之后即可利用传统的波达角估计算法估计波达角，为了应用在多径环境，本发明要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，能够得到准确的波达角估计，从而能够实现天线阵列的准确相位校准，利用校准后的天线阵列即可实现多径环境下波达角的准确估计。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备，并执行一次校准即可实现多径环境下准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计，而且利用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，从而无需知道设备的相对位置。

参看图9，本实施例公开一种天线阵列信号处理装置，包括：

第一计算单元10，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；

第二计算单元11，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第三计算单元12，用于根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，具有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。

参看图10，本实施例公开一种天线阵列信号处理装置，包括：

第四计算单元20，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

第五计算单元21，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第六计算单元22，用于根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，具有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，波达角与水平方位角和垂直方位角存在着空间几何关系，利用该空间几何关系以及等效波达角与相对波达角的关系，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的三维波达角估计。

参看图11，本实施例公开一种天线阵列信号处理装置，包括：

第七计算单元30，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；

第八计算单元31，用于根据所述相位差计算等效波达角；

第九计算单元32，用于根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；

校准单元33，用于利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；

本实施例中，所述校准单元，具体可以用于：

将所述三维波达角作为Phaser的输入，利用所述Phaser对所述天线阵列进行相位校准。

估计单元34，用于利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。

本发明实施例提供的天线阵列信号处理装置，因无法对位置未知的移动设备进行校准，故首先连续两次旋转移动设备以计算出三维波达角，之后用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，以此对天线阵列进行相位校准，校准后的天线阵列能够消除未知相位偏差，之后即可利用传统的波达角估计算法估计波达角，为了应用在多径环境，本发明要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，能够得到准确的波达角估计，从而能够实现天线阵列的准确相位校准，利用校准后的天线阵列即可实现多径环境下波达角的准确估计。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备，并执行一次校准即可实现多径环境下准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计，而且利用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，从而无需知道设备的相对位置。

本发明提出差分MUSIC算法，以克服商业设备的未知相位偏差。该算法要求用户旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列的相位信息，并通过惯性传感器测量旋转角度。为了求解唯一波达角，差分MUSIC算法要求用户进行连续两次旋转，这是用户需要进行的最少操作。为了估计三维波达角，即水平方位角和垂直方位角，差分MUSIC算法利用设备旋转时的空间几何关系建立约束进行求解。为了克服室内多径干扰，本发明基于差分MUSIC算法对设备进行自动相位校准，并利用校准后的阵列进行波达角估计。因为校准操作只需进行一次，不需要用户进行复杂的操作，同时能够保证波达角估计的准确性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。