双极化天线阵列测向角度的获取方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及无线定位技术领域，尤其涉及一种双极化天线阵列测向角度的获取方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.随着移动通信、自动驾驶、智慧工厂等产业的发展，对位置信息的需求日益普及，并且对于位置精度的要求越来越高。定位技术根据使用场景的不同，主要分为室外定位和室内定位。目前室外定位技术主要是基于卫星系统（gnss）的定位，为了提高室外定位的精度，通常采用建设差分基站的方式来提高室外定位的精度。在室内环境中，由于墙体、玻璃等障碍物影响，室内环境下的卫星信号非常弱，基本无法提供准确的定位能力。室内定位技术的种类、方法较多，对于不同的室内场景往往采用不同的定位方法，目前主流的室内定位技术有rfid、wi
‑
fi、uwb、蓝牙等定位方式。
3.在定位系统中，距离、角度、速度等定位值均是通过测量值计算获得的，因此相对准确的测量值才能保证定位系统的定位精度。天线位于定位系统的最前端，是接收信息的载体，通过天线可将空间电磁波信号转换成电信号，电信号的幅度、相位等信息即定位系统所需的测量值，因此通过接收天线获得的幅度、相位测量值的准确度将直接影响定位系统的定位精度。基于角度参数（angle of arrival）估计的定位方法需要尽可能准确地获得天线阵列各阵元不同角度的相位测量值，但天线阵列阵元的结构形式、阵元相对位置环境、阵元间隔大小、阵元极化形式、入射电磁波的极化等均会对阵元间的相位值产生影响，带来不同的相位测量误差。移动终端通过发射天线辐射电磁波信号，发射天线的极化通常是固定不变的，但移动终端的姿态却随着载体运动经常变化，造成移动终端发射电磁波信号天线的极化也经常变化，并且具有不确定性。由于移动终端发射天线的极化经常变化，并且天线阵列对不同极化的入射电磁波的相位响应差异很大。


技术实现要素：

4.技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种双极化天线阵列测向角度的获取方法、系统、设备及介质，采用基站双极化天线阵列，比较正交极化接收端两个信号幅度测量值的大小，选择幅度测量值较高极化的接收信号相位初始值加上阵元相位误差补偿值获取阵元间相位终值，能够有效解决移动终端发射天线极化不确定带来的相位测量误差大且单极化天线阵列对于不同姿态移动终端（即不同的发射天线极化）相位测量误差大无法有效补偿问题，提升用于测向角度参数估计的阵元间相位值的准确性。
5.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
6.一种双极化天线阵列测向角度的获取方法，包括以下步骤：s1、构造基站双极化天线阵列：基站双极化天线阵列包含至少两个正交极化的天线阵列阵元；s2、获取各天线阵列阵元的相位初始值：选择基站双极化天线阵列中的一个天线
阵列阵元作为第一阵元，获取第一阵元的两个接收信号，比较两个接收信号幅度测量值的大小，确定信号幅度测量值较高的接收信号的极化类型，各天线阵列阵元将与此极化类型相同的接收端的相位测量值作为角度参数估计的相位初始值；s3、计算基站双极化天线阵列的相位误差补偿值：通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的相位一致性值，将所述相位一致性值取反，形成基站双极化天线阵列的相位误差补偿值；s4、基站双极化天线阵列测向角度参数估计：将步骤s2中的角度参数估计相位初始值、步骤s3中的基站双极化天线阵列的相位误差补偿值在预设角度范围内对应相加，获取补偿后的基站双极化天线阵列中各天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行基站双极化天线阵列测向角度参数估计。
7.优选地，所述选择基站双极化天线阵列中其中一个天线阵列阵元作为第一阵元，第一阵元为基站双极化天线阵列中最边缘阵元，或由用户自定义第一阵元。
8.优选地，所述相位一致性值为：基站双极化天线阵列中其它天线阵列阵元相对于第一阵元的相位差值。
9.优选地，所述通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的相位一致性值，包括：采用暗室测量方法计算天线阵列阵元极化匹配状态下基站双极化天线阵列中所有天线阵列阵元的相位值，进而计算预设角度范围内，基站双极化天线阵列中其它天线阵列阵元相对于第一阵元的相位差值。
10.优选地，预设角度范围为+30
°
至+90
°
或
‑
90
°
至
‑
30
°
。
11.一种双极化天线阵列测向角度的获取系统，包括：基站双极化天线阵列和天线通信装置，所述基站双极化天线阵列包含至少两个正交极化的天线阵列阵元；所述天线通信装置包括相位初始值获取单元、相位误差补偿值计算单元和测向角度参数估计单元；所述相位初始值计算单元用于选择基站双极化天线阵列中的一个天线阵列阵元作为第一阵元，获取第一阵元的两个接收信号，比较两个接收信号幅度测量值的大小，确定信号幅度测量值较高的接收信号的其极化类型，各天线阵列阵元将与此极化类型相同的接收端的相位测量值作为角度参数估计的相位初始值；所述相位误差补偿值计算单元用于通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的相位一致性值，将所述相位一致性值取反，形成基站双极化天线阵列的相位误差补偿值；所述测向角度参数估计单元用于将相位初始值计算单元输出的相位初始值、相位误差补偿值计算单元输出的基站双极化天线阵列的相位误差补偿值在预设角度范围内对应相加，获取补偿后的基站双极化天线阵列中各天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行基站双极化天线阵列测向角度参数估计。
12.优选地，所述基站双极化天线阵列中所有的天线阵列阵元正交极化方式相同。
13.优选地，所述基站双极化天线阵列包含至少两个正交极化的天线阵列阵元，所述正交极化的天线阵列阵元，其正交极化方式为+45
°
极化、
‑
45
°
极化的正交极化，或为水平极化、垂直极化的正交极化。
14.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计
算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以上任一所述的一种双极化天线阵列测向角度的获取方法。
15.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于被处理器执行时实现以上任一所述的一种双极化天线阵列测向角度的获取方法。
16.有益效果：本发明采用基站双极化天线阵列，比较正交极化接收端两个信号幅度测量值的大小，选择幅度测量值较高极化的接收信号相位初始值加上阵元相位误差补偿值获取阵元间相位终值，能够有效解决移动终端发射天线极化不确定带来的相位测量误差大且单极化天线阵列对于不同姿态移动终端（即不同的发射天线极化）相位测量无法有效补偿问题，提升用于测向角度参数估计的阵元间相位值的准确性。
附图说明
17.图1为本发明的方法流程图；图2为本发明的系统结构示意图；图3为本发明实施例4中的四阵元+45
°
、
‑
45
°
正交极化天线阵列示意图；图4为本发明实施例4中的四阵元+45
°
极化时相对第1阵元大角度相位一致性值；图5为本发明实施例4中的四阵元
‑
45
°
极化时相对第1阵元大角度相位一致性值；图6为本发明实施例4中的四阵元垂直极化时相对第1阵元大角度相位一致性值；图7为本发明实施例4中的四阵元水平极化时相对第1阵元大角度相位一致性值；图8为本发明实施例4中的四阵元交叉极化时相对第1阵元大角度相位一致性值。
具体实施方式
18.以下结合附图和实施例对本发明的一种双极化天线阵列测向角度的获取方法、系统、设备及介质做进一步的说明和解释。
19.实施例1：本发明旨在提供一种双极化天线阵列测向角度的获取方法、系统、设备及介质。方法中通过设计正交的基站双极化天线阵列接收移动终端的辐射电磁波信号，比较天线阵列阵元各接收端的信号幅度测量值的大小，选择幅度测量值较高极化的接收信号，将此极化下天线阵列各阵元的相位测量值作为角度参数估计相位初始值。同时通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的预设角度范围内的相位一致性值，并将此相位一致性值取反形成天线阵列阵元相位误差补偿值。将天线阵列阵元测量的相位初始值与暗室测量获得相位误差补偿值在预设角度范围内对应相加，形成补偿后的天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行测向角度参数估计。
20.如附图1所示，一种双极化天线阵列测向角度的获取方法，包括如下步骤：s1、构造基站双极化天线阵列：设计正交极化的天线阵列阵元，基站双极化天线阵列包含至少两个正交极化的天线阵列阵元，即通过天线阵列阵元构造基站双极化天线阵列；s2、获取各天线阵列阵元的相位初始值：选择基站双极化天线阵列中其中一个天线阵列阵元作为第一阵元，获取第一阵元的两个接收端的接收信号，即第一阵元正交极化
的两个接收端的接收信号，第一阵元的正交极化方式为水平极化、垂直极化的正交极化，则两个接收信号分别为水平接收端信号和垂直接收端信号；比较两个接收信号幅度测量值的大小，确定信号幅度测量值较高的接收信号的极化类型，各天线阵列阵元将与此极化类型相同的接收端相位测量值作为角度参数估计的相位初始值；第一阵元为基站双极化天线阵列中最边缘阵元，如线阵中为最左或最右的天线阵列阵元，或由用户自定义第一阵元。
21.s3、计算基站双极化天线阵列的相位误差补偿值：通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的相位一致性值，将所述相位一致性值取反，形成基站双极化天线阵列的相位误差补偿值；预设角度范围为+30
°
至+90
°
或
‑
90
°
至
‑
30
°
；极化匹配状态是指天线阵列阵元接收天线的极化方向与电波的极化方向一致，此时天线阵列阵元能接收电波的全部能量。相位一致性值中的一致指的是与参考阵元的一致，即本发明中参考阵元是指选定的第一阵元，阵元极化匹配指的是接收天线与阵元天线的极化方向匹配。
22.所述通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的相位一致性值，包括：采用暗室测量方法计算天线阵列阵元极化匹配状态下基站双极化天线阵列中所有天线阵列阵元的相位值，进而计算预设角度范围内的相位一致性值，所述预设角度范围内的相位一致性值为在预设角度范围内的情况下，基站双极化天线阵列中其它天线阵列阵元相对于第一阵元的相位差值。预设角度范围内的检测角度指系统需要天线工作的角度范围，通信系统一般是三个扇区，每个天线部分负责120
°
范围，相控阵雷达一般是四个扇区，每个天线负责90
°
范围。具体天线负责的区域可根据实际系统进行设计，看使用场景需要覆盖的角度范围。
23.s4、基站双极化天线阵列测向角度参数估计：将步骤s2中的角度参数估计相位初始值、步骤s3中的基站双极化天线阵列的相位误差补偿值在预设角度范围内对应相加，获取补偿后的基站双极化天线阵列中各天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行基站双极化天线阵列测向角度参数估计。
24.本发明采用基站双极化天线阵列，比较正交极化接收端两个信号幅度测量值的大小，选择幅度测量值较高极化的接收信号相位初始值加上阵元相位误差补偿值获取阵元间相位终值，能够有效解决移动终端发射天线极化不确定带来的相位测量误差大且单极化天线阵列对于不同姿态移动终端（即不同的发射天线极化）相位测量无法有效补偿问题，提升用于测向角度参数估计的阵元间相位值的准确性。
25.移动终端的姿态及发射天线极化是不固定的，以手机为例，手机在人的手上、兜里等放置时，其摆放的角度是不一样的，也就是说手机中的天线极化是各种各样的，极化即不可确定，而基站是天线阵列是固定不变的，极化是确定的。本发明能够解决现有技术中单极化天线阵列对于不同姿态移动终端（即不同的发射天线极化）相位测量误差大无法有效补偿问题，解决了单极化天线阵列对移动终端的定位精度差的问题。
26.实施例2：如附图2所示，一种双极化天线阵列测向角度的获取系统，包括：基站双极化天线阵列和天线通信装置，所述基站双极化天线阵列包含至少两个正交极化的天线阵列阵元；基站双极化天线阵列中所有的天线阵列阵元正交极化方式相同，正交极化的天线阵列阵元，其正交极化方式为+45
°
极化、
‑
45
°
极化的正交极化，或为水平极化、垂直极化的正交极
化，也可以为其他正交极化方式。
27.所述天线通信装置包括相位初始值获取单元、相位误差补偿值计算单元和测向角度参数估计单元；所述相位初始值计算单元用于选择基站双极化天线阵列中其中一个天线阵列阵元作为第一阵元，获取第一阵元的两个接收端的接收信号，比较两个接收信号幅度测量值的大小，选择幅度测量值较高的接收信号，并确定其极化类型，获取各天线阵列阵元在此极化类型下的接收端相位测量值，并作为角度参数估计相位初始值；所述相位误差补偿值计算单元用于通过暗室测量方法获得天线阵列阵元极化匹配状态下的预设角度范围内的相位一致性值，将所述相位一致性值取反，形成基站双极化天线阵列的相位误差补偿值；所述测向角度参数估计单元用于将相位初始值计算单元输出的相位初始值、相位误差补偿值计算单元输出的基站双极化天线阵列的相位误差补偿值在预设角度范围内对应相加，获取补偿后的基站双极化天线阵列中各天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行基站双极化天线阵列测向角度参数估计。
28.本发明中仅需对阵元正交极化信号幅度测量值大小比较，对于采用正交的双极化天线的基站不需要增加额外的硬件设备，即可提升用于测向角度参数估计的阵元间相位值的准确性。
29.实施例3：一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现以上任一所述的一种双极化天线阵列测向角度的获取方法。存储器可为各种类型的存储器，可为随机存储器、只读存储器、闪存等。处理器可为各种类型的处理器，例如，中央处理器、微处理器、数字信号处理器或图像处理器等。
30.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于被处理器执行时实现以上任一所述的一种双极化天线阵列测向角度的获取方法。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。
31.实施例4：+45
°
、
‑
45
°
正交极化的四阵元双极化天线阵列如附图3所示，为本发明实施例4中的四阵元双极化天线阵列示意图，本实施例中，大角度指的是预设角度范围内中的
±
60
°
。所述双极化天线阵列阵元的类型为微带贴片天线，所述四阵元双极化天线阵列的第1阵元位于阵列最左边，从左向右依次为第2阵元、第3阵元、第4阵元，所述四阵元双极化天线阵列的间隔为工作频率的半波长。所述天线阵列的四个阵元的极化均为+45
°
、
‑
45
°
正交极化的双极化天线，其中+45
°
极化在y轴方向，
‑
45
°
极化在x轴方向，所述天线阵列+45
°
、
‑
45
°
正交极化阵元能够接收任意极化形式的电磁波。其中+45
°
极化入射电磁波与阵元+45
°
极化相匹配，
‑
45
°
极化入射电磁波与阵元
‑
45
°
极化相匹配，+45
°
极化入射电磁波与阵元
‑
45
°
极化正交，
‑
45
°
极化入射电磁波与阵元+45
°
极化正交。入射电磁波极化与阵元极化匹配时接收信号值最大，入射电磁波极化与阵元极化正交时接收信号值最低，其它极化形式的入射电磁波接收信号值介于最大接收信号值与最小接收信号值之间。如附图3所述还标注了两种典型水平极化波方向及垂直极化波方向。
32.如附图4所示，附图4为本发明实施例4中的四阵元双极化天线阵列入射电磁波极化、阵列阵元极化均为+45
°
极化时，阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性
值，本实施例4中的中所述的大角度指
±
60
°
方位角，如附图4可见+45
°
极化匹配时天线阵列大角度情况其它阵元相对于第1阵元的相位一致性值最大差异约10
°
。
33.如附图5所示为本发明实施例4中的四阵元双极化天线阵列入射电磁波极化、阵列阵元极化均为
‑
45
°
极化时，阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值，如附图5可见
‑
45
°
极化匹配时天线阵列大角度情况其它阵元相对于第1阵元的相位一致性值最大差异同样约10
°
。
34.根据附图4所示与+45
°
极化匹配时阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值曲线及附图5所示与
‑
45
°
极化匹配时阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值曲线，可见四阵元双极化天线阵列对+45
°
极化、
‑
45
°
极化入射电磁波的相位一致性值响应曲线基本接近，因此可用+45
°
极化匹配或
‑
45
°
极化匹配情况下的相位一致性值作为阵列相位误差补偿值。
35.如附图6所示，附图6为本发明实施例4中的中四阵元双极化天线阵列入射电磁波极化为垂直极化时，阵列阵元极化为+45
°
极化时，阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值，如附图6可见垂直极化入射波在大角度情况其它阵元相对于第1阵元的相位一致性值最大差异约15
°
。
36.如附图7所示，附图7为本发明实施例4中的中四阵元双极化天线阵列入射电磁波极化为水平极化时，阵列阵元极化为+45
°
极化时，阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值，如附图7可见水平极化入射波在大角度情况其它阵元相对于第1阵元的相位一致性值最大差异同样约15
°
。
37.如附图8所示，附图8为本发明实施例4中的中四阵元双极化天线阵列入射电磁波极化为
‑
45
°
极化时，阵列阵元极化为+45
°
极化时，即入射电磁波极化与阵列阵元极化正交，阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值，如附图8可见正交极化时大角度情况其它阵元相对于第1阵元的相位一致性值最大差异约60
°
。
38.附图6所示入射电磁波极化为垂直极化时阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值最大差异约15
°
，附图7所示入射电磁波极化为水平极化时阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值最大差异约15
°
。若采用附图4中入射电磁波极化、阵列阵元极化均为+45
°
极化时最大差异约10
°
的相位一致性值作误差补偿，或者采用附图5中入射电磁波极化、阵列阵元极化均为
‑
45
°
极化时最大差异约10
°
的相位一致性值作误差补偿，天线入射电磁波极化为水平极化、垂直极化时相位补偿误差仅为5
°
，因此可采用+45
°
或
‑
45
°
极化匹配情况的相位一致性值替代入射电磁波水平极化、垂直极化时相位一致性值作误差补偿。
39.附图8所示入射电磁波极化为正交极化时阵元2、阵元3、阵元4相对于第1阵元大角度相位一致性值最大差异约60
°
，若采用附图4或附图5中单极化匹配时的相位一致性值作误差补偿，天线入射电磁波极化与阵元极化正交时相位补偿误差接近50
°
，无法准确定位。这也是现有技术中所说的采用单极化天线阵列对于不同姿态移动终端（即不同的发射天线极化）相位测量误差大无法有效补偿问题。
40.附图3所示的+45
°
、
‑
45
°
正交极化的双极化天线阵列，不需考虑移动终端的姿态（即不同的发射天线极化），比较正交极化阵元+45
°
、
‑
45
°
极化状态下接收端两个信号幅度测量值的大小，若+45
°
极化状态下接收信号幅度测量值大，则四阵元双极化天线阵列的各
阵元均采用+45
°
极化相位测量值作为角度参数估计相位初始值。将附图4中+45
°
极化情况下的相位一致性值取反，作为天线阵列阵元相位误差补偿值。将四阵元双极化天线阵列的每个阵元+45
°
极化相位值初始值与相位误差补偿值在大角度范围内对应相加，形成补偿后的天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值即可进行测向角度参数估计。同理，若
‑
45
°
极化状态下接收信号幅度测量值大，则四阵元双极化天线阵列的各阵元均采用
‑
45
°
极化相位测量值作为角度参数估计相位初始值。将四阵元双极化天线阵列的每个阵元
‑
45
°
极化相位值初始值与相位误差补偿值在大角度范围内对应相加，形成补偿后的天线阵列阵元间相位终值，利用此相位终值进行测向角度参数估计。因此本发明通过引入相位误差补偿值提升测向角度的精度，解决了单极化天线阵列对移动终端的定位精度差的问题。
41.以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。