一种阵列测向天线的姿态校准方法及系统与流程

1.本发明涉及无线通信定位技术领域，具体涉及一种阵列测向天线的姿态校准方法及系统。


背景技术：

2.随着室内定位越来越广泛的应用场景和体现出来的巨大的商业价值，涌现了各种定位技术，比如基于rssi的wifi或者蓝牙beacon定位、uwb定位等。在这些定位技术中，通过阵列测向技术进行定位的方法因为所需基站少，基站部署灵活而受到越来越多的关注。蓝牙5.1规范就明确了对到达角(angle of arrival，aoa)和离开角(angle of departure，aod)测量的支持，通过测量信号的方向信息，大幅度提高了蓝牙室内定位的精度。另一方面，在uwb定位中加入测向技术，可以实现使用单基站进行三维定位，比基于测距类的方法，极大的减少了基站个数。
3.虽然基于阵列测向的定位方法相对于测距类的定位方法，能够极大的减少基站的部署数量，但是其对阵列天线的姿态比较敏感，对姿态的准确度要求较高，即阵列天线的姿态误差可能会导致比较大的定位偏差。当前，可以严格要求按照某个固定姿态进行阵列天线的安装，或者利用专业设备进行人工的姿态测量，从而减少姿态带来的误差。
4.为了消除阵列天线安装姿态对定位带来的误差，需要严格要求阵列天线的安装姿态，但是在实际使用中难度太大，无法广泛使用。当前对阵列天线姿态进行人工测量比较耗时，而且需要专业设备，成本较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种姿态校准方法及系统，可以极大提高阵列天线校准的效率，解决阵列天线姿态校准过程难度大、耗时以及成本高的问题。
6.本发明为了实现上述的发明目的，提供了一种阵列测向天线的姿态校准方法，该方法包括：
7.精确测量阵列天线中心点a的真实坐标；
8.放置定位标签于所述阵列天线的周围，测量n组所述定位标签的真实坐标pr以及n组所述定位标签相对于所述阵列天线的方向角θ和俯仰角
9.得到n组所述定位标签的测量坐标p(x,y,z)；
10.得到每个所述测量坐标p点旋转后的坐标p’(x
′
,y
′
,z
′
)；
11.利用n组所述p和p’的坐标计算旋转矩阵r；
12.利用所述旋转矩阵r获得所述阵列天线的姿态角。
13.可选的，所述定位标签相对于所述阵列天线的俯仰角范围为20度到50度。
14.可选的，所述阵列天线采集数据并上传至服务器，所述服务器对所述定位标签进行测向处理，从而获得所述方向角θ和俯仰角
15.所述得到n组所述定位标签的测量坐标p的过程包括：
16.利用1组所述阵列测向天线中心点a的真实坐标(x0,y0,z0)，n组所述方向角和所述俯仰角以及n组所述定位标签的真实坐标[(xr1,yr1,zr1),(xr2,yr2,zr2)
……
(xrn,yrn,zrn)]计算n组所述定位标签的测量坐标p；
[0017]
将所述阵列天线中心点a(x0,y0,z0)平移为(0,0,z0)，则所述定位标签的真实坐标pr也随之变为：
[0018]
[(xr
1-x0,yr
1-y0,zr1)，(xr
2-x0,yr
2-y0,zr2)
……
(xr
n-x0,yr
n-y0,zrn)]，
[0019]
记为：
[0020]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]
[0021]
当阵列天线位于(0,0,z0)时，定位标签的高度为zi，则定位标签与阵列天线之间的高度差为z0-zi，通过方向角θ和俯仰角确定定位标签测量坐标p的坐标点：
[0022][0023]
得到n组所述定位标签的测量坐标p：
[0024]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]。
[0025]
所述得到每个所述测量坐标p点旋转后的坐标p’的过程包括：
[0026]
将所述阵列测向天线中心点a与所述定位标签真实坐标pr连线获得线段apr，将水平面通过旋转矩阵r旋转后获得一平面，所述线段apr与所述平面的交点为p’，故p’是p点通过旋转矩阵r旋转后的点；
[0027]
通过a点坐标(0,0,z0)、p点坐标(x1,y1,z1)得到：
[0028][0029]
由所述定位标签的真实坐标pr(x1,y1,z1)以及ap’的长度，计算得到p’的坐标记为(x
′1,y
′1,z
′1)；
[0030]
由所述n组定位标签的真实坐标，获得n组所述p’坐标：
[0031]
[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]。
[0032]
利用n组所述p和p’的坐标，通过svd分解方法获得旋转矩阵r的过程包括：
[0033]
n组p点的坐标集：
[0034]
sp＝[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]＝[sp1,sp2,
……
spn]；
[0035]
n组p’点的坐标集：
[0036]
sp’＝[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]＝[sp
′1,sp
′2,
……
sp
′n]；
[0037]
为n组p坐标的平均值：为n组p’坐标的平均值：
[0038]
对所有点进行归一化：
[0039][0040]
计算协方差矩阵：
[0041]
s＝ab
t
[0042]
其中a和b分别表示以ai和bi为列组成的矩阵，矩阵维数为3
×
n；
[0043]
计算矩阵s的奇异值分解s＝uσv
t
，则旋转矩阵r：
[0044][0045]
其中，det表示计算矩阵的行列式。
[0046]
利用所述旋转矩阵r获得所述阵列天线的姿态角的过程包括:通过公式计算姿态角
[0047]
其中，θ
yam
表示阵列天线绕地图坐标系z轴进行旋转的角度；
[0048]
θ
pitch
表示阵列天线绕地图坐标系x轴进行旋转的角度；
[0049]
θ
roll
表示阵列天线绕地图坐标系y轴进行旋转的角度；
[0050]rmn
表示旋转矩阵r中m行n列的项。
[0051]
可选的，通过旋转矩阵r对定位标签的测量坐标进行校准：
[0052]
当基站位于点a(0,0,z0)，通过测向获得定位标签相对于基站的方向角和俯仰角为计算出定位标签的测量坐标p：
[0053][0054]
其中z为定位标签的高度；
[0055]
使用旋转矩阵r对定位标签的测量坐标p(x,y,z)进行旋转，得到点p’：
[0056][0057]
计算基站点a与点p’确定的直线与定位标签所在的水平面的交点pr(x1,y1,z)；
[0058]
结合基站的真实位置，计算得到定位标签的真实位置：(x1+x0,y1+y0,z)。
[0059]
本发明还揭示了一种阵列测向天线的姿态校准系统，包括：测向模块、计算模块和姿态角获取模块；
[0060]
测向模块用于精确测量阵列天线中心点a的真实坐标、定位标签的真实坐标、以及所述定位标签相对于所述阵列天线的方向角θ和俯仰角
[0061]
计算模块用于利用测向模块测量的数据进行精确计算得到所述定位标签的测量坐标p以及所述测量坐标p点旋转后的坐标p’；
[0062]
姿态角获取模块用于利用计算模块计算得到的所述p和p’的坐标获得旋转矩阵r。
[0063]
本发明还包括一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中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实现如上所述的方法中的步骤。
[0064]
相比于现有技术，本发明利用一组阵列天线中心点a的坐标、n组定位标签的真实坐标以及n组定位标签相对于阵列天线的方向角θ和俯仰角通过旋转和计算得到n组测量坐标以及n组旋转后的坐标，进而计算得到旋转矩阵，最终计算得到姿态角。使用定位标签对阵列测向天线进行姿态的校准，获取姿态角，方法操作简单，不需要第三方专业设备，能够极大提高阵列天线校准的效率，解决了阵列天线姿态校准过程中难度大、耗时、成本高的
问题。
附图说明
[0065]
图1为本发明实施例中阵列天线坐标系的示意图；
[0066]
图2为本发明实施例中阵列测向天线的姿态校准方法的流程图一；
[0067]
图3为本发明实施例中阵列测向天线的姿态校准方法的流程图二；
[0068]
图4为本发明实施例中p在坐标系中的位置示意图；
[0069]
图5为本发明实施例中各点旋转后在坐标系中的位置示意图。
具体实施方式
[0070]
下面将结合示意图对本发明的阵列测向天线的姿态校准方法及系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0071]
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0072]
本发明提供的阵列测向天线的姿态校准方法需要测量阵列天线相对于地图参考坐标系的姿态关系，如图1所示，在本实施例中为了便于描述阵列测向天线的安装姿态，定义以阵列天线为参考的笛卡尔三维坐标系，以均匀圆阵为例：
[0073]
以均匀圆阵的中心点为坐标系原点；
[0074]
1号阵元与均匀圆阵中心的连线为坐标系的x轴方向，从均匀圆阵的中心点到1号阵元的方向为正方向；
[0075]
垂直于均匀圆阵且过坐标系原点的直线为z轴，阵列天线朝向地面的方向为z轴的负方向；
[0076]
y轴垂直于xz平面，且过坐标系原点。
[0077]
定义地图参考坐标系为(可结合图4)：
[0078]
x轴、y轴和原点以地图的x轴、y轴和原点为准；
[0079]
以水平面的垂直方向为z轴方向。
[0080]
阵列测向天线的安装姿态采用旋转顺序为z-y-x的欧拉角进行描述，即阵列天线的坐标系初始时刻与地图参考坐标系重合，依次绕z-y-x进行旋转，产生方位角(yaw)、俯仰角(pitch)和横滚角(roll)；
[0081]
方位角(yaw)：阵列天线绕z轴进行旋转的角度；
[0082]
俯仰角(pitch)：阵列天线绕x轴进行旋转的角度；
[0083]
横滚角(roll)：阵列天线绕y轴进行旋转的角度。
[0084]
本发明所提供的姿态校准方法则是为了获取准确姿态角，即方位角(yaw)、俯仰角(pitch)和横滚角(roll)数据。请参考图2-3，下面对本发明的阵列测向天线的姿态校准方法进行详细说明，该方法包括步骤：
[0085]
s1、精确测量阵列天线中心点a的真实坐标；
[0086]
s2、放置定位标签于所述阵列天线的周围，测量n组所述定位标签的真实坐标pr以及n组所述定位标签相对于所述阵列天线的方向角θ和俯仰角
[0087]
s3、得到n组所述定位标签的测量坐标p；
[0088]
s4、得到每个所述测量坐标p点旋转后的坐标p’；
[0089]
s5、利用n组所述p和p’的坐标计算旋转矩阵r；
[0090]
s6、利用所述旋转矩阵r获得所述阵列天线的姿态角。
[0091]
具体的，在步骤s1中精确测量出阵列天线中心点a在地图上的真实坐标记为(x0,y0,z0)。
[0092]
在步骤s2中，放置一个定位标签于阵列天线的下方某位置，并精确测量该定位标签在地图上的真实坐标pr记为(xr1,yr1,zr1)。
[0093]
在本实施例中，优选的，标签相对于阵列天线俯仰角范围可以为20度到50度，实际测量时，也会使用其它的角度。
[0094]
阵列天线采集数据并上传至服务器，服务器对该标签进行测向处理，获得该标签相对于阵列天线的方向角θ和俯仰角
[0095]
将定位标签移动一个位置，重复n次，n大于等于3，不同位置尽量分散。
[0096]
获得如下数据：
[0097]
1组阵列天线中心点的坐标(x0,y0,z0)；
[0098]
n组方向角和俯仰角：
[0099]
n组定位标签的真实坐标[(xr1,yr1,zr1),(xr2,yr2,zr2)
……
(xrn,yrn,zrn)]。
[0100]
在其他实施例中，也可以放置n个标签，同时进行数据采集，以节约校准时间。
[0101]
具体的，在步骤s3中，计算n组定位标签的测量坐标p的坐标：
[0102]
为了便于计算，将阵列天线中心点(x0,y0,z0)的坐标平移到(0,0,z0)，则定位标签的真实坐标也随之变为：
[0103]
[(xr
1-x0,yr
1-y0,zr1),(xr
2-x0,yr
2-y0,zr2)
……
(xr
n-x0,yr
n-y0,zrn)]
[0104]
记为：
[0105]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]
[0106]
其中：
[0107]
xi＝xri-x0
[0108]
yi＝yri-y0
[0109]
zi＝zri
[0110]
由于zri为精确测量值，故zi也为精确测量值。
[0111]
请参考图4，当阵列天线位于(0,0,z0)时，定位标签的高度为zi，则定位标签与阵列天线之间的高度差为z0-zi，通过方向角θ和俯仰角确定定位标签测量坐标p的坐标点：
[0112][0113]
所以可以获得n组定位标签的测量坐标p：
[0114]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]。
[0115]
在步骤s4中，计算定位标签测量坐标p点通过旋转矩阵r的旋转后的坐标集：
[0116]
请参考图5，在本实施例中，图中坐标均是在地图坐标系下的值。图中阵列天线中
心点a的坐标为(0,0,z0)，pr(x1,y1,z1)为定位标签的真实位置经过相同的平移后的位置坐标。阵列天线的理想姿态为平行于地图参考坐标系的姿态，阵列天线的真实姿态与理想姿态相比，有一个旋转角度，假设阵列天线的真实姿态是理想姿态绕a点按照旋转矩阵r的旋转操作后得到的，o点是地图坐标系的原点，o’是o点通过旋转矩阵为r的旋转后的点，与阵列天线平行且过o点的平面l’，也是水平面l通过旋转矩阵r的旋转后获得的平面。
[0117]
通过由阵列测向天线测量出的方向角θ和俯仰角计算出定位标签的测量坐标p(x1,y1,z1)，由于p和pr位于同一个水平面，所以有z1＝z1；p’是直线apr和平面l’的交点，又因为pr相对于a点的方向角θ和俯仰角与p点相对于a点的方向角θ和俯仰角是相同的，p’是直线apr上的一点，且在平面l’上，因此p’相对于阵列天线坐标系的位置与p相对于地图坐标系的位置是相同的，所以p’也是p点通过旋转矩阵r的旋转后的点。
[0118]
故：
[0119][0120]
利用a点坐标(0,0,z0)、定位标签的实际坐标pr(x1,y1,z1)以及ap’的长度，计算出p’的坐标(x
′1,y
′1,z
′1)。
[0121]
进一步的，由n组上述的坐标，获得n组p点旋转后的坐标：
[0122]
[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]
[0123]
也就是坐标集：
[0124]
sp＝[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]＝[sp1,sp2,
……
spn]
[0125]
p通过旋转矩阵r的旋转后的坐标集：
[0126]
sp’＝[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]＝[sp
′1,sp
′2,
……
sp
′n]。
[0127]
在步骤s5中，基于上述内容，在一个实施例中，通过svd分解方法可以获得旋转矩阵r：
[0128]
计算两个坐标集的平均值：
[0129][0130]
对所有点进行归一化：
[0131][0132]
计算协方差矩阵：
[0133]
s＝ab
t
[0134]
其中，a和b是分别以ai和bi为列组成的矩阵，矩阵维数为3
×
n。
[0135]
计算矩阵s的奇异值分解s＝u∑v
t
，则旋转矩阵r可以使用如下公式计算：
[0136][0137]
其中det表示计算矩阵的行列式，v是s
t
s的特征向量构成的矩阵。
[0138]
在步骤s6中，假设r为：
[0139][0140]
采用如下公式计算欧拉角：
[0141][0142]
进一步的，在本发明实施例中，还包括：通过旋转矩阵r对定位标签的测量坐标进行校准，步骤如下：
[0143]
假设基站位于点a(0,0,z0)，通过测向获得定位标签相对于基站的方向角和俯仰角为则可以计算出定位标签的测量坐标p：
[0144][0145]
其中z为定位标签的高度；
[0146]
使用旋转矩阵r对定位标签的测量坐标p(x,y,z)进行旋转，得到点p’：
[0147][0148]
计算基站a与点p’确定的直线与定位标签所在的水平面的交点pr(x1,y1,z)；
[0149]
结合基站的真实位置，计算定位标签的真实位置：(x1+x0,y1+y0,z)。
[0150]
本发明实施例中还提供一种阵列测向天线的姿态校准系统，包括：测向模块、计算模块和姿态角获取模块；
[0151]
所述测向模块用于精确测量阵列天线中心点a的真实坐标、定位标签的真实坐标、以及所述定位标签相对于所述阵列天线的方向角θ和俯仰角
[0152]
所述计算模块用于利用所述测向模块测量的数据进行精确计算得到所述定位标签的测量坐标p以及所述测量坐标p点旋转后的坐标p’；
[0153]
所述姿态角获取模块用于利用计算模块计算得到的所述p和p’的坐标获得旋转矩阵r。
[0154]
所述测向模块具体用于获得n组方向角和俯仰角：
[0155]
n组定位标签的真实坐标[(xr1,yr1,zr1),(xr2,yr2,zr2)
……
(xrn,yrn,zrn)]。
[0156]
所述计算模块还用于获得n组定位标签的测量坐标p和旋转后的坐标p’。
[0157]
所述计算模块具体用于采用如下形式获得n组定位标签的测量坐标p：
[0158]
将阵列天线中心点(x0,y0,z0)的坐标平移到(0,0,z0)，则定位标签的真实坐标也随之变为：
[0159]
[(xr
1-x0,yr
1-y0,zr1),(xr
2-x0,yr
2-y0,zr2)
……
(xr
n-x0,yr
n-y0,zrn)]
[0160]
记为：
[0161]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]
[0162]
其中：
[0163]
xi＝xri-x0
[0164]
yi＝yri-y0
[0165]
zi＝zri
[0166]
由于zri为精确测量值，故zi也为精确测量值。
[0167]
请参考图4，当阵列天线位于(0,0,z0)时，定位标签的高度为zi，则定位标签与阵列天线之间的高度差为z0-zi，通过方向角θ和俯仰角确定定位标签测量坐标p的坐标点：
[0168][0169]
所以可以获得n组定位标签的测量坐标p：
[0170]
[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]。
[0171]
所述计算模块具体用于采用如下形式获得n组旋转后的坐标p’：
[0172]
阵列天线中心点a的坐标为(0,0,z0)，pr(x1,y1,z1)为定位标签的真实位置经过相同的平移后的位置坐标。阵列天线的理想姿态为平行于地图参考坐标系的姿态，阵列天线的真实姿态与理想姿态相比，有一个旋转角度，假设阵列天线的真实姿态是理想姿态绕a点按照旋转矩阵r的旋转操作后得到的，o点是地图坐标系的原点，o’是o点通过旋转矩阵为r的旋转后的点，与阵列天线平行且过o点的平面l’，也是水平面l通过旋转矩阵r的旋转后获得的平面。
[0173]
通过由阵列测向天线测量出的方向角θ和俯仰角计算出定位标签的测量坐标p(x1,y1,z1)，由于p和pr位于同一个水平面，所以有z1＝z1；p’是直线apr和平面l’的交点，又因为pr相对于a点的方向角θ和俯仰角与p点相对于a点的方向角θ和俯仰角是相同的，p’是直线apr上的一点，且在平面l’上，因此p’相对于阵列天线坐标系的位置与p相对于地图坐标系的位置是相同的，所以p’也是p点通过旋转矩阵r的旋转后的点。
[0174]
故：
[0175][0176]
利用a点坐标(0,0,z0)、定位标签的实际坐标pr(x1,y1,z1)以及ap’的长度，计算出p’的坐标(x
′1,y
′1,z
′1)。
[0177]
进一步的，由n组上述的坐标，获得n组p点旋转后的坐标：
[0178]
[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]
[0179]
也就是坐标集：
[0180]
sp＝[(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)
……
(xn,yn,zn)]＝[sp1,sp2,
……
spn]
[0181]
p通过旋转矩阵r的旋转后的坐标集：
[0182]
sp’＝[(x
′1,y
′1,z
′1),(x
′1,y
′1,z
′1)
……
(x
′n,y
′n,z
′n)]＝[sp
′1,sp
′2,
……
sp
′n]。
[0183]
所述姿态角获取模块具体用于根据如下方式获得旋转矩阵r。
[0184]
计算两个坐标集的平均值：
[0185][0186]
对所有点进行归一化：
[0187]
[0188]
计算协方差矩阵：
[0189]
s＝ab
t
[0190]
其中，a和b是分别以ai和bi为列组成的矩阵，矩阵维数为3
×
n。
[0191]
计算矩阵s的奇异值分解s＝u∑v
t
，则旋转矩阵r可以使用如下公式计算：
[0192][0193]
其中det表示计算矩阵的行列式，v是s
t
s的特征向量构成的矩阵。
[0194]
进一步的，还包括校准模块，所述校准模块用于通过旋转矩阵r对定位标签的测量坐标进行校准。
[0195]
具体的，所述校准模块采用如下形式进行校准：
[0196]
假设基站位于点a(0,0,z0)，通过测向获得定位标签相对于基站的方向角和俯仰角为则可以计算出定位标签的测量坐标p：
[0197][0198]
其中z为定位标签的高度；
[0199]
使用旋转矩阵r对定位标签的测量坐标p(x,y,z)进行旋转，得到点p’：
[0200][0201]
计算基站a与点p’确定的直线与定位标签所在的水平面的交点pr(x1,y1,z)；
[0202]
结合基站的真实位置，计算定位标签的真实位置：(x1+x0,y1+y0,z)。
[0203]
相应地，本技术的其他实施方式还可以提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本技术的各方法实施方式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括但不限于，相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0204]
综上所述，本发明通过使用定位标签对阵列天线进行姿态的测量，获取姿态角，完成姿态校准，成本低，效率高，适合广泛应用。
[0205]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。