【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及蓝牙aoa定位，具体地说是一种基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法。
技术介绍
1、近年来，定位服务的相关技术和产业蓬勃发展。无论在室内还是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置信息和提供位置服务的需求变得日益迫切。在室内位置相关的服务中，常见的主要定位技术包括wi-fi定位、蓝牙定位、红外定位、超宽带定位、超声波定位、led定位、zigbee定位、射频识别定位等。不同的技术以及配置方案，其定位精度、稳定性、实施成本也不尽相同。其中蓝牙技术受益于标准规范的不断更新迭代和推广，蓝牙生态的应用丰富多彩。
2、相比其他定位技术，蓝牙aoa(angle of arrival，到达角)定位技术兼具高精度、低成本、低功耗、高并发、高兼容性等特性优势。传统蓝牙定位技术通过蓝牙信标实现定位服务，将信标功率数据与实际接收信号强度指示进行比较，通过差值评估位置，这种方案只能估算物体近似距离且精度相对较低。2019年1月，bluetooth sig在其发布的蓝牙核心规范5.1版本中添加了高精度定位寻址功能，通过两个固定设备和目标设备之间的角度或方向精确定位目标设备，为亚米级室内实时定位应用提供了技术解决方案。寻向功能包括信号到达角(angle of arrival,aoa)与出发角(angle of departure，aod)，通过测量信号的来波方向与基站的空间安装位置来进行定位。相较于蓝牙rssi定位，蓝牙aoa定位技术不需要定位信标保持固定的发射功率，故对定位标签的要求更低，兼容性更强，且在基站部署难度与部署成本上
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，该方法可以削弱多径相干信源带来的影响，从而提高信号来波方向估计的精度。
2、本专利技术是这样实现的：
3、一种基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，包括如下步骤：
4、a、将二维n×n均匀面阵按x方向划分为n个一维的子阵；
5、b、通过正交采样获取各阵元上信号的相位信息并经相移补偿后，将各阵元信号的幅度置1，然后计算接收信号的原始协方差矩阵；
6、c、使用x方向各子阵重构后的协方差矩阵代替原始协方差矩阵的主对角分块矩阵；各子阵重构后的协方差矩阵具体是采用各子阵的协方差矩阵上三角对角线元素的平均值作为重构矢量重构后而得到；
7、d、依据各子阵之间接收信号的相关性对原始协方差矩阵的上三角分块矩阵分别进行修正；
8、e、利用协方差矩阵共轭对称性求出修正后的协方差矩阵的下三角分块矩阵；
9、f、使用修正后的协方差矩阵进行信号来波方向的二维角度估计。
10、优选的，步骤a中，二维均匀面阵为4×4的均匀面阵，该二维均匀面阵按x方向划分为四个一维子阵，分别记为lx1,lx2,lx3,lx4；
11、步骤b中接收信号的原始协方差矩阵rxx如下：
12、
13、步骤c中，子阵lx1的协方差矩阵r1,1如下：
14、
15、以r1,1上三角对角线元素的平均值作为重构矢量r＝[r0,r1,r2,r3]，然后采用r＝[r0,r1,r2,r3]重构一个toeplitz矩阵作为lx1的协方差矩阵，重构后的协方差矩阵如下：
16、
17、重构矢量r＝[r0,r1,r2,r3]的公式如下：
18、
19、依据上述子阵lx1重构协方差矩阵的方法，对子阵lx2,lx3,lx4的协方差矩阵进行重构，子阵lx2,lx3,lx4重构后的协方差矩阵分别记为
20、采用子阵lx1,lx2,lx3,lx4重构后的协方差矩阵分别代替原始协方差矩阵rxx中的r1,1,r2,2,r3,3,r4,4。
21、上述方案中，步骤d中，各子阵之间接收信号的相关性具体是：相邻子阵的接收信号只差一个对角阵φ，其中，m表示信号源的个数，d为相邻阵元间距，λ为信号波长，θ、分别为信号来波方向的方位角和俯仰角；
22、对原始协方差矩阵的上三角分块矩阵r1,2进行修正，得到修正后的矩阵如下：
23、
24、其中，为相位差矩阵，具体如下：
25、
26、其中，x2(i,:)./x1(i,:)表示x2的第i行元素与x1的第i行元素对应相除；x1和x2分别是子阵lx1,lx2的接收信号；
27、同理可得原始协方差矩阵的上三角分块矩阵r1,3,r1,4,r2,3,r2,4,r3,4各自修正后的矩阵
28、上述方案中，子阵lx1的接收信号x1的公式如下：
29、
30、其中，s(t)为窄带信号，ax为子阵lx1的导向矩阵；
31、
32、
33、为噪声。
34、上述方案中，步骤f中修正后的协方差矩阵如下：
35、
36、对修正后的协方差矩阵进行特征值分解，如下式所示：
37、
38、其中，us为16个特征值中较大的m个特征值λ1,λ2,…,λm所对应的特征向量，un为16-m个较小特征值所对应的特征向量；
39、然后依据2d-music算法的空间谱表达式
40、
41、对来波信号的二维角度进行估计：
42、
43、优选的，使用esprit算法对角度进行初步估计，以初步估计的结果为基础，在区间上进行二维空间谱的局部搜索，进一步得到精确角度δ为预设角度。
44、本专利技术从蓝牙信号的测角原理出发，分析了均匀面阵的阵列模型，并根据接收机轮询采样的特点，对采样信号进行补偿；为了削弱室内多径相干信源带来的影响，提出一种基于均匀面阵的toeplitz矩阵重构方法；并且，使用esprit算法初步估计信号的来波方向，然后再进行空间谱的局部搜索获取精度较高的角度估计值，大大较低了蓝牙接收机的计算量。
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1.一种基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，步骤a中，二维均匀面阵为4×4的均匀面阵，该二维均匀面阵按x方向划分为四个一维子阵，分别记为Lx1,Lx2,Lx3,Lx4；
3.根据权利要求2所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，步骤d中，各子阵之间接收信号的相关性具体是：相邻子阵的接收信号只差一个对角阵Φ，其中，m表示信号源的个数，d为相邻阵元间距，λ为信号波长，θ、分别为信号来波方向的方位角和俯仰角；
4.根据权利要求3所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，子阵Lx1的接收信号X1的公式如下：
5.根据权利要求3所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，步骤f中，修正后的协方差矩阵如下：
6.根据权利要求5所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，使用ESPRIT算法对角度进行初步估计，以初步估计的结果为基础，在区间[θ0-Δ,θ0+Δ],上进行二维空间谱
...【技术特征摘要】
1.一种基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，步骤a中，二维均匀面阵为4×4的均匀面阵，该二维均匀面阵按x方向划分为四个一维子阵，分别记为lx1,lx2,lx3,lx4；
3.根据权利要求2所述的基于均匀面阵的来波信号二维角度估计方法，其特征是，步骤d中，各子阵之间接收信号的相关性具体是：相邻子阵的接收信号只差一个对角阵φ，其中，m表示信号源的个数，d为相邻阵元间距，λ为信号波长，θ、分别为...
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