[發明專利]一種天線陣列來波方向的到達角估計方法

有效

• 申請號: 201811529049.0
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109738854B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 彭岳星;孟晗;李倩
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 謝安昆;宋志強

本申請公開了一種天線陣列來波方向的到達角估計方法，通過基于子空間的自校準，根據接收天線陣列第一個陣元的相位中僅包含校準誤差信息、相鄰陣元的校準誤差相互獨立、且相位差中包含來波方向的到達角信息分量，構建最大重合子陣，并獲得陣列相位校準誤差、到達角較為準確的初始估計值，然后利用信號子空間與噪聲子空間的正交性，設計迭代優化算法，實現到達角、相位校準誤差的迭代更新估計，獲得精確的角度估計。該發明可在陣元存在較大的相位校準誤差時仍獲得優異的角度估計性能。

技術領域

本發明涉及寬帶無線通信的多天線領域，特別地，涉及一種天線陣列來波方向的到達角估計方法。

背景技術

為了緩解微波頻段的頻譜資源緊張，毫米波通信技術成為下一代移動通信的關鍵技術。毫米波頻段擁有豐富的頻譜資源，可實現Gbps級別的無線傳輸速率；其波長短的特性使其可在較小的物理尺寸上使用大規模天線陣列實現波束賦形，從而獲得高增益以彌補高頻段上的嚴重路損和衰落。由于波束賦形技術需要精確的方位信息，因此天線陣列來波方向的到達角估計成為毫米波通信的前提和基礎。受工藝水平的限制，實際的天線陣列普遍存在較大的陣元初始相位誤差，這將嚴重影響到達角估計與波束賦形的性能。

為了解決陣元初始相位誤差對到達角估計性能的影響，近年來許多的專家學者做了大量的研究工作。從各自著重點的不同，可以分為兩個研究方向：一是對現有算法不做處理，尋找對陣列誤差不敏感或敏感度極小的算法，從而降低陣列對到達角估計的影響。但是，這一類算法通常以增加算法的復雜度且損失算法性能為代價；二是設計算法對陣列誤差進行估計，通過估計值對相位誤差進行校準。

在上述第二個研究方向中，陣列誤差校準研究的方法有以下：

1、有源校準法。

有源校準法的核心思想是引入輔助定位源，借助此輔助定位源的精確到達角信息求解陣列誤差，然后通過求得的誤差值進行陣列誤差校準，最后采用常規的到達角估計算法進行到達角估計。

論文“賈永康,保錚,吳洹.一種陣列天線陣元位置、幅度及相位誤差的有源校準方法[J].電子學報,1996,(03):47-52.”提出了一種適用于不同陣列形式誤差的有源校準算法，當信號源到達角已知時，采用最小均方誤差準則求解陣列校準誤差。

論文“張銘,朱兆達.無需準確已知校準源方向的陣列通道不一致的單源校準法[J]. 電子科學學刊,2009,(01):20-25.”提出了一種利用已知信源構造代價函數、通過代價函數最小實現幅相誤差校準的算法，該算法不受陣列形式影響。

專利“孫奕髦,王立,樊榮,劉洋,胡澤鵬,鄒麟,殷吉昊,萬群.一種校準源位置未知的天線陣列幅相誤差動中校方法.CN201610865202.1”利用外部環境中存在的信號源作為校準源，在校準源位置未知的情況下，利用天線陣列在空間位置精確已知的網格中重復測量校準源信號從而確定校準天線陣元幅相誤差。

這類基于輔助定位源的方法通常需要精確的輔助定位源位置或者接收陣列位置，同時已知位置的細微偏差會引起到達角估計性能的顯著下降。因此，有源校準算法要達到較好的性能，對制作工藝或施工技術等提出了較高要求，在實際工程中難以推廣應用。

2、陣列自校準算法。

陣列自校準算法無需輔助定位源條件下完成天線陣列來波方向的到達角估計，但是陣列誤差嚴重影響目標到達角估計，由于破壞了陣列流形的特性規律，使得到達角估計算法無法唯一辨識陣列誤差信息和到達角信息。另外，聯合估計方法通常對到達角、陣列誤差的初始值敏感，導致算法性能不穩定。