[發(fā)明專利]基于共軛ZC序列對(duì)的速度、角度、距離聯(lián)合估計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110272610.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN113156365B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣軼;楊智宇;王銳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/02
• 分類號(hào): G01S5/02;G06F17/15;G06F17/16;G06F30/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于共軛ZC序列對(duì)的速度、角度、距離聯(lián)合估計(jì)方法。本發(fā)明包括：在發(fā)送端，設(shè)計(jì)一對(duì)共軛的ZC序列作為發(fā)送序列；在接收端，收到含有不同傳輸時(shí)延、多普勒頻偏、角度的多徑信號(hào)，利用最大似然法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；使用交替投影法將高維參數(shù)估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)低維參數(shù)估計(jì)問題；對(duì)于單徑的參數(shù)估計(jì)，基于ZC序列的性質(zhì)，將時(shí)延和頻偏的二維估計(jì)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維估計(jì)，然后結(jié)合牛頓迭代進(jìn)行精確估計(jì)。本發(fā)明可以在低帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的傳輸時(shí)延、多普勒頻偏和角度估計(jì)。仿真表明，本發(fā)明可在20MHz帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)1cm的距離估計(jì)精度，1m/s的速度估計(jì)精度以及0.01°的角度估計(jì)精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于共軛ZC序列對(duì)的速度、角度、距離聯(lián)合估計(jì)方法。

背景技術(shù)

無線測(cè)距定位算法在生活中有著切實(shí)的應(yīng)用，在室內(nèi)定位、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，與定位有關(guān)的技術(shù)越來越吸引人的注意。市場(chǎng)調(diào)研公司Markets and Markets在2020年出版的分析報(bào)告中預(yù)測(cè)全球的室內(nèi)定位的市場(chǎng)規(guī)模將從2017年的71.1億美元上漲到為2022年409.9億美元[1]。然而在一些全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)無法覆蓋或者未來5G自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景里，亟需能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率定位的技術(shù)，甚至要求厘米級(jí)的定位精度。

目前已有的研究工作大多只考慮時(shí)延和角度的聯(lián)合估計(jì)，或者不能很好的區(qū)分多徑密集的信號(hào)，亦或者沒有考慮非整數(shù)倍奈奎斯特采樣時(shí)延。然而實(shí)際中由于收發(fā)端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)存在多普勒頻偏，通過估計(jì)多普勒頻偏即速度可以進(jìn)行更好地定位；目前在測(cè)距精度上，超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)可以達(dá)到厘米級(jí)的精度，但是這種技術(shù)需要大帶寬、對(duì)硬件要求高，那么在帶寬有限的情況下，進(jìn)行非整數(shù)倍奈奎斯特采樣時(shí)延的估計(jì)可以提高測(cè)距的精度，并且降低硬件的成本；考慮各徑的時(shí)延、多普勒頻偏、角度，綜合這些信息有利于環(huán)境感知、定位等。因此如何在多徑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)時(shí)延、多普勒頻偏、角度的超分辨率估計(jì)是一個(gè)亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)算復(fù)雜度低，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的無線多徑環(huán)境下的距離(傳輸時(shí)延)、角度以及速度(多普勒頻偏)聯(lián)合估計(jì)方法。

本發(fā)明提供的無線多徑環(huán)境下的距離、角度以及速度聯(lián)合估計(jì)方法，在發(fā)送端，設(shè)計(jì)一對(duì)共軛的Zadoff-Chu序列(ZC序列)，作為發(fā)送序列；在接收端，收到含有不同傳輸時(shí)延、多普勒頻偏、角度的多徑信號(hào)，利用最大似然法進(jìn)行參數(shù)的估計(jì)，然后使用交替投影的方法將原本的高維參數(shù)估計(jì)問題(多徑)轉(zhuǎn)化為多個(gè)低維參數(shù)估計(jì)問題(單徑)，避免了高維搜索；對(duì)于單徑的參數(shù)估計(jì)，基于ZC序列的性質(zhì)，將關(guān)于時(shí)延和頻偏的二維估計(jì)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維估計(jì)，進(jìn)一步降低了運(yùn)算復(fù)雜度，然后結(jié)合牛頓迭代進(jìn)行精確值的估計(jì)。

具體步驟如下

第一步，設(shè)計(jì)一對(duì)共軛ZC序列，作為發(fā)送序列；

第二步，基于共軛ZC序列對(duì)的性質(zhì)，同時(shí)獲取時(shí)延、角度、多普勒頻偏的初始解；

第三步，基于時(shí)延、角度、多普勒頻偏的初始解，通過牛頓迭代，進(jìn)一步獲得三維參數(shù)的精確值。

其中，假設(shè)接收端存在一個(gè)有M天線數(shù)的均勻線性陣列，信號(hào)關(guān)于θ角度射向陣列的陣列響應(yīng)可以表示為：

其中，d表示天線陣列的間距，λ表示波長(zhǎng)，j表示虛數(shù)，(·)^T表示轉(zhuǎn)置操作。

考慮多徑環(huán)境，接收端接收到的多徑信號(hào)包含1個(gè)直射徑和U-1條反射徑，各徑存在不同的時(shí)延、角度、多普勒頻偏，所述多徑信號(hào)模型如下：