[發明專利]北斗和超寬帶系統中一種TOA與DOA聯合估計降維方法

有效

• 申請號: 202110664520.2
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113406562B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 夏炳森;唐元春;陳端云;林文欽;徐麗紅;周釗正;張章煌
• 申請（專利權）人: 國網福建省電力有限公司經濟技術研究院;國網福建省電力有限公司
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14;G01S3/50;G01S19/48
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

本發明涉及一種北斗和超寬帶系統中一種TOA與DOA聯合估計降維方法。該方法使用兩根天線接收超寬帶信號，分別估計出兩根天線所對應的TOA，再依據幾何信息計算出DOA的估計值；其中，TOA的估計步驟可概括為：將接收信號變換至頻域并獲得信道沖激響應的估計；計算兩個信道沖激響應的互協方差矩陣，并在此基礎上構造擴展觀察矩陣；計算擴展觀察矩陣的自協方差矩陣并對其進行特征值分解；構造降維譜峰搜索函數，獲得TOA的估計結果。本發明的優點在于，能夠獲得翻倍的頻域采樣點數以及擴展的多徑簇數，且能夠以較低的計算復雜度獲得較高的TOA與DOA估計精度。

技術領域

本發明涉及到達時間與波達方向估計領域，尤其涉及一種北斗和超寬帶系統中一種TOA與DOA聯合估計降維方法。

背景技術

衛星導航技術為現代生活、生產提供了基于位置的服務保障，但是在建筑物密集處或室內，由于衛星信號被遮擋，僅僅依靠單一的衛星導航技術無法滿足室內外連續定位的需求。超寬帶是一種以納秒級甚至亞納秒級脈沖傳輸信息的無線通信技術，極高的時間分辨能力，使得基于信號TOA估計的超寬帶定位可達到厘米級甚至毫米級的定位精度。此外，如果能夠獲得信號的波達方向DOA，這將有助于超寬帶信號的精確定位。現有的UWB系統中TOA與DOA參數估計主要存在算法復雜度高、估計精度不夠高等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種北斗和超寬帶系統中一種TOA與DOA聯合估計降維方法，能夠獲得翻倍的頻域采樣點數和擴展的多徑簇數，具有較低的計算復雜度和較高的估計精度。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種北斗和超寬帶系統中一種TOA與DOA聯合估計降維方法，包括如下步驟：

S1、使用兩根陣列天線接收信號，分別獲得兩根天線的信道沖激響應估計與

S2、使用采樣點數與多徑簇的擴展和降維算法，獲得第一根天線的TOA估計

S3、使用采樣點數與多徑簇的擴展和降維算法，獲得第二根天線的TOA估計

S4、利用幾何信息與兩根天線的TOA估計結果計算出DOA的估計值。

在本發明一實施例中，步驟S2中，所述采樣點數與多徑簇的擴展和降維算法具體包括：

S21、計算信道沖激響應的互協方差矩陣E₁(τ)和分別為兩根天線的時延矩陣，其中，為對角矩陣，B為信道復數衰落的系數集，為復數，L×L表示矩陣大小，(·)^H表示矩陣的共軛轉置運算；

S22、將劃分為兩個N×(N-1)維的矩陣X₁和X₂，其中矩陣X₁為R_H的前N-1列，矩陣X₂為R_H的后N-1列；

S23、構造擴展觀察矩陣

其中，為單位反對角矩陣,(·)*表示矩陣的共軛運算；

S24、對擴展觀察矩陣進行特征值分解，獲得其噪聲子空間U_v；

S25、構造降維譜峰搜索函數

其中，u＝[1,0]^T，為單位對角矩陣，e₁(τ)＝[1,e^-jΔωτ,…,e^{-j(N-1)Δωτ}]^T，N為頻域采樣點數，采樣間隔為Δω＝2π/N，τ為第一根天線的真實TOA值，j為虛數，所以_jΔωτ表示第一根天線第l路相位信息；使用該降維譜峰搜索函數進行譜峰搜索，峰值所對應時延即為第一根天線的TOA估計值