[发明专利]北斗和超宽带系统中一种TOA与DOA联合估计降维方法

说明书

本发明涉及一种北斗和超宽带系统中一种TOA与DOA联合估计降维方法。该方法使用两根天线接收超宽带信号，分别估计出两根天线所对应的TOA，再依据几何信息计算出DOA的估计值；其中，TOA的估计步骤可概括为：将接收信号变换至频域并获得信道冲激响应的估计；计算两个信道冲激响应的互协方差矩阵，并在此基础上构造扩展观察矩阵；计算扩展观察矩阵的自协方差矩阵并对其进行特征值分解；构造降维谱峰搜索函数，获得TOA的估计结果。本发明的优点在于，能够获得翻倍的频域采样点数以及扩展的多径簇数，且能够以较低的计算复杂度获得较高的TOA与DOA估计精度。

技术领域

本发明涉及到达时间与波达方向估计领域，尤其涉及一种北斗和超宽带系统中一种TOA与DOA联合估计降维方法。

背景技术

卫星导航技术为现代生活、生产提供了基于位置的服务保障，但是在建筑物密集处或室内，由于卫星信号被遮挡，仅仅依靠单一的卫星导航技术无法满足室内外连续定位的需求。超宽带是一种以纳秒级甚至亚纳秒级脉冲传输信息的无线通信技术，极高的时间分辨能力，使得基于信号TOA估计的超宽带定位可达到厘米级甚至毫米级的定位精度。此外，如果能够获得信号的波达方向DOA，这将有助于超宽带信号的精确定位。现有的UWB系统中TOA与DOA参数估计主要存在算法复杂度高、估计精度不够高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种北斗和超宽带系统中一种TOA与DOA联合估计降维方法，能够获得翻倍的频域采样点数和扩展的多径簇数，具有较低的计算复杂度和较高的估计精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种北斗和超宽带系统中一种TOA与DOA联合估计降维方法，包括如下步骤：

S1、使用两根阵列天线接收信号，分别获得两根天线的信道冲激响应估计与

S2、使用采样点数与多径簇的扩展和降维算法，获得第一根天线的TOA估计

S3、使用采样点数与多径簇的扩展和降维算法，获得第二根天线的TOA估计

S4、利用几何信息与两根天线的TOA估计结果计算出DOA的估计值。

在本发明一实施例中，步骤S2中，所述采样点数与多径簇的扩展和降维算法具体包括：

S21、计算信道冲激响应的互协方差矩阵E₁(τ)和分别为两根天线的时延矩阵，其中，为对角矩阵，B为信道复数衰落的系数集，为复数，L×L表示矩阵大小，(·)^H表示矩阵的共轭转置运算；

S22、将划分为两个N×(N-1)维的矩阵X₁和X₂，其中矩阵X₁为R_H的前N-1列，矩阵X₂为R_H的后N-1列；

S23、构造扩展观察矩阵

其中，为单位反对角矩阵,(·)*表示矩阵的共轭运算；

S24、对扩展观察矩阵进行特征值分解，获得其噪声子空间U_v；

S25、构造降维谱峰搜索函数

其中，u＝[1,0]^T，为单位对角矩阵，e₁(τ)＝[1,e^-jΔωτ,…,e^{-j(N-1)Δωτ}]^T，N为频域采样点数，采样间隔为Δω＝2π/N，τ为第一根天线的真实TOA值，j为虚数，所以_jΔωτ表示第一根天线第l路相位信息；使用该降维谱峰搜索函数进行谱峰搜索，峰值所对应时延即为第一根天线的TOA估计值