CN117805865A - 一种卫星导航信号doa参数估计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种卫星导航信号DOA参数估计方法。所述方法包括：对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号；将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量；将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱；构建解卷积核函数，根据解卷积核函数和Richardson‑Lucy方法对初始阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱；利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值。采用本方法能够提高DOA估计精度，同时可以降低运算复杂度。
Description
技术领域
本申请涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种卫星导航信号DOA参数估计方法。
背景技术
卫星导航系统可以实现高精度导航、定位与授时服务，已在各行各业得到了广泛应用。但是由于导航信号非常微弱，在提供高精度服务时面临一些挑战，如微弱信号的接收处理和多径建模与抑制等。阵列天线GNSS接收机通过阵列信号处理构造阵列波束形成器，可以实现抑制干扰、增强导航信号的功能，应用越来越广泛。利用阵列天线可以实现卫星导航信号DOA参数的精确估计，具有重要的应用价值：首先，利用DOA参数构造波束形成器可以提高导航信号信噪比，进而提高弱信号下的导航信号接收能力；其次，DOA参数可以用于多径信号建模与抑制；进一步，DOA参数可以实现接收机姿态估计。
然而，目前传统的DOA估计方法包括三类：基于子空间分解的方法，如MUSIC算法、ESPRIT算法等，该类算法虽然可以高精度的DOA参数估计，但是存在计算量大、受阵列误差影响大等问题；基于稀疏恢复方法，如基于OMP方法、基于稀疏贝叶斯方法等，该类方法需要已知目标个数，同时存在计算量大的问题；基于方向锁定环路的DOA跟踪方法，该类方法计算量较小，但DOA估计存在估计误差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种卫星导航信号DOA参数估计方法，该方法可以提高DOA估计精度，并且显著降低计算复杂度。
一种卫星导航信号DOA参数估计方法，所述方法包括：
获取阵列天线接收信号；对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号；
将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量；
将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱；
构建解卷积核函数，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱；
利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果；根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值。
在其中一个实施例中，对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号，包括：
对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号为
；
其中，表示基带GNSS信号，/>表示信号幅度，/>表示信号伪随机噪声码，/>表示GNSS信号传输时延，/>表示基带信号频率，/>表示基带信号相位，/>表示噪声矢量，/>表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距。
在其中一个实施例中，将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量，包括：
将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量为
；
其中，表示本地复制伪码信号，/>,/>和/>分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，/>表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，/>表示相关累加后的噪声分量。
在其中一个实施例中，将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱，包括：
将预先设置的角度范围[-90°，90°]离散化为个网格，离散间隔为/>，第/>个网格对应的角度值为/>，针对每一个离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱为
；
其中，表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数。
在其中一个实施例中，构建解卷积核函数的过程包括：
将阵列方向图能量谱改写为函数为
；
其中，，/>表示sinc函数，/>表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数；
根据函数构建波束方向图能量谱为
；
从波束方向图能量谱中分解构造解卷积核函数为
。
在其中一个实施例中，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱，包括：
根据解卷积核函数将波束方向图能量谱表示为核函数的卷积形式为
；
其中，表示目标空间分布谱；
采用Richardson-Lucy方法对波束方向图能量谱进行迭代反卷积处理，得到空间分布谱。
在其中一个实施例中，利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果，包括：
利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果为
；
；
其中，表示最大值幅度，/>表示最大值对应的索引值，/>表示空间分布谱，/>为离散间隔。
在其中一个实施例中，根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值，包括：
选取与最大值相邻的次大值对应的索引值和幅度分别为和/>，则次大值对应的角度值为/>，根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值为
。
上述一种卫星导航信号DOA参数估计方法，本申请首先将数字中频阵列信号进行相关累加处理，显著提高信号的信噪比，可以有效提高DOA估计精度，再将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱，进而构建解卷积核函数，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到导航信号空间分布谱，最后利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果；利用DOA粗估计值两侧的次大值进行线性插值处理，得到DOA精估计值，线性插值运算可以对离散的空间分布谱进行更加精确的拟合，从而实现更精确的估计。本发明可以显著降低了计算复杂度，大大提高了DOA参数估计准确率，实现在快拍数较少、阵元数较少的条件下均可以实现高精度DOA参数估计。
附图说明
图1为一个实施例中一种卫星导航信号DOA参数估计方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种卫星导航信号DOA参数估计方法，包括以下步骤：
步骤102，获取阵列天线接收信号；对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号。
步骤104，将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量；
由于导航信号非常微弱，淹没在噪声下，本申请通过相关累加处理可以显著提高信号的信噪比，可以有效提高DOA估计精度。
步骤106，将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱。
均匀线阵的阵列方向图的能量谱具有平移不变性，本申请通过核函数与目标的空间分布谱进行卷积运算可以得到，从而在本申请中通过首先构造阵列方向图，然后计算其能量谱，并利用解卷积运算得到目标的空间分布谱，进而可以估计目标的DOA参数。
步骤108，构建解卷积核函数，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对初始阵列方向图能量谱的能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱。
Richardson-Lucy方法是常用的反卷积运算方法，结合本申请的构造解卷积核函数，可以实现对阵列方向图的能量谱进行解卷积运算，解卷积的输出即为目标的空间分布谱。
步骤110，利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果；根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值。
目标的空间分布谱代表了目标在空间的分布情况，空间分布谱的幅度最大值则代表目标的入射方向，通过估计幅度最大值对应的角度参数即可实现对DOA参数的估计。由于空间被离散化为个网格，因此，直接利用空间分布谱估计的DOA参数不够精确，可以作为DOA粗估计结果。线性插值运算可以对离散的空间分布谱进行更加精确的拟合，从而实现更精确的估计。利用DOA粗估计值两侧的次大值进行线性插值处理，即可得到更加精确的DOA估计值。
上述一种卫星导航信号DOA参数估计方法，本申请首先将数字中频阵列信号进行相关累加处理，显著提高信号的信噪比，可以有效提高DOA估计精度，再将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱，进而构建解卷积核函数，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到导航信号空间分布谱，最后利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果；利用DOA粗估计值两侧的次大值进行线性插值处理，得到DOA精估计值，线性插值运算可以对离散的空间分布谱进行更加精确的拟合，从而实现更精确的估计。本发明可以显著降低了计算复杂度，大大提高了DOA参数估计准确率，实现在快拍数较少、阵元数较少的条件下均可以实现高精度DOA参数估计。
在其中一个实施例中，对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号，包括：
对阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号为
；
其中，表示基带GNSS信号，/>表示信号幅度，/>表示信号伪随机噪声码，/>表示GNSS信号传输时延，/>表示基带信号频率，/>表示基带信号相位，/>表示噪声矢量，/>表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距。
在其中一个实施例中，将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量，包括：
将数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量为
；
其中，表示本地复制伪码信号，/>,/>和/>分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，/>表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，/>表示相关累加后的噪声分量。
在其中一个实施例中，将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱，包括：
将预先设置的角度范围[-90°，90°]离散化为个网格，离散间隔为/>，第/>个网格对应的角度值为/>，针对每一个离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱为
；
其中，表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数。
在其中一个实施例中，构建解卷积核函数的过程包括：
将阵列方向图能量谱改写为函数为
；
其中，，/>表示sinc函数，/>表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数；
根据函数构建波束方向图能量谱为
；
从波束方向图能量谱中分解构造解卷积核函数为
。
在其中一个实施例中，根据解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱，包括：
根据解卷积核函数将波束方向图能量谱表示为核函数的卷积形式为
；
其中，表示目标空间分布谱；
采用Richardson-Lucy方法对波束方向图能量谱进行迭代反卷积处理，得到空间分布谱。
在具体实施例中，采用Richardson-Lucy方法实现反卷积处理，Richardson-Lucy方法表示为
；
其中，表示迭代次数。该方法中要求波束方向图在角度域具有平移不变性，即。波束方向图能量谱及核函数具备平移不变性特点，令/>，，/>带入上式得到空间分布谱。
在其中一个实施例中，利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果，包括：
利用空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果为
；
；
其中，表示最大值幅度，/>表示最大值对应的索引值，/>表示空间分布谱，/>为离散间隔。
在其中一个实施例中，根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值，包括：
选取与最大值相邻的次大值对应的索引值和幅度分别为和/>，则次大值对应的角度值为/>，根据线性插值运算对DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值为
。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种卫星导航信号DOA参数估计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取阵列天线接收信号；对所述阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号；
将所述数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量；
将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱；
构建解卷积核函数，根据所述解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对所述阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱；
利用所述空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果；根据线性插值运算对所述DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号，包括：
对所述阵列天线接收信号进行射频前端处理，得到数字中频阵列信号为
；
其中，表示基带GNSS信号，/>表示信号幅度，表示信号伪随机噪声码，/>表示GNSS信号传输时延，/>表示基带信号频率，/>表示基带信号相位，/>表示噪声矢量，/>表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量，包括：
将所述数字中频阵列信号进行相关累加处理，得到相关值矢量为
；
其中，表示本地复制伪码信号，/>,/>和/>分别表示伪码时延、多普勒频率和载波相位估计值，/>表示卫星导航信号相关累加值，表示码相位估计误差，/>表示相关累加后的噪声分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将预先设置的角度范围离散化为多个网格，利用每个网格对应的离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱，包括：
将预先设置的角度范围[-90°，90°]离散化为个网格，离散间隔为/>，第/>个网格对应的角度值为/>，针对每一个离散角度分别构造阵列导向矢量后与相关值矢量进行相乘得到阵列方向图能量谱为
；
其中，表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，表示均匀线阵的阵列导向矢量，/>表示GNSS信号入射方向角，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建解卷积核函数的过程包括：
将阵列方向图能量谱改写为函数为
；
其中，，/>表示sinc函数，/>表示卫星导航信号相关累加值，/>表示码相位估计误差，/>表示信号波长，/>表示阵元间距，/>表示阵元个数；
根据函数构建波束方向图能量谱为
；
从所述波束方向图能量谱中分解构造解卷积核函数为
。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述解卷积核函数和Richardson-Lucy方法对所述阵列方向图能量谱进行解卷积运算，得到空间分布谱，包括：
根据所述解卷积核函数将波束方向图能量谱表示为核函数的卷积形式为
；
其中，表示目标空间分布谱；
采用Richardson-Lucy方法对所述波束方向图能量谱进行迭代反卷积处理，得到空间分布谱。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果，包括：
利用所述空间分布谱对DOA参数进行粗估计，得到DOA粗估计结果为
；
；
其中，表示最大值幅度，/>表示最大值对应的索引值，/>表示空间分布谱，为离散间隔。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据线性插值运算对所述DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值，包括：
选取与最大值相邻的次大值对应的索引值和幅度分别为和/>，则次大值对应的角度值为/>，根据线性插值运算对所述DOA粗估计结果进行插值处理，得到DOA精估计值为
。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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