CN1470885A

CN1470885A - 一种抑制多径影响的角度估计方法

Info

Publication number: CN1470885A
Application number: CNA021255970A
Authority: CN
Inventors: 刁心玺; 吴和兵
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2022-07-23
Also published as: CN1307426C

Abstract

一种抑制多径影响的角度估计方法，用于估计辐射源角度，根据辐射源及接收机之间各种径的情况分别筛选判定出相应的径，再由相应的角度估计方法进行角度估计，具体包括以下步骤：1)进行数据采集，以获取辐射源的功率时延分布数据；2)进行径的判决，识别出功率时延分布上有效径的位置和功率；3)进行NLOS识别，利用2)步输出的径的位置和功率信息来识别出在辐射源和接收机之间是否有直达径存在；4)进行径的筛选；5)角度估计，根据NLOS识别的结果和径筛选的结果，确定相应的角度估计方法。本发明可显著提高复杂地理环境辐射源的角度估计精度，适用于方位角或俯仰角估计。

Description

一种抑制多径影响的角度估计方法

技术领域

本发明涉及无线定位领域，尤其涉及第三代蜂窝移动通信系统中移动台定位的角度估计方法。

背景技术

在无线电定位或定向技术中，角度估计是一项基本技术。美国专利US6,008,759号公开了一种目前在阵列天线接收机中得到广泛研究的ESPRIT方法，可以产生很高的估计精度，但是该方法的本质是对径的到达角的估计，而不是对辐射源实际角度的估计，这种方法有效的前提是在辐射源和接收机之间存在可视路径。在实际使用过程中，特别是于存在多径或无直达径或直达径较弱的情况下，该方法精度便无法得到保证。一，对于辐射源和接收机之间存在LOS路径(可视路径)的情况下，当直达径相对于反射径较弱时，该方法的角度估计值会被较强的反射径拉偏，或完全忽略直达径误把反射径的到达角度作为角度估计的输出。二，对于辐射源和接收机之间不存在LOS路径的情况，特别是多径时，参见图1，ESPRIT方法只能获取多径的波达角度，而无法获取辐射源的实际角度，此时ESPRIT方法对单个径的到达角的精确估计失去了应有的意义。该图只给出了经历一次反射后到达接收机的径，图中阵列天线接收机101接收辐射源(移动台)110发射的电波信号，由于障碍物104的遮挡，辐射源110发射的电波无法以可视路径直接传播到接收机101，接收机101能够接收到的只是物体102、103、106、107、108反射的信号，其传播路径为图1.a中的c，a，b，e，d，且这些信号可以被接收机分辨，构成图2标示的c，a，b，e，d功率尖峰。该ESPRIT算法对图1的辐射源110进行角度估计时，即便可以分辨出各个径c，a，b，e，d的波达角度，也无法确定辐射源110的真实角度。

而另一种基于质心原理的方法，当辐射源和接收机之间存在LOS路径的情况，直达径相对于反射径较弱时，该方法的角度估计值同样会被较强的反射径拉偏，或完全忽略直达径误把反射径的到达角度作为角度估计的输出。二，对于辐射源和接收机之间不存在LOS路径，该方法的角度估计值同样会被反射径拉偏，甚至会估计到相反的方向上去，由于图1所示的径d的拉偏作用，最后得到的角度估计也存在很大的误差。

美国专利US6,112,095给出了通过模式匹配来确定辐射源(蜂窝移动台)的方法，该方法在多径存在的情况下，特别是非可视环境下，能比较准确地确定辐射源的位置，该方法的特点在于：利用阵列天线接收到的多径信息构造角度功率谱矢量(SIGNATURE)，把360度的方位角分为若干个扇区，如一个扇区对应一度张角，对这个特定的扇区内的辐射源的角功率谱进行归类就得到和这个角度对应的经过标定的角度功率谱矢量。在实际角度估计时，首先获取角度功率谱矢量，然后按照一个匹配原则和标定的角度功率谱矢量进行匹配，选择最接近的角度功率谱矢量对应的角度作为角度估计值。这种方法的缺点在于：1)实际应用中要求对服务区内进行遍历性标定，这个过程太烦琐；2)各个基准位置的坐标和方位角采用GPS的定位输出进行计算，可是在市区环境下，GPS的定位精度也难以保证，所以，这种标定方法无法保证标定的准确性。

发明内容

针对现有的波达方向(DOA DIRECTION OF ARRIVAL)技术不适用于密集多径环境，特别是不适用于NLOS环境下对辐射源的角度估计，而现有的抗多径影响的角度估计技术又存在实现复杂、精度不高的缺点，本发明的目的是提供一种可抑制多径影响的角度估计方法，该方法在无直达径或多径的情况下同样能精确地测定辐射源的角度，且实现简便。

本发明原理基于如下两个客观事实：

1)许多实际应用，如市区环境下的移动台定位，并不需要超分辨的估计精度，此时限制角度估计性能的主要因素是多径，而不是角度估计算法自身的性能，对于这样的应用，如果存在直达径且没有多径的影响，经典的角度估计方法，如基于质心原理的方法即可以达到所需要的精度。

2)在辐射源的周围，散射体越小，其空间分布就越均匀，采用质心原理的角度估计方法的性能越好。

因此，本发明的基本角度估计方法是基于质心原理的角度估计方法，在使用质心原理进行角度估计之前进行的NLOS识别、径的筛选、径的双侧分布判断，都是为基本的角度估计方法创造一个可以产生好的性能的条件，如，为了保证质心原理的性能，需要：1)尽量选择到达时间早的径作为首径；2)尽量挑选经小散射体反射或散射的径，而且这些径的到达时间和首径的到达时间差要限制在一定的时间区间内；3)要求挑选出的径是关于首径的到达角度呈双侧分布；当无法挑选出关于首径的到达角度呈双侧分布的径时，基于质心原理的角度估计是有拉偏的，此时，需要在使用质心原理进行角度估计之后，进一步做角度矫正。

本发明在数据采集过程中使用干扰对消的方法的目的也就是为了：1)进一步提取更早到达的径；2)进一步利用更小散射体空间分布的均匀性。

简言之，本发明将非可视路径识别、径的筛选、干扰对消技术和角度估计有机地结合起来，给出了一种抑制多径对阵列天线接收机角度估计精度影响的基本方法，本发明的核心是基于NLOS识别的径的筛选方法，通过在不同情况下筛选出不同的径，可以保证在LOS、NLOS情况下都可以有效地抑制多径对角度估计精度的影响，达到高的角度估计精度。

本发明采用以下技术方案：一种抑制多径影响的角度估计方法，用于估计辐射源角度，其特征在于包括以下步骤：

1)进行数据采集，以获取辐射源的功率时延分布数据；

2)进行径的判决，识别出功率时延分布上有效径的位置和功率；

3)进行NLOS识别，利用2)步输出的径的位置和功率信息来识别出在辐射源和接收机之间是否有直达径存在；

4)进行径的筛选；

5)角度估计，根据NLOS识别的结果和径筛选的结果，确定相应的角度估计方法。

该数据采集的步骤如下：

1)在接收机的基带或中频或射频部分对接收到的辐射源信号进行采集；

2)相干累加，提高待测辐射源的功率时延分布的信干比。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，该数据采样的步骤还在信号采集与相干累加两步之间进行干扰对消。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，于相干累加完成之后，还可进行非相干累加，以进一步提高待测辐射源的功率时延分布的信干比。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，径的判决包括以下步骤：首先确定一个径判决准则；然后根据需要的漏判概率和虚判概率确定一个合理的径判决门限；最后按照径判决准则和门限确定径的位置，并输出径的功率。

所述的判决门限，通过以下步骤确定：

1)实时地提取背景噪声；

2)根据背景噪声的分布类型，对背景噪声作为样本对噪声的分布参数进行估计，然后利用估计出的分布参数确定出背景噪声的具体的概率密度函数；

3)根据要求的虚警率和背景噪声的概率密度函数来确定径的检测门限。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，NLOS识别的基本步骤如下：

首先输入多径幅度分布的测量值，然后根据第一径的幅度判决：

根据系统上报的往返时间来获得到达时间，对于利用下行链路进行的多径幅度分布测量，输入移动台的接收功率和基站的发射功率；对于利用上行链路进行的多径幅度分布测量结果，则输入移动台的发射功率和基站的接收功率；

假设第一径为非可视路径，比较接收到的第一径的功率是否满足非可视路径条件下的衰落关系：其幅度是否满足比自由空间衰落低于预设的门限值，如果满足，就判为非可视路径，否则，就判为可视路径；获到非可视路径识别的结果。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，径筛选的步骤如下：

1)读取NLOS识别的结果；

2)根据NLOS识别结果判断在辐射源和接收机之间是否存在LOS信道；

3)如果在辐射源和接收机之间存在LOS信道，就进行LOS信道的多径筛选，剔除直达径之外的所有的径，只保留直达径；

4)如果在辐射源和接收机之间不存在LOS信道，就进行按照多径相对时延进行筛选，剔除离辐射源较远的反射体或散射体产生的多径；

5)按照多径的相对功率进行筛选，剔除过强的反射体或散射体产生的径；

所述的抑制多径影响的角度估计方法，还要判断筛选后剩下的多径在空间上的分布是否为双侧分布。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，角度估计的步骤如下：

1)读取经过径筛选后剩下的径的位置和功率，读取NLOS识别结果；

2)判断是否有LOS径存在，如果有，就进入基于LOS径的角度估计，采用电扫描或机械扫描来寻找接收的LOS径最强的角度作为辐射源的角度估计值；

3)读取对径分布是否为双侧分布的判断结果，如果是双侧分布，则采用质心原理进行角度估计；

4)如果是单侧分布，进行基于多径单侧分布的角度估计。

所述的抑制多径影响的角度估计方法，当径为单侧分布时，还进行角度矫正，步骤如下：

1)首先采用基于多径估计双侧分布的角度估计对单侧分布的多径进行角度估计，同时计算出最大的平均信干比；

2)根据第一步计算出的最大平均信干比读取NLOS误差的分布参数；

3)利用分布参数求取NLOS误差均值；

4)角度矫正，第三步得到的NLOS误差均值是辐射源到散射体质心的距离的均值，散射体的质心到接收机的距离的均值 d_r，scater可以由从辐射源到接收机的TOA值中减去NLOS误差的均值得到，以接收机为圆心，以 d_r，scater为半径划圆，在这个圆上计算弦长为的弦对应的角度，这个角度就是需要的角度矫正量，矫正方向根据单侧分布的情况确定。

1)分别采集各个天线单元上的功率时延分布；

2)检测各个天线单元对应的功率时延分布上的首径并计算出各个首径的功率或幅度；

3)以各个首径的功率或幅度为样本，计算出样本离散系数；

4)NLOS判决：根据样本离散系数的大小，确定移动台和基站阵列天线之间是否为NLOS路径。

所述的NLOS识别，可以采用单判决门限的方式，也可以采用双判决门限的方式。

本发明所述的可抑制多径影响角度估计方法适用于方位角估计或俯仰角估计。

本发明所述的可抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于该角度估计方法适用于采用电扫描的阵列天线接收机或采用机械扫描和方向天线的接收机。

本发明所述抑制多径影响的角度估计方法可以显著提高复杂地理环境(如市区环境)下对辐射源的角度估计精度，在无直达径或多径或直达径较弱的情况下，同样能精确有效地估测辐射源的角度，具有自动适应性，且实现简便，对本发明给出的抑制多径影响的角度估计方法，既适用于配合目标的角度估计，也适用于非配合目标的角度估计；既适用于方位角估计，也适用于俯仰角估计。

本发明给出抑制多经影响的角度估计基本技术途径，既适合于采用电扫描的阵列天线接收机中抑制多径对角度估计的影响，也适用于采用机械扫描和方向天线的接收机中抑制多径对角度估计的影响。

附图说明

图1是多径对阵列天线接收机角度估计的影响示意图及各径的功率曲线图；

图2是抑制多径对阵列天线接收机角度估计精度影响的算法流程图；

图3是数据采集实现步骤；

图4是多径筛选步骤；

图5是角度估计步骤；

图6是多径呈单侧分布时的角度估计。

具体实施方式

参见图2，本发明用于估计辐射源角度，根据辐射源及接收机之间各种径的情况分别筛选出相应的径，再进行角度估计。该方法具体由5个基本步骤组成：

第一步201是进行数据采集，以获取辐射源的功率时延分布数据；

第二步202是进行径的判决，识别出功率时延分布上有效径的位置和功率；

第三步203是进行NLOS识别，利用第二步输出的径的位置和功率信息来识别出在辐射源和接收机之间是否有直达径存在；

第四步204进行径的筛选，根据第三步NLOS识别的结果，采取不同的径筛选方法；

第五步205是角度估计，根据NLOS识别的结果和径筛选的结果，确定相应的角度估计方法。

参见图3，其中的数据采集的基本步骤如下：

第一步301，在接收机的基带或中频或射频部分对接收到的辐射源信号进行采样，对于电扫描阵列天线接收机，需要对各路接收通道独立采用，这种处理方法和通常的阵列天线接收机中的采样过程相同；

第二步302，干扰对消，这一步的目的是为了抑制其他辐射源的干扰，提高待估计辐射源的功率时延分布的信干比，这一步骤可以根据角度估计精度的需要来确定是否采用；

第三步303相干累加，以提高待测辐射源的功率时延分布的信干比；

第四步304非相干累加，进一步提高待测辐射源的功率时延分布的信干比，具体实现方法和现有接收中相同，在实际的应用中，如果估计精度要求不高，该第三步及第四步可仅进行其中的一个步骤。

径判决的基本步骤如下：

首先确定一个判决准则；

然后根据需要的漏判概率和虚判概率确定一个合理的径判决门限；

最后按照径判决准则和门限确定径的位置，并输出径的功率。

关于门限的确定，本发明采用恒虚警检测，即在实际工作环境中，根据背景噪声的变化自适应地调整径检测门限，以确保虚警率保持不变。

第一步：实时地提取背景噪声；

第二步：根据背景噪声的分布类型(如CHI2分布或正态分布)，把背景噪声作为样本对噪声的分布参数进行估计，然后利用估计出的分布参数确定出背景噪声的具体的概率密度函数；

第三步：根据要求的虚警率和背景噪声的概率密度函数来确定径检测的噪声门限，即径的检测门限；

这样，就可以根据第三步确定的检测门限进行径判决。结合上面径的判决的步骤，在功率时延分布中，大于径的检测门限的峰值点就是径的位置。

本发明中，NLOS识别的基本步骤如下：

假设第一径为非可视路径，比较接收到的第一径的功率是否满足非可视路径条件下的衰落关系：其幅度是否满足比自由空间衰落低于预设的门限值，如果满足，就判为非可视路径，否则，就判为可视路径；获得非可视路径识别的结果。

在实际的应用中，该NLOS识别的方法可以有多种，上面只是其中的一个，在本发明描述的采用阵列天线的移动台定位系统中，还可以采用阵列天线上不同天线单元(如图1.a中的四个天线单元)上的首径的衰落特性实现NLOS识别。具体步骤如下：

第一步：分别采集各个天线单元上的功率时延分布；

第二步：检测各个天线单元对应的功率时延分布上的首径并计算出各个首径的功率或幅度；

第三步：以各个首径(如图1.a中四个天线单元对应的四个首径)的功率或幅度为样本，计算出样本离散系数；

第四步：NLOS判决。根据样本离散系数的大小，确定移动台和基站阵列天线之间是否为NLOS路径。

该确定NLOS路径的方法，可以采用单判决门限方法，如，当样本离散系数大于0.2时，判为NLOS，当样本离散系数小于0.2时，判为LOS。也可以采用双判决门限来实现NLOS识别，如，当样本离散系数小于0.1时，判为LOS，当样本离散系数大于0.1而小于0.2时判为准LOS，当样本离散系数大于0.2时判为NLOS。

参见图4，本发明径筛选的基本步骤如下：

第一步401，读取NLOS识别203步的输出；

第二步402，根据NLOS识别结果判断在辐射源和接收机之间是否存在LOS信道；如果在辐射源和接收机之间存在LOS信道，就进行LOS信道的多径筛选406，LOS多径筛选406的方法是：剔除直达径之外的所有的径，只保留直达径，这就保证了下面的角度估计只在直达径上进行；

第三步403，如果在辐射源和接收机之间不存在LOS信道，就进行403的按照多径相对时延进行筛选，剔除离辐射源过远的反射体或散射体产生的多径，如大于500米的径；

第四步404，按照多径的相对功率进行筛选，剔除过强的反射体或散射体产生的径，如图1.a中的径d；

以上的筛选步骤，还要有一个判断筛选后剩下的多径在空间上的分布是否为双侧分布。

以方位角上的双侧分布判断为例进行说明，俯仰角上的双侧分布判断方法相同。在图1中，经过按照相对时延的筛选403，剔除了相对时延过大的径e；又经过相对功率筛选404，剔除了相对功率过大的径d，只剩下径a，b，c。判断径a，b，c是否为双侧分布的方法为：以相控的方式或机械的方式驱动接收机天线在方位上进行扫描，使接收到的3个径a，b，c的功率之和达到最大时的角度作为辐射源的方位角度估计值。以角度为基准，以使接收天线在方位上进行扰动，观察除首径a之外的径b，c的幅度变化，如果随着的天线扰动，径b，c的功率变化相反，即一个增加时另一个减小，就表明径b，c相对于首径在方位上是双侧分布的；如果随着±Δα的天线扰动，径b，c的功率变化相同，即一个增加时另一个也增加，一个减小时另一个也减小，就表明径b，c相对于首径在方位上是单侧分布的。双侧分布是实现角度无偏估计的前提，基于多径的单侧分布的角度估计是有偏的，需要在角度估计中加入角度矫正。

参见图5，本发明角度估计方法由以下步骤组成。

第一步501，读取经过径筛选后剩下的径的位置和功率，读取NLOS识别结果；

第二步502，判断是否有LOS径存在，如果有，就进入基于LOS径的角度估计506，在506里，采用电扫描或机械扫描来寻找接收的LOS径最强的角度作为辐射源的角度估计值；

第三步503，读取对径分布是否为双侧分布的判断结果，如果是双侧分布，就进入505的处理，否则，进入504的处理；

第四步504，由于是单侧分布，基于质心原理的角度估计是有偏的，504除完成和506类似的基本角度估计之外，还要进行角度的矫正，角度估计和矫正方法见图6所示的步骤。

第五步505，采用质心原理进行角度估计，也就是采用电扫描或机械扫描来寻找接收的筛选后剩余的径功率之和，以最强的角度作为辐射源的角度估计值；

参见图6，角度矫正包括以下步骤：

第一步601，首先采用和505相同的方法对单侧分布的多径进行角度估计，同时计算出最大的平均信干比；

第二步602，根据第一步计算出的最大平均信干比读取NLOS误差的分布参数；

第三步603，利用分布参数求取NLOS误差均值。NLOS误差分布为几何分布，根据602获取的分布参数和概率密度函数的类型，就可以计算出NLOS误差的均值，这个均值就是辐射源实际位置和散射体质心间的平均距离；

第四步604，角度矫正。第一步601得到的角度为散射体质心的角度，第三步603得到的NLOS误差均值

是辐射源到散射体质心的距离的均值。散射体的质心到接收机的距离的均值 d_r，scater可以由从辐射源到接收机的TOA值中减去NLOS误差的均值得到，以接收机为圆心，以 d_r，scater为半径划圆，在这个圆上计算弦长为

的弦对应的角度，这个角度就是需要的角度矫正量，矫正方向根据单侧分布的情况确定。

本发明所述抑制多径影响的角度估计方法可以解决现有DOA估计方法，如ESPRIT，以及基于质心的角度估计方法在复杂地理环境(如市区环境)下失效的问题，可以在复杂地理环境(如市区环境)下对辐射源获取满足实际需要的估计精度，本发明给出的抑制多径影响的角度估计方法，既适用于配合目标的角度估计，也适用于非配合目标的角度估计；既适用于方位角估计，也适用于俯仰角估计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1、一种抑制多径影响的角度估计方法，用于估计辐射源角度，其特征在于包括以下步骤：

1)进行数据采集，以获取辐射源的功率时延分布数据；

4)进行径的筛选；

5)进行角度估计，根据NLOS识别的结果和径筛选的结果，确定相应的角度估计方法。

2、如权利要求1所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于：该数据采集的步骤如下：

2)相干累加，提高待测辐射源的功率时延分布的信干比。

3、如权利要求2所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于：该数据采样的步骤还在信号采集与相干累加两步之间进行干扰对消。

4、如权利要求2或3所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于：在相干累加完成之后，还可进行非相干累加，以进一步提高待测辐射源的功率时延分布的信干比。

5、如权利要求1所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于径的判决包括以下步骤：

1)确定一个径判决准则；

2)根据需要的漏判概率和虚判概率确定一个合理的径判决门限；

3)按照径判决准则和门限确定径的位置，并输出径的功率。

6、如权利要求5所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于所述的判决门限，通过以下步骤确定：

1)实时地提取背景噪声；

2)根据背景噪声的分布类型，以背景噪声作为样本对噪声的分布参数进行估计，然后利用估计出的分布参数确定出背景噪声的具体的概率密度函数；

7、如权利要求1所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于NLOS识别的基本步骤如下：

8、如权利要求1所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于径筛选的步骤如下：

1)读取NLOS识别的结果；

9、如权利要求8所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于还要判断筛选后剩下的多径在空间上的分布是否为双侧分布。

10、如权利要求9所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于角度估计的步骤如下：

4)如果是单侧分布，进行基于多径单侧分布的角度估计。

11、如权利要求10所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于当径为单侧分布时，还进行角度矫正，步骤如下：

3)利用分布参数求取NLOS误差均值；

4)角度矫正，第三步得到的NLOS误差均值是辐射源到散射体质心的距离的均值，散射体的质心到接收机的距离的均值 d_r，scater可以由从辐射源到接收机的TOA值中减去NLOS误差的均值得到，以接收机为圆心，以 d_r，scater为半径划圆，在这个圆上计算弦长为

12、如权利要求1所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于NLOS识别的基本步骤如下：

1)：分别采集各个天线单元上的功率时延分布；

2)：检测各个天线单元对应的功率时延分布上的首径并计算出各个首径的功率或幅度；

3)：以各个首径的功率或幅度为样本，计算出样本离散系数；

4)：NLOS判决：根据样本离散系数的大小，确定移动台和基站阵列天线之间是否为NLOS路径。

13、如权利要求12所述的抑制多径影响的角度估计方法，其特征在于所述的NLOS识别，可以采用单判决门限的方式，也可以采用双判决门限的方式。