JP2005315811A - Characteristic optimization method for adaptive array - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数の受信部を2次元状に配置した2次元受信アレーを備え、その2次元受信アレーの指向性パターンを制御するようにしたアダプティブアレーの指向性を連続的に更新する最適化方法に関するものである。 The present invention comprises a two-dimensional receiving array in which a plurality of receiving units are arranged two-dimensionally, and optimization for continuously updating the directivity of an adaptive array that controls the directivity pattern of the two-dimensional receiving array It is about the method.
複数の励振素子を2次元状に配列し、その全部または一部を励振するようにしたアレーは所望の指向性パターンを得ることができ、その特性を生かして種々の分野で利用されている(非特許文献1参照)。 An array in which a plurality of excitation elements are arranged two-dimensionally and all or a part thereof is excited can obtain a desired directivity pattern, and is utilized in various fields by taking advantage of its characteristics ( Non-patent document 1).
ところで、例えばGPS(Global Positioning System)におけるデータ受信の際の大きな問題点の一つは、衛星からの電波が建物や地面などで反射することに起因するマルチパス(多重伝搬)の発生である。マルチパスが生じると、直接波と反射波が干渉し、位置計測の精度の低下をもたらすのみならず、計測が全く不可能となる場合さえあり得る。例えば仰角20度以下では、地上からの各種不要信号や雑音によってGPS衛星からの信号を分離・検出することが困難になる。 By the way, for example, one of the major problems when receiving data in GPS (Global Positioning System) is the occurrence of multipath (multi-propagation) resulting from reflection of radio waves from a satellite on the building or the ground. When a multipath occurs, the direct wave and the reflected wave interfere with each other, not only reducing the accuracy of position measurement, but also possibly making measurement impossible at all. For example, at an elevation angle of 20 degrees or less, it becomes difficult to separate and detect signals from GPS satellites due to various unnecessary signals and noise from the ground.
そのハードウエアによる対応策の一つに上記アンテナのアレー化がある(非特許文献2参照)。アレー化によって、各素子アンテナの出力に適当な複素数の重みを乗算する、すなわち各素子アンテナの受信信号の振幅と位相をそれぞれ適切に操作することによって、直接波の到来方向にのみ指向性をもたせる。 One of the countermeasures by the hardware is arraying the antenna (see Non-Patent Document 2). By arraying, the output of each element antenna is multiplied by an appropriate complex weight, that is, by appropriately controlling the amplitude and phase of the received signal of each element antenna, directivity is provided only in the direct wave arrival direction. .
このようなアンテナのアレー化は、直接波(所望波)到来方向の利得を低下させることなく、反射波(不要波)到来方向に対してアンテナの受信感度を殆ど零にする、すなわちヌル(null)を形成することが可能であるので、技術的には、最も汎用的かつ効果的な手法であると考えられる。 Such an array of antennas makes the reception sensitivity of the antenna almost zero with respect to the direction of arrival of the reflected wave (unwanted wave) without reducing the gain of the direction of arrival of the direct wave (desired wave), that is, null. ) Is technically considered to be the most versatile and effective technique.
アレーアンテナのデータ処理に関して、本願出願人は不要波と所望波の両方に自由に拘束条件が設定可能なDCMP(Directionally Constrained Minimization of Power)法に着目し、二次元アレーアンテナに対して、DCMP法を有効に適用したアダプティブアレーおよび測位装置に関して出願(特願2003−129496)している。
しかしそのためには、全ての入射波の到来方向をあらかじめ把握し、適切な拘束条件を設定する必要があった。到来方向推定手法としては、高精度スペクトル推定手法の一つであるMUSIC(Multiple Signal Classification)法を二次元に拡張したものが有効である。すなわちMUSIC法によって所望波と不要波の到来方向を推定し、そこで得られた情報に基づいて適当な拘束条件を設定し、DCMP法を適用して複素重みを算出すればよい。 However, for that purpose, it is necessary to grasp in advance the arrival directions of all incident waves and to set appropriate restraint conditions. As an arrival direction estimation method, a two-dimensional extension of the MUSIC (Multiple Signal Classification) method, which is one of high-accuracy spectrum estimation methods, is effective. That is, the arrival directions of the desired wave and the unnecessary wave are estimated by the MUSIC method, an appropriate constraint condition is set based on the obtained information, and the complex weight is calculated by applying the DCMP method.
ただ、ここで新たな問題が一つ生じる。すなわち、DCMP法で求めた複素重みによって、本当に不要波が抑制され、所望波のみが抽出されているかどうかの検証が行えないという問題が生じる。このことは、設定した拘束条件が適切であったか否かの検証が行えず、必ずしも最適な指向特性が得られないという問題でもある。 However, one new problem arises here. That is, there is a problem in that it is impossible to verify whether or not only the desired wave is extracted because the unnecessary weight is really suppressed by the complex weight obtained by the DCMP method. This is also a problem in that it is impossible to verify whether or not the set constraint conditions are appropriate, and it is not always possible to obtain optimal directivity characteristics.
ここで、アレーアンテナの各素子からの時系列データに対して、DCMP法で得られた複素重みを乗算し、そのまま再度MUSIC法を適用すれば問題がないように錯覚しがちであるが、そのようにして得られる到来方向推定の結果は全くでたらめなものとなってしまう。これは当然のことで、DCMP法が、「各素子アンテナからの時系列データに複素重みを乗算し、その電力和を最小にする」という規範に基づいていることを思い出せば、すぐに納得できる。言い換えると、上記の目的のためにMUSIC法とDCMP法をそのまま繰り返し適用することはできない。 Here, the time series data from each element of the array antenna is multiplied by the complex weight obtained by the DCMP method, and the MUSIC method is applied again as it is. The direction-of-arrival estimation results obtained in this way are completely random. This is natural, and if you remember that the DCMP method is based on the standard of “multiplying the time-series data from each element antenna by the complex weight and minimizing its power sum”, you can immediately understand it. . In other words, the MUSIC method and the DCMP method cannot be repeatedly applied as they are for the above purpose.
そこで、この発明の目的は、所望波のみが抽出されているかどうかの検証や、設定した拘束条件が適切であったか否かの検証(確認)をシミュレーション段階で簡単に行えるようにし、アダプティブアレーの特性を最適化する方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to make it possible to easily verify at the simulation stage whether or not only the desired wave has been extracted, and whether or not the set constraint conditions are appropriate. It is to provide a method of optimizing.
この発明のアダプティブアレーの指向性最適化方法は、到来波信号を受信する複数の受信部が配置された受信アレーの各受信部での受信信号から時系列データのデータ行列Xを求めるとともに、該データ行列のサブアレー行列X11を列ベクトルx11に変換して相関行列RXX11を算出し、該相関行列を重み付き空間平均化した空間平均相関行列Rxx(m)を基に信号の到来方向を推定するステップと、
前記信号の所望波および/または不要波の到来方向に基づいて拘束条件を定めて複素重みベクトルWを決定し、前記サブアレー行列X11のそれぞれを列ベクトルx11にし、各列ベクトルと前記複素重みベクトルの転置共役WHとの内積y11を前記サブアレー化の配列順に再配列した再配列行列Yを求め、該再配列行列Yから到来方向再推定用相関行列RYYを求め、前記空間平均相関行列Rxx(m)を前記到来方向再推定用相関行列RYYに置き換えて前記信号の到来方向を推定するステップを再度適用するステップとを備えたことを特徴としている。
The adaptive array directivity optimization method of the present invention obtains a data matrix X of time-series data from received signals at each receiving unit of a receiving array in which a plurality of receiving units that receive incoming wave signals are arranged, and converts the subarray matrix X 11 data matrix column vector x 11 calculates a correlation matrix R XX11, the arrival direction of the correlation matrix space average correlation matrix was weighted spatial averaging of R xx (m) signal based on Estimating
A complex weight vector W is determined by determining a constraint condition based on the arrival direction of the desired wave and / or unnecessary wave of the signal, each of the subarray matrices X 11 is set to a column vector x 11 , and each column vector and the complex weight are determined. A rearrangement matrix Y obtained by rearranging the inner product y 11 of the vector transposed conjugate W H with the subarrayed arrangement order is obtained, a direction-of-arrival reestimation correlation matrix R YY is obtained from the rearrangement matrix Y, and the spatial average correlation Replacing the matrix R xx (m) with the arrival direction re-estimation correlation matrix R YY and re-applying the step of estimating the arrival direction of the signal.
前記受信アレーとしては、受信部が1次元配列または2次元配列されたものとすることができる。また、受信部が平面上で十字状に直交するように配置されたものとすることができる。 As the receiving array, the receiving units may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Further, the receiving unit may be arranged so as to be orthogonal to the cross in a plane.
また、この発明のアダプティブアレーの指向性最適化方法は、送信源からの到来信号を前記複数の受信部でそれぞれ受信し、該受信による受信信号のキャリア位相を追尾して得られる積算デルタレンジ(ADR)をそれぞれ求め、前記積算デルタレンジの値を前記受信部での受信信号としたことを特徴としている。 The adaptive array directivity optimizing method according to the present invention also includes an integrated delta range (obtained by receiving an incoming signal from a transmission source at each of the plurality of receiving units and tracking the carrier phase of the received signal by the reception). ADR) is obtained, and the value of the integrated delta range is used as the received signal at the receiving unit.
この発明のアダプティブアレーの特性最適化方法によれば、上記複素重みを考慮したデータ行列が生成され、そのデータ行例に対してMUSIC法を適用することになるので、その結果から所望波のみが抽出されているかどうかの検証や、設定した拘束条件が適切であったか否かの検証を行えるようになり、アダプティブアレーの特性を最適化できる。 According to the adaptive array characteristic optimizing method of the present invention, the data matrix in consideration of the complex weight is generated, and the MUSIC method is applied to the data row example. It is possible to verify whether the data is extracted and whether the set constraint condition is appropriate, thereby optimizing the characteristics of the adaptive array.
この発明のアダプティブアレーの特性最適化方法によれば、前記複数の受信部が直線状に1次元配列されることによって、その直線に対する1次元方位方向の指向性を最適化できる。また、前記複数の受信部が平面状に2次元配列されることによって、その平面に対する2次元方位方向の指向性を最適化できる。 According to the adaptive array characteristic optimizing method of the present invention, the directivity in the one-dimensional azimuth direction with respect to the straight line can be optimized by arranging the plurality of receiving units in a one-dimensional array. In addition, by arranging the plurality of receiving units in a two-dimensional plane, the directivity in the two-dimensional azimuth direction with respect to the plane can be optimized.
この発明のアダプティブアレーの特性最適化方法によれば、前記複数の受信部が平面上で十字状に直交するように配置されることによって、複数の受信部が隣接することによる干渉が緩和され、且つ小型・軽量・低コスト化を図ったアダプティブアレーにも適用可能となる。 According to the adaptive array characteristic optimization method of the present invention, the plurality of receiving units are arranged so as to be orthogonal in a cross shape on a plane, thereby mitigating interference caused by adjacent of the plurality of receiving units, It can also be applied to an adaptive array that is small, light, and low in cost.
また、この発明のアダプティブアレーの特性最適化方法によれば、受信信号のキャリア位相を追尾して得られる積算デルタレンジ(ADR)をそれぞれ求め、その積算デルタレンジの値を受信部での受信信号とすることによって、各受信部でそれぞれ独立に積算デルタレンジADR求めて信号の到来方向を推定するようにしたものにも適用可能となる。 Further, according to the adaptive array characteristic optimization method of the present invention, the integrated delta range (ADR) obtained by tracking the carrier phase of the received signal is obtained, and the value of the integrated delta range is obtained as the received signal at the receiving unit. By so doing, the present invention can be applied to an apparatus in which each receiving unit independently obtains the integrated delta range ADR and estimates the arrival direction of the signal.
この発明のアダプティブアレーの特性最適化方法を適用する、アダプティブアレーとそれを用いた受信装置について、各図を参照して説明する。
図1は、その全体の構成を示すブロック図である。ここで1は、複数の素子アンテナ1a,1b・・・1mを1次元状または2次元状に配置したアレーアンテナである。2で示す部分は、各素子アンテナ1a〜1mの受信信号に対して複素重みを与える複素重み付与部である。21a,21b・・・21mは各素子アンテナの受信信号の振幅を調整する振幅調整器、22a,22b・・・22mは各素子アンテナの信号の位相を調整する位相調整器である。これらの振幅調整および位相調整された各素子アンテナの受信信号は加算部3で加算されて1つの受信信号Poutとして求められる。
An adaptive array to which the adaptive array characteristic optimization method of the present invention is applied and a receiving apparatus using the adaptive array will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration. Here, 1 is an array antenna in which a plurality of
受信信号処理部4は、各素子アンテナ1a,1b・・・1mの受信信号を入力し、後に示す方法により各素子アンテナの受信信号に対して与えるべき複素重みを求め、複素重み付与部2の振幅調整器21および位相調整器22に対してそれぞれ相当する調整量を与える。
The reception
受信機5は、上記所定の指向性パターンのもとで受信された受信信号を入力して信号受信のための処理を行う。
The
図2は、上記複数の素子アンテナの2次元上への配置例を示している。(A)の場合、5×5で合計25個の素子アンテナを、直交するマトリックスの各交点にそれぞれ配置している。また、(B)に示す例では、5×5のマトリックスを考えた時、第3行×第3例分に合計9個の素子アンテナを配置している。 FIG. 2 shows a two-dimensional arrangement example of the plurality of element antennas. In the case of (A), a total of 25 element antennas of 5 × 5 are arranged at each intersection of the orthogonal matrix. In the example shown in (B), when a 5 × 5 matrix is considered, a total of nine element antennas are arranged in the third row × third example.
図1の受信信号処理部4は、MUSIC法により信号の到来方向を推定する。MUSIC法では、まずアレーアンテナの各素子の時系列出力データから相関行列を作成する。そして、その固有値と固有ベクトルを算出する。それらの固有値の大小を判別して、信号空間に属する固有ベクトルと雑音空間に属する固有ベクトルに分類し、それぞれが互いに直交することを利用して到来方向推定を行う。すなわち、雑音空間に属する固有ベクトル行列に信号到来方向ベクトルを乗算する項を分母において、信号到来方向の角度をスキャンすると、その角度が実際の信号信号到来方向に一致した時に、分母の値が零に近づくことから急峻なピークが得られる。この作用を利用して信号の到来方向推定を行う。
The received
しかし一般に所望波とマルチパスの不要波とは相関性が高いため、信号と雑音の固有ベクトルの固有値による判別が困難になる。そこで、上記のようにして得られるアレーアンテナをサブアレーに分割して考え、各サブアレーに対する相関行列の空間平均(または移動平均)という前処理を施す。 However, since the desired wave and the multipath unnecessary wave are generally highly correlated, it is difficult to distinguish the eigenvalues of the eigenvectors of the signal and noise. Therefore, the array antenna obtained as described above is divided into subarrays, and a pre-processing called a spatial average (or moving average) of a correlation matrix for each subarray is performed.
前述のMUSIC法の適用によって、所望波と不要波の到来方向が求まれば、DCMP法を適用するための拘束条件が決定できる。その結果、所望波到来方向にのみ感度を有し、不要波到来方向にヌル(Null)を形成するような合成指向性が形成できる。 If the arrival directions of the desired wave and the unnecessary wave are obtained by applying the above-described MUSIC method, the constraint condition for applying the DCMP method can be determined. As a result, it is possible to form a combined directivity that has sensitivity only in the desired wave arrival direction and forms a null in the unnecessary wave arrival direction.
アレーアンテナの配置が二次元の場合の具体的な処理手順については、特願2003−129496にて既に出願している。これによって各素子アンテナの出力データに対して乗算すべき複素重みが算出できる。 A specific processing procedure when the arrangement of the array antenna is two-dimensional has already been filed in Japanese Patent Application No. 2003-129497. Thereby, the complex weight to be multiplied with the output data of each element antenna can be calculated.
しかし既に述べたように、各素子アンテナからの時系列出力データに対して、そのような複素重みを乗算し、再度MUSIC法を適用しても、そこで得られる方向推定結果は全くでたらめなものとなる。MUSIC法とDCMP法は使用目的が異なっており、そのままではMUSIC法とDCMP法を繰り返し適用することはできない。 However, as described above, even if the time series output data from each element antenna is multiplied by such a complex weight and the MUSIC method is applied again, the direction estimation result obtained there is quite random. Become. The MUSIC method and the DCMP method have different purposes of use, and the MUSIC method and the DCMP method cannot be repeatedly applied as they are.
この問題を解決する手順を図3〜図5を参照して説明する。
図3の(A)はこの発明の実施形態に係るアダプティブアレーの特性最適化方法処理手順を示すブロック図、図4は演算処理の各段階でのデータについて示す図、図5は上記アダプティブアレーの特性最適化方法の処理手順を示すフローチャートである。これらの図に示すように、まずアレーアンテナをサブアレーに分割して考え、各サブアレーの相関行列を平均化し、MUSIC法により信号の到来方向を推定する。そして、所望波と不要波の到来方向を拘束条件に与えてDCMP法により所望の指向性パターンを得るための複素重みを決定する。また、各素子アンテナを複数のアレーにサブアレー化し、各サブアレーに上記複素重みを乗じ、それをサブアレーの配置に合わせて再構成する。これによりMUSIC法等による信号到来方向の再推定を可能とする。
A procedure for solving this problem will be described with reference to FIGS.
3A is a block diagram showing the adaptive array characteristic optimization method processing procedure according to the embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing data at each stage of arithmetic processing, and FIG. 5 is a diagram of the adaptive array. It is a flowchart which shows the process sequence of the characteristic optimization method. As shown in these figures, the array antenna is first divided into subarrays, the correlation matrix of each subarray is averaged, and the arrival direction of the signal is estimated by the MUSIC method. The arrival directions of the desired wave and the unnecessary wave are given as constraint conditions, and complex weights for obtaining a desired directivity pattern are determined by the DCMP method. Each element antenna is subarrayed into a plurality of arrays, each subarray is multiplied by the complex weight, and reconfigured according to the arrangement of the subarrays. This makes it possible to re-estimate the signal arrival direction by the MUSIC method or the like.
図3の(B)は、所望の指向性パターンで信号の受信を行う状態を示すブロック図である。上記信号到来方向の再推定の結果が所望の結果となれば、この図3の(B)に示すように受信信号に上記複素重みを乗じて所望指向性パターンでの受信を行う。 FIG. 3B is a block diagram illustrating a state in which a signal is received with a desired directivity pattern. If the result of the re-estimation of the signal arrival direction is a desired result, the reception signal is multiplied by the complex weight as shown in FIG.
図4では、5×5の正方形状アレーアンテナの出力データ行列Xに対し、サイズ3×3のサブアレーに分割する場合を例とする。まず、図4(a)に示すように、各素子アンテナからのデータ行列Xが得られたとする。このとき5×5行列の中に含まれるすべての組合せの3×3のサブアレー行列(図中ではそれらのうちの1つであるX11のみを示している。)を図に示すように並べ替えて列ベクトルxに変換し、それを基に部分相関行列Rxxを算出する。そして、この相関行列を重み付き空間平均して空間平均相関行列
RXX(m)=xxH(m)を算出し、MUSIC法を適用する。ここでHは転置共役を表す。この結果、所望波および不要波の到来方向(天頂角θ、方位角φ)が求められる。その情報を基に、DCMP法の拘束条件が決定できるので、上記空間平均された相関行列に対してDCMP法を適用する。結果として、ベクトルxの要素数に等しい要素数の複素重みベクトルが求められる。ここまでが、従来のMUSIC法とDCMP法の適用である。
FIG. 4 shows an example in which the output data matrix X of a 5 × 5 square array antenna is divided into subarrays of
次に、この複素重みベクトルWの共役転置WHと、元のデータ行列中の3×3サブアレー行列の組合せすべてに対して、図4の(b)に示すような方法で列ベクトル化したサブアレー行列xとの内積yを計算する。図4の(b)では、それらの組合せの1つであるX11の場合について示していて、内積計算の結果をy11としている。 Next, sub-array This is conjugate transpose W H of the complex weight vector W, for all combinations of 3 × 3 sub-array matrices in the original data matrix, and a column vector in a manner as shown in FIG. 4 (b) The inner product y with the matrix x is calculated. FIG. 4B shows the case of X 11 which is one of these combinations, and the result of the inner product calculation is y 11 .
次に、図4の(c)に示すように、元のデータ行列から各々のサブアレー行列を抜き出した順番でそれらの内積計算の結果を再配列する。このようにして、複素重みベクトルがそれぞれの要素に乗算された要素数3×3の再配列行列Yを算出する。 Next, as shown in FIG. 4C, the inner product calculation results are rearranged in the order in which the respective sub-array matrices are extracted from the original data matrix. In this way, a 3 × 3 rearrangement matrix Y in which each element is multiplied by the complex weight vector is calculated.
そして、図4の(d)に示すように、再配列行列Yを要素数9の列ベクトルyに変換し、それを基に要素数9×9の相関行列(以下、「到来方向再推定用相関行列」という。)RYYを算出する。この到来方向再推定用相関行列RYYに対してMUSIC法を適用する。すなわち、前記空間平均相関行列Rxx(m)を到来方向再推定用相関行列RYYに置き換えて信号の到来方向を推定するステップを再度適用する。 Then, as shown in FIG. 4 (d), the rearrangement matrix Y is converted into a column vector y having 9 elements, and a 9 × 9 correlation matrix (hereinafter referred to as “arrival direction re-estimation”). It is called “correlation matrix.”) R YY is calculated. The MUSIC method is applied to this arrival direction re-estimation correlation matrix R YY . That is, the step of replacing the spatial average correlation matrix R xx (m) with the arrival direction re-estimation correlation matrix R YY and re-applying the signal arrival direction is applied again.
上記DCMP法により複素重みWを決定する際の演算対象である空間平均相関行列Rxx(m)は最初に求めたものである。すなわち図5に示したループを繰り返す場合もRxx(m)は一定である。 The spatial average correlation matrix R xx (m), which is a calculation target when the complex weight W is determined by the DCMP method, is obtained first. That is, even when the loop shown in FIG. 5 is repeated, R xx (m) is constant.
このようにすれば、複素重みを考慮して再度MUSIC法が繰り返し適用できる。そして、この再度のMUSIC法の適用によって得られた結果から、所望波の抽出状況や不要波の抑圧状況を確認し、問題がなければ最適化処理を終了すればよい。もし、所望波の抽出状況や不要波の抑圧状況が不完全であれば、上記拘束条件を修正し、再度のMUSIC法の適用により同様の確認を行って、所望の最適な指向性パターンが得られるような拘束条件を見いだせばよい。 In this way, the MUSIC method can be applied again in consideration of complex weights. Then, from the result obtained by applying the MUSIC method again, the desired wave extraction state and the unnecessary wave suppression state are confirmed. If there is no problem, the optimization process may be terminated. If the desired wave extraction status and unnecessary wave suppression status are incomplete, the above constraint conditions are corrected and the same confirmation is performed by applying the MUSIC method again to obtain the desired optimum directivity pattern. Finding the constraint conditions that can be found.
以上の説明から明らかであるが、本発明の方法はサブアレー相関行列の空間平均を行うことが前提である。但し、所望波と不要波(特にマルチパス)は互いに相関性が高いため、この空間平均は実質的に必須であり、大抵の場合この前提は許容できる。 As is clear from the above description, the method of the present invention is premised on performing a spatial average of the subarray correlation matrix. However, since the desired wave and the unnecessary wave (especially multipath) are highly correlated with each other, this spatial averaging is substantially essential, and in most cases this assumption is acceptable.
なお、図4では明示していないが、行列X,Yおよびベクトルxの各要素それぞれは、各素子アンテナからのサンプリングされたN点の離散的データであり、それぞれ3次元データ配列および2次元データ配列である。 Although not explicitly shown in FIG. 4, each element of the matrix X, Y and the vector x is sampled N-point discrete data from each element antenna, and is a three-dimensional data array and two-dimensional data, respectively. Is an array.
次に、シミュレーション結果について示す。
先ず、5×5正方形状アレーアンテナに対し、(θ,φ)座標系で任意の複数個の正弦波が入射するものとし、それらの入力波を各素子アンテナ上で時間の関数として加算合成する。また、所望波と不要波それぞれ1波を想定してシミュレーションを行った。
Next, a simulation result is shown.
First, an arbitrary plurality of sine waves are incident on a 5 × 5 square array antenna in the (θ, φ) coordinate system, and these input waves are added and synthesized as a function of time on each element antenna. . In addition, the simulation was performed assuming one wave each of the desired wave and the unnecessary wave.
図10はこの天頂角θと方位角φの関係を示している。所望波(S)及び不要波(U)の到来方向は、天頂角をθ(0≦θ≦90°)、方位角をφ(−180≦φ≦180°)とする(θ,φ)座標でそれぞれ(30°,45°)、(45°,−60°)とし、それらの入射波を各素子アンテナ上で時間tの関数として単純加算し、さらに合成振幅の最大値に対してσ=10%の標準偏差を有するガウスノイズを素子毎に独立に重畳させた。所望波、不要波の相対強度Ps:Puは、dB値で1:1とした。搬送波周波数はf=1.5GHzとし、サンプリング周波数fs=15GHz、全データ点数N=200、素子間隔は縦横方向ともd=c/2f(cは光速)、素子アンテナの数5×5、サブアレーのサイズは3×3とした。図11の(a)は空間平均処理後の行列RXX(m)にMUSIC法を適用した結果である。Sが所望波、Uが不要波であり、正しく方向推定がなされている。これに対して、同図の(b)は所望波と不要波方向に対してそれぞれ拘束値1と0の拘束条件を課し、DCMP法を適用してアンテナの指向性を算出した結果である。不要波方向に正しく深いヌルが形成されている。同図の(c)は、ここで得られた複素重みを使用して前述の方法でデータ行列を算出し、再度MUSIC法を適用した結果である。不要波Uが除去され、所望波Sのみが正しく抽出されていることが判る。 FIG. 10 shows the relationship between the zenith angle θ and the azimuth angle φ. The arrival directions of the desired wave (S) and the unwanted wave (U) are (θ, φ) coordinates where the zenith angle is θ (0 ≦ θ ≦ 90 °) and the azimuth angle is φ (−180 ≦ φ ≦ 180 °). And (30 °, 45 °) and (45 °, −60 °), and simply adding the incident waves as a function of time t on each element antenna, and σ = Gaussian noise having a standard deviation of 10% was superimposed on each element independently. The relative intensity Ps: Pu of the desired wave and the unnecessary wave was set to 1: 1 as a dB value. The carrier frequency is f = 1.5 GHz, the sampling frequency is fs = 15 GHz, the total number of data points is N = 200, the element spacing is d = c / 2f in both vertical and horizontal directions (c is the speed of light), the number of element antennas is 5 × 5, and the number of subarrays The size was 3 × 3. FIG. 11A shows the result of applying the MUSIC method to the matrix R XX (m) after the spatial averaging process. S is a desired wave, U is an unnecessary wave, and the direction is correctly estimated. On the other hand, (b) in the figure shows the result of calculating the antenna directivity by applying the DCMP method with the constraint values of 1 and 0 imposed on the desired wave and unnecessary wave directions, respectively. . A deep null is correctly formed in the unnecessary wave direction. (C) of the figure shows a result of calculating the data matrix by the above-described method using the complex weight obtained here and applying the MUSIC method again. It can be seen that the unnecessary wave U is removed and only the desired wave S is correctly extracted.
図12は、この3×3行列の各要素の時系列データY11,Y12,Y13,・・・Y33を順番に表示したものである。同図には、σ=0%の所望入射波波形も重ね書き表示してあるが、重なっているため殆ど区別できない。この結果から、行列要素間の各エレメント波形間の相対的な位相の関係が保たれていることが判る。すなわち、再度のMUSIC法がうまく適用できていることが判る。 FIG. 12 shows the time series data Y 11 , Y 12 , Y 13 ,... Y 33 of each element of the 3 × 3 matrix in order. In the figure, the waveform of the desired incident wave with σ = 0% is also overwritten and displayed. From this result, it can be seen that the relative phase relationship between the element waveforms between the matrix elements is maintained. That is, it can be seen that the second MUSIC method is successfully applied.
次に、同様な条件で、所望波1波、不要波2波の設定でシミュレーションを行った。新たに加えた不要波の到来方向は(60°,120°)とし、その相対強度は他の不要波と同一レベルにした。その結果を図13に示す。図13の(a)はMUSIC法による方向推定結果、同図の(b)は、不要波2波を除去する拘束条件を課してDCMP法を適用し、再度MUSIC法によって所望波到来方向を推定した結果である。この場合も、2つの不要波U1、U2が除去され所望波Sのみが正しく抽出されていることが判る。 Next, a simulation was performed under the same conditions with the setting of one desired wave and two unnecessary waves. The arrival direction of newly added unnecessary waves was set to (60 °, 120 °), and the relative intensity was set to the same level as other unnecessary waves. The result is shown in FIG. FIG. 13A shows the direction estimation result by the MUSIC method, and FIG. 13B shows the direction of the desired wave arrival by the MUSIC method again by applying the DCMP method with the constraint of removing two unnecessary waves. It is an estimated result. Also in this case, it can be seen that the two unnecessary waves U1 and U2 are removed and only the desired wave S is correctly extracted.
電波到来方向の推定精度は、DCMP法の指向性ヌルの形状にも依存するが、主としてMUSIC法のスペクトル推定精度に依存する。すなわち、時系列データ点数が多いほど推定精度は向上する。所望波と不要波のパワーに関しては、DCMP法の原理から、所望波に対する不要波の相対的な電力レベルが大きいほどヌルが良好に形成される。したがって、通常は所望波のみを1とするような拘束条件を設定すればよいが、所望波の電力レベルが不要波のそれよりも多少でも大きい場合は、所望波に対して1、不要波に対して0というように両者に拘束条件を課せば良好な結果が得られる場合が多い。 The estimation accuracy of the radio wave arrival direction depends mainly on the spectrum estimation accuracy of the MUSIC method, although it depends on the directivity null shape of the DCMP method. That is, the estimation accuracy improves as the number of time series data points increases. Regarding the power of the desired wave and the unnecessary wave, the null is formed better as the relative power level of the unnecessary wave with respect to the desired wave is larger from the principle of the DCMP method. Therefore, normally, it is sufficient to set a constraint condition that only the desired wave is set to 1. However, if the power level of the desired wave is slightly higher than that of the unnecessary wave, 1 is set to 1 for the desired wave and the unnecessary wave is set. On the other hand, if a constraint condition is imposed on both, such as 0, good results are often obtained.
次に、アレーアンテナ形状を5×5の25素子正方形状から9素子十字形状に変更してシミュレーションを行った。その他の条件は図11の場合と同一とした。図14の(a)は最初のMUSIC法による推定結果であり、図14の(b)は不要波が除去された最終結果である。スペクトルにやや広がりが見られるものの、5×5の25素子の場合と同様にピーク位置もほぼ正しく推定されている。 Next, the simulation was performed by changing the array antenna shape from a 5 × 5 25-element square shape to a 9-element cross shape. Other conditions were the same as in FIG. FIG. 14A shows the first estimation result by the MUSIC method, and FIG. 14B shows the final result from which unnecessary waves are removed. Although the spectrum is slightly broadened, the peak position is estimated almost correctly as in the case of 25 elements of 5 × 5.
次に、GPS受信機内部で得られる積算デルタレンジ(ADR)を受信アレーの受信部での受信信号とした例について、図6〜図9を参照して説明する。
図6は測位装置の構成を示すブロック図である。この図6において、11a,11b,・・・11iは図2に示したように複数の素子アンテナである。2で示す部分は各素子アンテナ11a〜11iの受信信号に対して複素重みを与える複素重み付与部である。21a,21b・・・21iは各素子アンテナの受信信号の振幅を調整する振幅調整器、22a,22b・・・22iは各素子アンテナの信号の位相を調整する位相調整器である。加算器3は、これらの振幅調整および位相調整された各素子アンテナの受信信号を加算して1つの受信信号としてGPS受信機7へ与える。
Next, an example in which the integrated delta range (ADR) obtained inside the GPS receiver is used as a reception signal at the reception unit of the reception array will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the positioning device. 6, 11a, 11b,... 11i are a plurality of element antennas as shown in FIG. A portion indicated by 2 is a complex weight giving unit that gives a complex weight to the received signals of the
図7は信号到来方向推定装置の構成を示す図である。(B)は全体の構成を示すブロック図、(A)はそのうちのGPS受信機の構成を示すブロック図である。GPS受信機は(A)に示すように、GPSアンテナ11による信号を所定の中間周波信号に変換するダウンコンバータ12、その信号をディジタルデータ列に変換するA/Dコンバータ13およびそのディジタルデータを順次入力して信号処理を行い、後述するADRを含むデータを出力する信号処理部14、および信号処理部14の制御を行うとともに測位演算を行う測位演算部15とから構成している。信号処理部14は複数のGPS衛星からの信号を同時に受信するために複数チャンネル分備えている。ダウンコンバータ12は、基準周波数信号をローカル信号とし、GPSアンテナ11からの入力信号を中間周波信号に周波数変換する。A/Dコンバータ13はその信号を所定ビット数のディジタルデータに変換する。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the signal arrival direction estimation apparatus. (B) is a block diagram showing the overall configuration, and (A) is a block diagram showing the configuration of a GPS receiver. As shown in (A), the GPS receiver sequentially converts a
信号到来方向推定装置は図7の(B)に示すように、複数のGPSアンテナ11a,11b・・・11iと、複数のGPS受信機5a,5b・・・5iと、DSP(ディジタルシグナルプロセッサ)からなるデータ処理部6を備えている。データ処理部6は各GPS受信機5a,5b・・・5iから出力されるADRを読み取り、データ処理により信号の到来方向を推定する。
As shown in FIG. 7B, the signal arrival direction estimation device includes a plurality of
図8は図7の(A)に示した信号処理部14の構成を示すブロック図である。また図9は上記信号処理部14内に設けられているキャリアNCO71とADRとの関係を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the
信号処理部14において、キャリアNCO71は測位演算部15からの制御データを受けて所定周波数で位相が0°と90°のキャリア信号(I信号,Q信号)を発生する。コード発生器73は所定のコード位相のずれを有する3つのC/Aコード(E,P,L)を発生し、コードNCO72はそのコード位相を数値制御する。乗算器74,75,76は、所定のコード位相ずれを有する3つのC/Aコード(E,P,L)とIF信号とを乗算する。乗算器77,78は、乗算器74の乗算結果に対してI信号とQ信号をそれぞれ乗算する。また、乗算器79,80は、乗算器75,76の乗算結果に対してI信号をそれぞれ乗算する。
In the
PI積分器81,PQ積分器82は、乗算器77,78の出力値を積算することによって、キャリアNCO71が発生したキャリア信号とIF信号のキャリア成分との相関値を求め、その結果をレジスタ86,87へ入力する。また、EI積分器83,LI積分器84は、乗算器79,80の出力値を積算することによって、コード発生器73が発生した位相の異なる2つのコードとIF信号のコードとの相関値を求め、加算器85は、EI積分器83の積算値とLI積分器84の積算値との差を求め、その値をレジスタ88へ入力する。
The
測位演算部15は、レジスタ86,87,88に求められた相関結果からC/Aコード位相およびキャリア位相を求めるとともにその追尾を行う。
The
キャリアNCO71は図9に示すように、所定ビット分のD型フリップフロップ711と所定ビット幅の加算器712とを組み合わせたものである。D型フリップフロップ711の出力がキャリアNCO71の出力であり、ADRの小数値に相当する。このフリップフロップ711の最上位ビットがπラジアンのウェイトを持ち、その次のビットはπ/2ラジアン、その次がπ/4ラジアンというようにウェイトが1/2ずつ小さくなる関係にある。したがって、フリップフロップ711の出力値の変化が一巡した時に位相が2πラジアン変化したことになる。ADRカウンタ89はソフトウエアの処理によるカウンタであり、フリップフロップ711の最上位ビットからキャリーを検出して、その数をカウントすることによってADRの整数値を求める。
As shown in FIG. 9, the
このような構成により、加算器712に対する設定周波数の値によってフリップフロップ711が一巡するに要するクロック数が変化するので、この設定周波数の値によってキャリアNCO71の出力信号の周波数を設定することができる。また、上記ADRの小数値の変化が一巡する周期は位相ロックしているキャリア信号の1周期に対応しているので、D型フリップフロップ711の出力値を基準クロック信号に同期したキャリア信号の1周期に相当するタイミングで読み出したときの値が受信信号のキャリア位相情報に等しい。
With such a configuration, the number of clocks required for one cycle of the flip-
図7に示した各GPS受信機5a〜5iは、受信信号のキャリア位相情報として、このADRの整数値と小数値を例えば毎秒出力する。
Each
図15の(a)は、図6に示したGPS受信機5a〜5iを9個十字形状アレーアンテナ状に配置して、それらから離散的に得られた20点(1点/秒、20秒間分データ)のADRデータに対してMUSIC法を適用した結果である。測定日時、測定場所、衛星番号は、それぞれGPSタイムで、2001年2月24日、東経135度、北緯34度、衛星番号#SV7、666181928sec.である。ここでは入射波の個数が、所望波Sと不要波U1の計2個であるとしてMUSIC法を適用したが、それら以外に小さなピークU2とU3が現れている。同図の(b)はそのような不要なピークを抑圧する目的で、DCMP法を適用して、再度MUSIC法を用いて到来方向推定を行った結果である。このように受信アレーの各受信部でそれぞれ求めたADRにも適用可能であることを確認した。
(A) of FIG. 15 arranges nine
なお、以上に示した例では、受信部が平面上で十字状に直交するように配置された受信アレーまたは2次元配列された受信アレーを用いたが、複数の受信部が直線状に配置された受信アレーにも同様に適用できる。 In the example shown above, a receiving array in which the receiving units are arranged so as to cross in a cross shape on a plane or a receiving array arranged in a two-dimensional manner is used, but a plurality of receiving units are arranged in a straight line. The same applies to the receiving array.
また、以上に示した例では信号の到来方向を推定するためにMUSIC法を用いたが、そのほかにもビームフォーマ法、Capon法、線形予測法、最小ノルム法、ESPRIT法またはMODE法等を用いることもできる。これらはいずれも到来方向推定アルゴリズムで同様に最適化処理を行うことができるためである。 In the example described above, the MUSIC method is used to estimate the direction of arrival of the signal, but other methods such as a beamformer method, a Capon method, a linear prediction method, a minimum norm method, an ESPRIT method, or a MODE method are used. You can also This is because all of them can be similarly optimized by the arrival direction estimation algorithm.
1−アレーアンテナ
1a〜1n−素子アンテナ
2−複素重み付与部
3−加算部
6−データ処理部
11−素子アンテナ
21−振幅調整器
22−位相調整器
1-
Claims (4)
前記信号の所望波および/または不要波の到来方向に基づいて拘束条件を定めて複素重みベクトルを決定し、前記サブアレー行列のそれぞれを列ベクトルにし、各列ベクトルと前記複素重みベクトルの転置共役との内積を前記サブアレー化の配列順に再配列した再配列行列を求め、該再配列行列から到来方向再推定用相関行列を求め、前記空間平均相関行列を前記到来方向再推定用相関行列に置き換えて前記信号の到来方向を推定するステップを再度適用するステップとを備えたことを特徴とするアダプティブアレーの特性最適化方法。 A data matrix of time series data is obtained from a received signal at each receiving unit of a receiving array in which a plurality of receiving units that receive an incoming wave signal are arranged, and a correlation matrix of a subarray matrix of the data matrix is calculated, and the correlation Estimating the direction of arrival of a signal based on a spatial average correlation matrix obtained by weighted spatial averaging of the matrix;
Based on the arrival direction of the desired wave and / or unnecessary wave of the signal, a constraint condition is determined to determine a complex weight vector, each of the sub-array matrices is a column vector, and each column vector and the transposed conjugate of the complex weight vector are A rearrangement matrix obtained by rearranging the inner product of the subarrays in the order of the array arrangement is obtained, a correlation matrix for direction of arrival re-estimation is obtained from the rearrangement matrix, and the spatial average correlation matrix is replaced with the correlation matrix for direction of arrival re-estimation. A method of optimizing the characteristics of an adaptive array, comprising re-applying the step of estimating the direction of arrival of the signal.
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