JP2012237705A - Azimuth and elevation angle measuring system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an azimuth and elevation angle measuring system capable of measuring an azimuth and elevation angle of an incoming signal with high precision.SOLUTION: An azimuth and elevation angle measuring system includes: plural antennas 11-11; and a signal processor 15 that performs a radio wave propagation route estimation by ray tracing using an incoming wave number and incoming signals estimated based on plural antenna reception signals obtained from the plural antennas, to determine an incoming direction, and then measures an incoming azimuth and elevation angle with the determined incoming direction as the initial value.

Description

本発明の実施形態は、電波の到来方位および仰角を測定する方位・仰角測定システムに関する。   Embodiments described herein relate generally to an azimuth / elevation angle measurement system that measures arrival directions and elevation angles of radio waves.

アレイアンテナにより受信された電波の到来方向、つまり到来方位および仰角を測定した結果には、コヒーレントマルチパスの影響により誤差が含まれる。この誤差を低減する方法として、例えばSAGE法が知られている(非特許文献1、非特許文献2参照)。このSAGE法は、到来波(マルチパス波を含む)の信号数と到来信号を仮定し、収束判定を行う評価関数の値が収束するまで繰り返し処理を実行するものである。   The result of measuring the direction of arrival of radio waves received by the array antenna, that is, the direction of arrival and the elevation angle, includes an error due to the influence of coherent multipath. As a method for reducing this error, for example, the SAGE method is known (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). In the SAGE method, the number of incoming waves (including multipath waves) and the number of incoming signals are assumed, and an iterative process is performed until the value of an evaluation function for performing convergence determination converges.

しかしながら、上述したSAGE法では、初期信号数により収束結果が異なる場合がある。また、初期到来信号として適切な値を設定する方法が存在しない。そのため、一般に、適当な信号数を設定し、ランダムに初期到来信号を決めることが行われている。   However, in the SAGE method described above, the convergence result may differ depending on the number of initial signals. There is no method for setting an appropriate value as the initial arrival signal. Therefore, generally, an appropriate number of signals is set and an initial arrival signal is randomly determined.

非特許文献1に示されているSAGE法の初期値設定方法の1つとして、非特許文献3に記載されているAkaike's and Rissanen's criteriaの方法を用いて到来信号数を推定するとともに、非特許文献4に示されているMUSIC法により、到来信号の到来方向を推定し、これらの推定値を初期値として用いる方法が知られている。そして、この方法を用いて到来方向のステアリングベクトルが生成される。   As one of the initial value setting methods of the SAGE method shown in Non-Patent Document 1, the number of incoming signals is estimated using the method of Akaike's and Rissanen's criteria described in Non-Patent Document 3, and A method is known in which the arrival direction of an incoming signal is estimated by the MUSIC method shown in FIG. 4 and these estimated values are used as initial values. Then, a steering vector in the direction of arrival is generated using this method.

Bernard H.Fleury,et.al.:”Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments Using the SAGE Algorithm’ ,IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.17,no.3,pp434-450,March 1999.Bernard H. Fleury, et.al .: “Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments Using the SAGE Algorithm’, IEEE J. Sel. Areas Commun., Vol. 17, no. 3, pp 434-450, March 1999. 石黒靖博、菊間信良、平山裕、榊原久仁男:”SAGEアルゴリズムを用いた高分解能電波到来方向推定のための方形重み付アレーアンテナ校正法”,信学論(B),vol.J93-B,No.2,2010.Yasuhiro Ishiguro, Nobuyoshi Kikuma, Hiroshi Hirayama, Kunio Hagiwara: “Square Weighted Array Antenna Calibration Method for Estimating Direction of Arrival of Radio Waves Using the SAGE Algorithm”, Theory of Science (B), vol.J93-B, No .2,2010. M.Wax and T.Kailath,”Detection of signals by information theoreteic criteria”,IEEE Trans.Acoust.,Speech,Signal Processing,Vol.ASSP-33,Apr.1985.M.Wax and T.Kailath, “Detection of signals by information theoreteic criteria”, IEEE Trans.Acoust., Speech, Signal Processing, Vol.ASSP-33, Apr. 1985. 菊間信良:”アレーアンテナによる適用信号処理”,科学技術出版,1999.Nobuyoshi Kikuma: "Applied signal processing by array antenna", Science and Technology Publishing, 1999.

上述したAkaike's and Rissanen's criteriaの方法を用いる前提条件は、信号が独立性を有し、ノイズが正規分布していることであるが、実際には、独立性がないコヒーレントマルチパス信号が存在しているため、コヒーレントマルチパス信号を含む受信信号の信号数は不明確である。また、コヒーレント信号の到来方向、特に仰角については、初期値として適切な値を設定することは難しい。その結果、到来信号の方位および仰角を精密に測定できないという問題がある。   The precondition for using the Akaike's and Rissanen's criteria method described above is that the signal is independent and the noise is normally distributed, but in practice there is a coherent multipath signal that is not independent. Therefore, the number of received signals including coherent multipath signals is unclear. Also, it is difficult to set an appropriate value as an initial value for the direction of arrival of the coherent signal, particularly the elevation angle. As a result, there is a problem that the azimuth and elevation angle of the incoming signal cannot be measured accurately.

本発明が解決しようとする課題は、到来信号の方位および仰角を精密に測定できる方位・仰角測定システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an azimuth / elevation angle measurement system capable of accurately measuring the azimuth and elevation angle of an incoming signal.

実施形態に係る方位・仰角測定システムによれば、複数のアンテナと、複数のアンテナから得られる複数のアンテナ受信信号に基づき推定した到来波数と到来信号を用いてレイトレーシングによる電波伝搬経路推定を行って到来方向を求め、該求めた到来方向を初期値として到来方位および仰角を測定する信号処理装置を備えることを特徴とする。   According to the azimuth / elevation angle measurement system according to the embodiment, radio wave propagation path estimation is performed by ray tracing using a plurality of antennas and the number of arrival waves and the arrival signals estimated based on the plurality of antenna reception signals obtained from the plurality of antennas. And a signal processing device that measures the arrival direction and the elevation angle using the obtained arrival direction as an initial value.

第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the azimuth | direction / elevation angle measurement system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the azimuth | direction / elevation angle measurement system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる電波伝搬経路推定および減衰量推定の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the radio wave propagation path estimation and attenuation amount estimation which are performed with the azimuth | direction / elevation angle measurement system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる電波伝搬経路推定を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the radio wave propagation path estimation performed with the azimuth | direction / elevation angle measurement system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムで行われる計算位置からの到来方向推定を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the arrival direction estimation from the calculation position performed with the azimuth | direction / elevation angle measurement system which concerns on 1st Embodiment.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1の実施形態First embodiment

図1は、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの構成を示すブロック図である。方位・仰角測定システムは、信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3、インターネットデータ処理系4およびデータサーバ系5を備えている。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an azimuth / elevation angle measurement system according to the first embodiment. The azimuth / elevation angle measurement system includes a signal processing system 1, a satellite signal processing system 2, an ionosphere observation system 3, an internet data processing system 4, and a data server system 5.

信号処理系1は、アレイ信号処理を行う部分であり、p個(pは2以上の整数)の通信電波受信用のアンテナ11〜11、p個のアンプ12〜12、p個の周波数変換部13〜13、p個のデジタイザ14〜14、信号処理装置15および表示部16を備えている。 The signal processing system 1 is a part that performs array signal processing, and includes p antennas 11 1 to 11 p and p amplifiers 12 1 to 12 p and p antennas (p is an integer of 2 or more). Frequency converters 13 1 to 13 p , p digitizers 14 1 to 14 p , a signal processing device 15, and a display unit 16.

p個のアンテナ11〜11は、外部から到来する電波を受信してアナログの電気信号に変換し、p個のアンプ12〜12にそれぞれ送る。 The p antennas 11 1 to 11 p receive radio waves coming from the outside, convert them into analog electric signals, and send them to the p amplifiers 12 1 to 12 p , respectively.

p個のアンプ12〜12は、p個のアンテナ11〜11からそれぞれ送られてくる電気信号を増幅し、p個の周波数変換部13〜13にそれぞれ送る。 The p amplifiers 12 1 to 12 p amplify the electric signals transmitted from the p antennas 11 1 to 11 p , respectively, and send the amplified signals to the p frequency conversion units 13 1 to 13 p , respectively.

p個の周波数変換部13〜13は、p個のアンプ12〜12からそれぞれ送られてくる増幅された電気信号の周波数を変換し、p個のデジタイザ14〜14にそれぞれ送る。 The p frequency conversion units 13 1 to 13 p convert the frequencies of the amplified electrical signals respectively transmitted from the p amplifiers 12 1 to 12 p, and respectively convert them to the p digitizers 14 1 to 14 p . send.

p個のデジタイザ14〜14は、p個の周波数変換部13〜13からそれぞれ送られてくる周波数変換されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、アンテナ受信信号として信号処理装置15に送る。 The p digitizers 14 1 to 14 p convert the frequency-converted analog signals respectively transmitted from the p frequency converters 13 1 to 13 p into digital signals, and send them to the signal processing device 15 as antenna reception signals. send.

信号処理装置15は、この方位・仰角測定システムの主要部であり、到来信号の到来方向測定を実施する。この信号処理装置15は、到来方向推定のために、p個のデジタイザ14〜14からそれぞれ送られてくるp個のアンテナ受信信号に基づき電離層電子密度を推定し、電波伝搬経路推定を行う。 The signal processing device 15 is a main part of the azimuth / elevation angle measurement system, and performs the arrival direction measurement of the incoming signal. The signal processing device 15 estimates the ionospheric electron density based on the p antenna reception signals respectively transmitted from the p digitizers 14 1 to 14 p in order to estimate the direction of arrival, and performs radio wave propagation path estimation. .

電離層電子密度の推定には、IRI(International Reference Ionosphere)モデルやこのIRIモデルをGPS(Global Positioning System)衛星等からのGPS信号で修正したTEC(Total Electron Contents)を用いることができる。また、信号処理装置15は、電離層観測系3やインターネットデータ観測系4から送られてくる電離層実測データを使用した電離層電子密度の推定も実行する。   For the estimation of the ionospheric electron density, an IRI (International Reference Ionosphere) model or a TEC (Total Electron Contents) obtained by correcting the IRI model with a GPS signal from a GPS (Global Positioning System) satellite or the like can be used. The signal processing device 15 also performs ionospheric electron density estimation using ionosphere actual measurement data sent from the ionosphere observation system 3 and the Internet data observation system 4.

この信号処理装置15で行う到来方向推定、電離層電子密度推定および電波伝搬経路推定は、1つのCPU(Central Processing Unit)で行うこともできるし、複数のCPUで並行して行うこともできる。電波伝搬経路推定の場合、決められた計算開始場所と到来方向を、複数のCPUで同時に計算させ、到来方向測定の結果を総合するように構成することができる。   The arrival direction estimation, ionospheric electron density estimation and radio wave propagation path estimation performed by the signal processing device 15 can be performed by a single CPU (Central Processing Unit) or in parallel by a plurality of CPUs. In the case of radio wave propagation path estimation, a predetermined calculation start location and arrival direction can be calculated simultaneously by a plurality of CPUs, and the results of arrival direction measurement can be combined.

表示部16は、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータから構成されており、信号処理装置15における処理結果を表示する。この表示部16は、パーソナルコンピュータを複数用意して並行に処理を行うように構成することができる。   The display unit 16 is composed of a personal computer including a display, and displays a processing result in the signal processing device 15. The display unit 16 can be configured to prepare a plurality of personal computers and perform processing in parallel.

衛星信号処理系2は、衛星信号受信アンテナ21、衛星信号受信器22および衛星信号処理装置23を備えている。衛星信号受信アンテナ21は、GPS衛星またはGalileo衛星等から送られてくる複数の電波を受信し、電気信号に変換して衛星信号受信器22に送る。   The satellite signal processing system 2 includes a satellite signal receiving antenna 21, a satellite signal receiver 22, and a satellite signal processing device 23. The satellite signal receiving antenna 21 receives a plurality of radio waves transmitted from GPS satellites or Galileo satellites, etc., converts them into electrical signals, and sends them to the satellite signal receiver 22.

衛星信号受信器22は、衛星信号受信アンテナ21から送られてくる複数の電気信号の増幅等を行い、衛星信号処理装置23に送る。衛星信号処理装置23は、衛星信号受信器22から送られてくる複数の信号から擬似距離、位相および軌道暦を取得して信号処理系1およびデータサーバ系5へ送る。   The satellite signal receiver 22 amplifies a plurality of electrical signals sent from the satellite signal receiving antenna 21 and sends them to the satellite signal processing device 23. The satellite signal processing device 23 acquires pseudoranges, phases, and orbits from a plurality of signals sent from the satellite signal receiver 22 and sends them to the signal processing system 1 and the data server system 5.

電離層観測系3は、イオノゾンデ用アンテナ31、イオノゾンデ32およびイオノゾンデ収集データ処理装置33を備えている。イオノゾンデ用アンテナ31は、パルス電波を上空に放射し、電離層で反射された電波を受信して電気信号に変換し、イオノゾンデ32に送る。   The ionosphere observation system 3 includes an ionosonde antenna 31, an ionosonde 32, and an ionosonde collection data processing device 33. The ionosonde antenna 31 radiates pulse radio waves to the sky, receives radio waves reflected by the ionosphere, converts them into electrical signals, and sends them to the ionosonde 32.

イオノゾンデ32は、イオノゾンデ用アンテナ31から送られてきた電気信号から、パルス電波の放射から反射波を受信するまでの遅延時間を求めて電離気体の分布を表すイオノグラムを作成し、イオノゾンデ収集データ処理装置33に送る。イオノゾンデ収集データ処理装置33は、イオノゾンデ32から送られてくるイオノグラムから電離層の臨海周波数等を算出し、信号処理系1およびデータサーバ系5に送る。   The ionosonde 32 generates an ionogram representing the distribution of the ionized gas from the electrical signal sent from the ionosonde antenna 31 to obtain the delay time from the emission of the pulse radio wave to the reception of the reflected wave, and the ionosonde collection data processing device Send to 33. The ionosonde collection data processing device 33 calculates the coastal frequency of the ionosphere from the ionogram sent from the ionosonde 32 and sends it to the signal processing system 1 and the data server system 5.

インターネットデータ処理系4は、ネットワーク接続機器41およびGEONET収集データ処理装置42を備えている。ネットワーク接続機器41は、スイッチングハブまたはルータから構成されており、このインターネットデータ処理系4を他の系統に接続する。GEONET収集データ処理装置42は、例えば、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータから構成されており、電離層観測情報または衛星観測情報等を入手し、信号処理系1およびデータサーバ系5に送る。また、GEONET収集データ処理装置42は、外部のインターネット網に接続されている。   The Internet data processing system 4 includes a network connection device 41 and a GEONET collection data processing device 42. The network connection device 41 is composed of a switching hub or a router, and connects the Internet data processing system 4 to another system. The GEONET collection data processing device 42 is constituted by, for example, a personal computer including a display, obtains ionospheric observation information or satellite observation information, and sends it to the signal processing system 1 and the data server system 5. The GEONET collected data processing device 42 is connected to an external Internet network.

データサーバ系5は、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータからなるデータ収集サーバ51と記録装置52を備えている。データ収集サーバ51は、上述した信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3およびインターネットデータ処理系4で処理されたデータを受信して記録装置52に記録するとともに、記録装置52に記録されているデータを読み出して信号処理系1、衛星信号処理系2、電離層観測系3およびインターネットデータ処理系4に送信し、また、記録装置52に記録されているデータを削除する。   The data server system 5 includes a data collection server 51 and a recording device 52 which are personal computers including a display. The data collection server 51 receives the data processed by the signal processing system 1, the satellite signal processing system 2, the ionosphere observation system 3, and the Internet data processing system 4 described above and records the data in the recording device 52. The recorded data is read out and transmitted to the signal processing system 1, the satellite signal processing system 2, the ionosphere observation system 3, and the Internet data processing system 4, and the data recorded in the recording device 52 is deleted.

次に、上記のように構成される第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムの動作を説明する。図2は、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムにおいて実行される到来方向初期値推定処理を示すフローチャートである。なお、以下に示す処理は、主に信号処理系1において実行される。   Next, the operation of the azimuth / elevation angle measurement system according to the first embodiment configured as described above will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an arrival direction initial value estimation process executed in the azimuth / elevation angle measurement system according to the first embodiment. The processing shown below is mainly executed in the signal processing system 1.

到来方向初期値推定処理では、まず、受信信号共分散行列作成・固有値・固有ベクトル計算が実行される(ステップS11)。以下、詳細に説明する。信号処理系1のアンテナ11〜11で受信された信号sは、下記(1)式により表される。

Figure 2012237705
In the arrival direction initial value estimation process, first, reception signal covariance matrix creation / eigenvalue / eigenvector calculation is executed (step S11). Details will be described below. The signal s received by the antennas 11 1 to 11 p of the signal processing system 1 is expressed by the following equation (1).
Figure 2012237705

ここで、

Figure 2012237705
here,
Figure 2012237705

ここでE[・]は、期待値を計算することを意味し、Rは観測された信号の共分散行列、Esは信号固有ベクトル、Λは固有値を対角要素とする行列、σはノイズの標準偏差、Iは単位行列を表しており、Hはエルミート転置を示している。m〜mは固有値を示している。このうち、m〜mは信号に対応し、mM+1〜mはノイズに対応した固有値である。 Here, E [•] means that an expected value is calculated, R is a covariance matrix of the observed signal, Es is a signal eigenvector, Λ is a matrix having eigenvalues as diagonal elements, and σ is a noise standard Deviation, I represents a unit matrix, and H represents Hermitian transpose. m 1 ~m p shows the eigenvalues. Among these, m 1 to m M correspond to signals, and m M + 1 to m p are eigenvalues corresponding to noise.

次いで、到来信号数の推定が行われる(ステップS12)。この到来信号数の推定は、統計的な性質を利用したAkaike's(AIC)またはRissanen's(MDL)による方法(非特許文献3参照)、あるいは、(7)式の固有値が予め設定した閾値より大きい数として設定する。AICまたはMDLによる方法は、下記(8)式または(9)式のkを変化させ、AICまたはMDLの値が最小となった際のkを推定信号数とする方法である。

Figure 2012237705
Next, the number of incoming signals is estimated (step S12). The estimation of the number of incoming signals is performed by a method based on Akaike's (AIC) or Rissanen's (MDL) using statistical properties (see Non-Patent Document 3), or a number in which the eigenvalue of equation (7) is larger than a preset threshold value. Set as. The method using AIC or MDL is a method of changing k in the following formula (8) or (9) and using k when the value of AIC or MDL is minimized as the estimated number of signals.
Figure 2012237705

ここで、
>m2>…>mM
k=0,1,・・・,p−1
である。
here,
m 1 > m 2 >...> m M
k = 0, 1,..., p−1
It is.

次いで、到来方向の推定が行われる(ステップS13)。到来方向の推定方式には、ビームフォーマ法、CAPON法、MUSIC法またはESPRIT法(非特許文献4参照)などが存在し、何れの方法を用いてもよい。以下では、この中のMUSIC法について説明する。

Figure 2012237705
Next, the arrival direction is estimated (step S13). There are a beamformer method, a CAPON method, a MUSIC method, an ESPRIT method (see Non-Patent Document 4), and the like, and any method may be used as an arrival direction estimation method. Below, the MUSIC method in this is demonstrated.
Figure 2012237705

ここで、
:ノイズ固有ベクトル
θ,φ:ピークサーチ仰角・方位角
である。
here,
E n : Noise eigenvector θ, φ: Peak search elevation angle / azimuth angle.

MUSIC法は、共分散行列の雑音固有値と信号に対応する固有値が直行する性質を利用する方法である。到来方向をサーチする方位・仰角を変化させてステアリングベクトルを算出し、(10)式がピークとなる方向を検出する。   The MUSIC method is a method that utilizes the property that the noise eigenvalue of the covariance matrix and the eigenvalue corresponding to the signal are orthogonal. The steering vector is calculated by changing the azimuth / elevation angle for searching the arrival direction, and the direction in which equation (10) reaches a peak is detected.

次いで、ステップS12で推定された到来信号の信号数が複数であるかどうかが調べられる(ステップS14)。このステップS14において、信号数が複数であることが判断されると、信号抽出が行われる(ステップS15)。   Next, it is checked whether or not the number of incoming signals estimated in step S12 is plural (step S14). If it is determined in step S14 that the number of signals is plural, signal extraction is performed (step S15).

信号抽出の方法には、MSN法、DCMP法、ICA(独立成分分析)法、ゼロフォーシング(ZF)法、MMSE法(非特許文献4参照)などが存在し、何れの方法を用いてもよい。以下では、MSN法とZF法について説明する。これらの方法では、抽出したい信号の到来方向に対するステアリングベクトルa(θ,φ)(k=1〜s)と共分散行列が使用される。(11)式のmおよびσは、対応する固有値およびノイズ標準偏差をそれぞれ示している。 There are an MSN method, a DCMP method, an ICA (independent component analysis) method, a zero forcing (ZF) method, an MMSE method (see Non-Patent Document 4), and the like, and any method can be used. . Hereinafter, the MSN method and the ZF method will be described. In these methods, a steering vector a (θ k , φ k ) (k = 1 to s) and a covariance matrix with respect to the arrival direction of a signal to be extracted are used. In Equation (11), m k and σ indicate the corresponding eigenvalue and noise standard deviation, respectively.

MSN法による抽出方法を(11)式および(12)式に示す。

Figure 2012237705
The extraction method by the MSN method is shown in the equations (11) and (12).
Figure 2012237705

(11)式および(12)式のEは、固有値mの固有ベクトルを示しており、(12)式のs は計算された初期値の受信信号を示し、Xはアンテナ受信信号を示している。 E in the equations (11) and (12) represents the eigenvector of the eigenvalue m k , s 0 k in the equation (12) represents the received signal with the calculated initial value, and X represents the antenna received signal. ing.

ZF法による抽出方法を(13)式に示す。

Figure 2012237705
The extraction method by the ZF method is shown in equation (13).
Figure 2012237705

以上の信号抽出処理が終了すると、ステップS16の処理に進む。なお、上記ステップS14において、信号数が複数でないことが判断された場合は、ステップS15の処理はスキップされ、ステップS16の処理に進む。   When the above signal extraction process ends, the process proceeds to step S16. If it is determined in step S14 that the number of signals is not plural, the process in step S15 is skipped and the process proceeds to step S16.

ステップS16においては、電波伝搬経路推定および減衰量推定が行われる。電波伝搬経路推定では、抽出されたk信号の伝搬経路をレイトレーシングにより推定する処理が行われる。なお、レイトレーシングによる電波伝搬経路推定については、「前田憲一,後藤三男:”電波伝播”,岩波全書,1953年2月」、「K.G.Buden : ”The Propagation of radio waves” ,Cambridge University Press,1988.」または「Iwane Kimura : ”Effects of Ions on Whistler-Mode Ray Tracing” ,Radio Science.Vol.I,No.3,269-283,March 1966.」などに説明されている。   In step S16, radio wave propagation path estimation and attenuation estimation are performed. In the radio wave propagation path estimation, a process of estimating the extracted k signal propagation path by ray tracing is performed. For radio propagation path estimation by ray tracing, see “Kenichi Maeda, Mitsuo Goto:“ Radio propagation ”, Iwanami Zensho, February 1953”, “KGBuden:“ The Propagation of radio waves ”, Cambridge University Press, 1988. Or “Iwane Kimura:“ Effects of Ions on Whistler-Mode Ray Tracing ”, Radio Science. Vol. I, No. 3, 269-283, March 1966.”, etc.

レイトレーシングによる電波伝搬経路推定では、受信した信号のホップ(hop)数は不明であるため、ホップ数分のホップ数伝搬経路推定が行われる。このとき、伝搬モードとして、左偏波(Oモード)および右偏波(Xモード)の両方、または、何れか一方について推定が行われる(図3、図4参照)。   In radio wave propagation path estimation by ray tracing, the number of hops of a received signal is unknown, so hop number propagation paths are estimated for the number of hops. At this time, estimation is performed for both the left polarization (O mode) and the right polarization (X mode), or one of the propagation modes (see FIGS. 3 and 4).

推定された伝搬経路の中で、地表に到達した位置(計算位置)から受信位置まで逆に電波伝搬経路推定を実行する。図4は、計算位置2から、1ホップ、2ホップ、3ホップ、・・・の逆計算を示している。このときも、OモードおよびXモードの両方、または、何れか一方について逆計算が実施される。   In the estimated propagation path, radio wave propagation path estimation is executed in reverse from the position (calculation position) reaching the ground surface to the reception position. FIG. 4 shows the reverse calculation of 1 hop, 2 hops, 3 hops,... From the calculation position 2. Also at this time, inverse calculation is performed for both the O mode and the X mode, or one of them.

上述した電波伝搬経路推定を行うことにより、伝搬過程で生じる減衰量を推定できる(「前田憲一,後藤三男:”電波伝播”,岩波全書,1953年2月」参照)。下記(14)式〜(16)式は、近似的な減衰量計算方法を示している。

Figure 2012237705
By performing the above-described radio wave propagation path estimation, it is possible to estimate the attenuation generated in the propagation process (see “Maeda Kenichi, Goto Mio:“ Radio wave propagation ”, Iwanami Zensho, February 1953)”. The following formulas (14) to (16) show an approximate attenuation calculation method.
Figure 2012237705

ここで、
E :受信電界強度
E0 :送信源の電界強度
R1 :地表−電離層間の伝搬距離の総和
R2 :電離層通過距離の総和
Γ :電離層による減衰量
q :電子の電荷
c :光速度
me :電子質量
ε0 :真空の誘電率
f :電波の周波数
STEP:計算ステップ総数
ν0 :電離層最下部における平均衝突回数
α :高さに対する変化率
zk :ステップkにおける高さ
Nk :高さzkにおける電子密度
nk :高さzkにおける屈折率
Δl :ステップkとステップk+1の距離
図5は、上述した電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理の詳細を示すフローチャートである。電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理では、まず、逆計算仰角初期設定が行われる(ステップS21)。次いで、計算位置を開始位置としたレイトレーシングが実施される(ステップS22)。次いで、電離層貫通があったかどうかが調べられる(ステップS23)。このステップS23において、電離層貫通があったことが判断されると、ステップS28の処理に進む。
here,
E: Received electric field strength E0: Transmission field strength R1: Total propagation distance between surface and ionosphere R2: Total ionosphere passage distance Γ: Attenuation by ionosphere q: Electron charge c: Light speed me: Electron mass ε0 : Dielectric constant of vacuum f: Radio frequency STEP: Total number of calculation steps ν 0: Average number of collisions at the bottom of the ionosphere α: Rate of change with respect to height zk: Height at step k Nk: Electron density at height zk nk: Height Refractive index Δl at zk: distance between step k and step k + 1 FIG. 5 is a flowchart showing details of the above-described radio wave propagation path estimation and attenuation estimation processing. In the radio wave propagation path estimation and attenuation amount estimation processing, first, an inverse calculation elevation angle initial setting is performed (step S21). Next, ray tracing is performed with the calculated position as the start position (step S22). Next, it is examined whether or not ionosphere penetration has occurred (step S23). If it is determined in step S23 that ionosphere penetration has occurred, the process proceeds to step S28.

一方、ステップS23において、電離層貫通がなかったことが判断されると、次いで、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さいかどうかが調べられる(ステップS24)。このステップS24において、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さくないことが判断されると、逆計算仰角が変更され(ステップS25)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。   On the other hand, if it is determined in step S23 that the ionosphere has not penetrated, it is then checked whether the absolute value of the difference between the calculation position and the reception position is smaller than ε (step S24). If it is determined in step S24 that the absolute value of the difference between the calculation position and the reception position is not smaller than ε, the inverse calculation elevation angle is changed (step S25), and then the process returns to step S22 and described above. The process is repeated.

一方、上記ステップS24において、計算位置と受信位置との差の絶対値がεより小さいことが判断されると、計算された到来仰角・方位角が保存される(ステップS26)。次いで、減衰量が計算されて保存される(ステップS27)。その後、ステップS28の処理に進む。   On the other hand, if it is determined in step S24 that the absolute value of the difference between the calculated position and the received position is smaller than ε, the calculated arrival elevation angle and azimuth angle are stored (step S26). Next, the attenuation is calculated and stored (step S27). Thereafter, the process proceeds to step S28.

ステップS28においては、OモードおよびXモードが完了したかどうかが調べられる。このステップS28において、OモードおよびXモードが完了していないことが判断されると、OモードからXモードまたはXモードからOモードへのモード変更が行われ(ステップS29)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。   In step S28, it is checked whether the O mode and the X mode are completed. If it is determined in step S28 that the O mode and the X mode have not been completed, the mode change from the O mode to the X mode or from the X mode to the O mode is performed (step S29), and then in step S22. Returning to the process, the process described above is repeated.

上記ステップS28において、OモードおよびXモードが完了したことが判断されると、次いで、ホップが最大ホップ数より大きくなったがどうかが調べられる(ステップS30)。このステップS30において、ホップが最大ホップ数より大きくなっていないことが判断されると、ホップ数がインクリメント(+1)される(ステップS31)。次いで、逆計算仰角初期設定が行われ(ステップS32)、その後、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。   If it is determined in step S28 that the O mode and the X mode have been completed, it is then checked whether the hop has become larger than the maximum number of hops (step S30). If it is determined in step S30 that the hop is not larger than the maximum hop count, the hop count is incremented (+1) (step S31). Next, the inverse calculation elevation angle initial setting is performed (step S32), and then the process returns to step S22 and the above-described process is repeated.

上記ステップS30において、ホップが最大ホップ数より大きくなったことが判断されると、次いで、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了したかどうかが調べられる(ステップS33)。このステップS33において、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了していないことが判断されると、ステップS22の処理に戻って上述した処理が繰り返される。一方、ステップS33において、全部の逆計算開始位置に対する処理が完了したことが判断されると、電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理は終了する。   If it is determined in step S30 that the number of hops is greater than the maximum number of hops, it is then checked whether or not the processing for all reverse calculation start positions has been completed (step S33). If it is determined in step S33 that processing for all the reverse calculation start positions has not been completed, the process returns to step S22 and the above-described processing is repeated. On the other hand, if it is determined in step S33 that the processing for all the reverse calculation start positions has been completed, the radio wave propagation path estimation and attenuation estimation processing ends.

図2に示すフローチャートのステップS16における電波伝搬経路推定および減衰量推定の処理が終了すると、次いで、到来方向初期値設定が行われる(ステップS17)。このステップS17では、上記ステップS16で求められた到来信号の到来方向(θ,φ)=(θ ,φ )(h:逆計算ホップ数、k:計算位置番号)(u=1〜m)と減衰量が使用される。ここで、mは、求められたマルチパスの数である。(12)式で求められた信号sは、m個のコヒーレントマルチパスの和として表される。

Figure 2012237705
When the radio wave propagation path estimation and attenuation amount estimation processing in step S16 of the flowchart shown in FIG. 2 is completed, arrival direction initial value setting is performed (step S17). In step S17, the arrival direction (θ u , φ u ) = (θ h k , φ h k ) (h: number of reverse calculation hops, k: calculation position number) (u = 1 to m) and attenuation is used. Here, m is the obtained number of multipaths. The signal s 0 obtained by the equation (12) is expressed as a sum of m coherent multipaths.
Figure 2012237705

各アンテナ素子で受信した信号x は、信号uの到来方向に対応するステアリングベクトルを掛けて求められる。

Figure 2012237705
The signal x 0 u received by each antenna element is obtained by multiplying the steering vector corresponding to the direction of arrival of the signal u.
Figure 2012237705

以上の処理の後、到来方位仰角精密測定が行われる。すなわち、ステップS17で求められた到来信号sの到来方向推定の初期値を基に、さらに詳細な到来方位仰角推定が行われる。推定方法の一例としてSAGE法を使用した例を以下に示す。複数のマルチパスから構成される信号sは、(24)式で表される。

Figure 2012237705
After the above processing, the arrival azimuth elevation angle precision measurement is performed. That is, based on the initial value of the arrival direction estimation of the incoming signal s 0 determined in step S17, is performed more detailed arrival direction elevation estimation. An example using the SAGE method as an example of the estimation method is shown below. A signal s 0 composed of a plurality of multipaths is expressed by equation (24).
Figure 2012237705

ここで、(25)式のkは繰り返し回数を示している。 Here, k in the equation (25) indicates the number of repetitions.

SAGE法の処理は、E(Expectation)−StepとM(Maximization)−Stepといった大きく2つのステップから構成される。まずE−Stepが実施され、次にM−Stepが実施され、これらのステップが、予め設定された評価値が閾値以下になるまで繰り返される。   The processing of the SAGE method is mainly composed of two steps of E (Expectation) -Step and M (Maximization) -Step. First, E-Step is performed, then M-Step is performed, and these steps are repeated until a preset evaluation value becomes equal to or less than a threshold value.

[E−Step]
まず、複数信号から構成されている信号のうち、信号uの各アンテナ受信信号が(26)式により更新される。

Figure 2012237705
[E-Step]
First, among the signals composed of a plurality of signals, each antenna reception signal of the signal u is updated by the equation (26).
Figure 2012237705

[M−Step]
次いで、E−Stepで更新された信号uの共分散行列が計算される。

Figure 2012237705
[M-Step]
Next, the covariance matrix of the signal u updated at E-Step is calculated.
Figure 2012237705

ここで、(27)式のE[・]は、括弧内の平均をとる操作である。この共分散行列を利用して、ビームフォーミングアルゴリズムにより到来方位が求められる(非特許文献2参照)。

Figure 2012237705
Here, E [•] in the equation (27) is an operation for taking an average in parentheses. Using this covariance matrix, the arrival direction is obtained by a beamforming algorithm (see Non-Patent Document 2).
Figure 2012237705

次いで、M−Stepで計算されたu信号の到来方向を用いてu信号のステアリングベクトルのみが更新される。次いで、更新された、アレーマニフォールド(混合行列)Aが生成される。次いで、これを用いてZF法により信号の分離が行われる。

Figure 2012237705
Next, only the steering vector of the u signal is updated using the arrival direction of the u signal calculated in M-Step. An updated array manifold (mixing matrix) A is then generated. Next, using this, signal separation is performed by the ZF method.
Figure 2012237705

このとき、(29)式の括弧内のεIは、行列が非正則の場合に正則化するためのパラメータである。εがゼロの場合、正則でない場合に、十分小さい値(0.001〜0.00001)が設定される。   At this time, εI in parentheses in the equation (29) is a parameter for regularization when the matrix is irregular. When ε is zero, when it is not regular, a sufficiently small value (0.001 to 0.00001) is set.

繰り返し処理の終了条件は、E−Stepの変化が少なくなった場合である。収束条件の一例を以下に示す。

Figure 2012237705
The end condition of the iterative process is when the change in E-Step is reduced. An example of the convergence condition is shown below.
Figure 2012237705

(30)式のεは、予め設定された閾値である。   In the equation (30), ε is a preset threshold value.

以上の処理により(28)式で求められた方位角および仰角が精密方位仰角とされる。このように、第1の実施形態に係る方位・仰角測定システムによれば、レイトレーシングによる電波伝搬経路推定を用いることにより、到来波数と到来信号を推定し、SAGEアルゴリズムに代表されるアルゴリズムに、初期設定を行うことができる。その結果、ランダムに初期信号を設定した場合よりも効率的に処理を行うことができ、より実際の信号に近い結果を得ることができる。その結果、到来信号の方位および仰角を精密に測定できる。   With the above processing, the azimuth angle and elevation angle obtained by the equation (28) are set as the precise azimuth elevation angle. As described above, according to the azimuth / elevation angle measurement system according to the first embodiment, the number of incoming waves and the incoming signal are estimated by using the radio wave propagation path estimation by ray tracing, and an algorithm represented by the SAGE algorithm is used. Initial settings can be made. As a result, processing can be performed more efficiently than when the initial signal is set at random, and a result closer to the actual signal can be obtained. As a result, the azimuth and elevation angle of the incoming signal can be accurately measured.

以上のように、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although several embodiment was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 信号処理系
2 衛星信号処理系
3 電離層観測系
4 インターネットデータ処理系
5 データサーバ系
11〜11 アンテナ
12〜12 アンプ
13〜13 周波数変換部
14〜14 デジタイザ
15 信号処理装置
16 表示部
21 衛星信号受信アンテナ
22 衛星信号受信器
23 衛星信号処理装置
31 イオノゾンデ用アンテナ
32 イオノゾンデ
33 イオノゾンデ収集データ処理装置
41 ネットワーク接続機器
42 GEONET収集データ処理装置
51 ディスプレイを含むパーソナルコンピュータ
52 記録装置
1 signal processing system 2 satellite signal processing system 3 ionospheric observation system 4 Internet Data processing system 5 data server system 11 1 to 11 p antenna 12 1 to 12 p amplifier 13 1 to 13 p frequency converting unit 14 1 to 14 p digitizer 15 signals Processing device 16 Display unit 21 Satellite signal receiving antenna 22 Satellite signal receiver 23 Satellite signal processing device 31 Ionosonde antenna 32 Ionosonde 33 Ionosonde collection data processing device 41 Network connection device 42 GEONET collection data processing device 51 Personal computer 52 including display Recording apparatus

Claims (2)

複数のアンテナと、
前記複数のアンテナから得られる複数のアンテナ受信信号に基づき推定した到来波数と到来信号を用いてレイトレーシングによる電波伝搬経路推定を行って到来方向を求め、該求めた到来方向を初期値として到来方位および仰角を測定する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする方位・仰角測定システム。
Multiple antennas,
The arrival direction is obtained by estimating the radio wave propagation path by ray tracing using the arrival wave number and the arrival signal estimated from the plurality of antenna reception signals obtained from the plurality of antennas, and the arrival direction is determined with the obtained arrival direction as an initial value. And a signal processing device for measuring an elevation angle;
An azimuth / elevation angle measurement system comprising:
前記信号処理装置は、アンテナ受信信号に基づき、IRIモデルまたは該IRIモデルをGPS信号で修正したモデルにより電離層電子密度を推定して電波伝搬経路推定を行うことを特徴とする請求項1記載の方位・仰角測定システム。   The azimuth according to claim 1, wherein the signal processing device estimates a radio wave propagation path by estimating an ionospheric electron density using an IRI model or a model obtained by correcting the IRI model with a GPS signal based on an antenna reception signal.・ Elevation angle measurement system.
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