JP5311496B2 - Position estimation system and program - Google Patents

Position estimation system and program Download PDF

Info

Publication number
JP5311496B2
JP5311496B2 JP2009288519A JP2009288519A JP5311496B2 JP 5311496 B2 JP5311496 B2 JP 5311496B2 JP 2009288519 A JP2009288519 A JP 2009288519A JP 2009288519 A JP2009288519 A JP 2009288519A JP 5311496 B2 JP5311496 B2 JP 5311496B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
arrival
array
matrix
estimating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009288519A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011128088A (en
Inventor
知明 大槻
俊 川上
昇平 池田
利樹 岡根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Keio University
Original Assignee
Keio University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Keio University filed Critical Keio University
Priority to JP2009288519A priority Critical patent/JP5311496B2/en
Publication of JP2011128088A publication Critical patent/JP2011128088A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5311496B2 publication Critical patent/JP5311496B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position estimation system and a program capable of improving position estimation accuracy, without increasing the number of elements of sub-array antennas, and reducing the cost and device size, concerning the position estimation system and the program for estimating the position of a signal source based on AOA (angle of arrival) estimation in a plurality of sub-arrays. <P>SOLUTION: Initial estimation of an approximate position of a signal source is performed, based on AOA estimation in each sub-array, and each received signal is subjected to phase correction and synchronized in each sub-array based on a distance from the signal source to each sub-array; each signal from the plurality of sub-arrays is used in common; and AOA is updated based on its correlation matrix and the estimated position is updated. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、複数のサブアレー(実際のアレーアンテナ)におけるAOA(Angle of Arrival)推定に基づいて信号源の位置を推定する位置推定システム及びプログラムに関し、特に、サブアレーのアンテナの素子数を増やさずに位置推定精度を向上させ、コスト削減と装置サイズの縮小を達成する位置推定システム及びプログラムに関する。   The present invention relates to a position estimation system and program for estimating the position of a signal source based on AOA (Angle of Arrival) estimation in a plurality of subarrays (actual array antennas), and in particular, without increasing the number of antenna elements of the subarrays. The present invention relates to a position estimation system and program for improving position estimation accuracy and achieving cost reduction and apparatus size reduction.

従来のAOAを利用した位置推定システムでは、位置推定精度の改善にはアンテナの素子数を増やす必要があり、受信機で用いるアレーアンテナが大きくなる。(例えば、非特許文献1参照。)。   In the conventional position estimation system using AOA, it is necessary to increase the number of antenna elements in order to improve the position estimation accuracy, and the array antenna used in the receiver becomes large. (For example, refer nonpatent literature 1.).

S. Zhilong et al., "Precise localization with smart antennas in Ad-Hoc networks", IEEE Globecom Conf., pp. 1053-1057, Nov. 2007S. Zhilong et al., "Precise localization with smart antennas in Ad-Hoc networks", IEEE Globecom Conf., Pp. 1053-1057, Nov. 2007

本発明は、上記問題点に鑑み、複数のサブアレーにおけるAOA推定に基づいて信号源の位置を推定する位置推定システム及びプログラムにおいて、サブアレーのアンテナの素子数を増やさずに位置推定精度を向上させ、コスト削減と装置サイズの縮小を達成する位置推定システム及びプログラムを提供することを目的とする。   In the position estimation system and program for estimating the position of a signal source based on AOA estimation in a plurality of subarrays in view of the above problems, the present invention improves the position estimation accuracy without increasing the number of antenna elements in the subarray, It is an object of the present invention to provide a position estimation system and program that achieves cost reduction and apparatus size reduction.

本発明の位置推定システムは、離れて設置されている複数のアレーアンテナ(以下、実際のアレーアンテナを「サブアレー」と言う。)の各アンテナ素子からの信号をそれぞれ受信して、各サブアレーの位置における信号源からの電波の到来方向を推定する第1到来方向推定手段と、該第1到来方向推定手段によって推定された各到来方向に基づいて前記信号源の位置を推定する第1位置推定手段と、該第1位置推定手段によって推定された信号源の位置と各前記サブアレーの位置との距離に基づいて、各前記サブアレーのアンテナ素子の1つである第1アンテナ素子からの信号の同期を取るために各前記信号の位相を補正する信号同期手段と、該信号同期手段によって同期が取れた他のサブアレーの信号を共有して、複数のサブアレーからの信号を1つの仮想のアレーアンテナからの信号として、各信号を成分とする行列を作成するデータ共有手段と、該データ共有手段によって作成された行列の相関行列を演算する相関行列演算手段と、該相関行列演算手段によって演算された相関行列に基づいて、各サブアレーの位置における前記信号源からの電波の到来方向を推定する第2到来方向推定手段と、該第2到来方向推定手段によって推定された各到来方向に基づいて前記信号源の位置を推定する第2位置推定手段とを備えることを特徴とする。   The position estimation system of the present invention receives signals from antenna elements of a plurality of array antennas (hereinafter referred to as “sub-arrays”) that are installed apart from each other, and positions of the sub-arrays. First direction-of-arrival estimation means for estimating the direction of arrival of radio waves from the signal source, and first position estimation means for estimating the position of the signal source based on each direction of arrival estimated by the first direction-of-arrival estimation means And synchronizing the signal from the first antenna element, which is one of the antenna elements of each subarray, based on the distance between the position of the signal source estimated by the first position estimating means and the position of each subarray. A plurality of subarrays sharing a signal synchronizing means for correcting the phase of each of the signals and signals of other subarrays synchronized by the signal synchronizing means. Data sharing means for creating a matrix having each signal as a component, using the signal as a signal from one virtual array antenna; correlation matrix computing means for computing a correlation matrix of the matrix created by the data sharing means; and Based on the correlation matrix calculated by the correlation matrix calculation means, second arrival direction estimation means for estimating the arrival direction of the radio wave from the signal source at each subarray position, and the second arrival direction estimation means And second position estimating means for estimating the position of the signal source based on each direction of arrival.

また、前記信号同期手段、データ共有手段、相関行列演算手段、第2到来方向推定手段及び第2位置推定手段を所定回数繰り返し実行して最終的な前記信号源の位置を推定することで、位置推定精度を高くすることができる。   Further, the signal synchronization means, data sharing means, correlation matrix calculation means, second arrival direction estimation means and second position estimation means are repeatedly executed a predetermined number of times to estimate the final position of the signal source. The estimation accuracy can be increased.

また、前記データ共有手段は、前記他のサブアレーのアンテナ素子の1つからの信号を前記行列の第1成分として行列を作成することで、共有データを有効に利用して位置推定精度を高くすることができる。   Further, the data sharing means creates a matrix using a signal from one of the antenna elements of the other sub-array as a first component of the matrix, thereby effectively using the shared data and increasing the position estimation accuracy. be able to.

また、前記第2到来方向推定手段は、広帯域信号を帯域分割し、1つの周波数の信号部分空間を他の周波数に周波数変換して、次の行列Zを検定することで、位置推定精度を高くすることができる。   Further, the second direction-of-arrival estimating means divides a wideband signal into bands, frequency-converts a signal subspace of one frequency to another frequency, and tests the next matrix Z, thereby improving the position estimation accuracy. can do.

Figure 0005311496
(1)
ここで、Ukは周波数変換された信号部分空間、Wkは各周波数の相関行列から得られる周波数変換された雑音部分空間である。
Figure 0005311496
(1)
Here, Uk is a frequency-converted signal subspace, and Wk is a frequency-converted noise subspace obtained from the correlation matrix of each frequency.

また、前記第2到来方向推定手段は、前記相関行列を固有値展開して、得られる雑音部分空間の固有値を含む直交行列に基づいて、MUSIC(Multiple Signal Classification)スペクトルのピークを求めることによって、電波の到来方向を推定することで、位置推定精度を高くすることができる。   Further, the second arrival direction estimation means expands the correlation matrix by eigenvalue expansion and obtains a peak of a MUSIC (Multiple Signal Classification) spectrum based on an orthogonal matrix including the eigenvalue of the obtained noise subspace. The position estimation accuracy can be increased by estimating the arrival direction of.

また、本発明は、コンピュータを、上記の位置推定システムとして機能させるためのプログラムである。   Moreover, this invention is a program for functioning a computer as said position estimation system.

本発明によれば、複数のサブアレーにおけるAOA推定に基づいて信号源の位置を推定する位置推定システム及びプログラムにおいて、サブアレーのアンテナの素子数を増やさずに位置推定精度を向上させ、コスト削減と装置サイズの縮小を達成することができる。   According to the present invention, in a position estimation system and program for estimating the position of a signal source based on AOA estimation in a plurality of subarrays, the position estimation accuracy can be improved without increasing the number of elements of the antennas of the subarrays, and the cost can be reduced. A reduction in size can be achieved.

本発明の一実施例による位置推定システムを使用する環境を説明する図である。It is a figure explaining the environment which uses the position estimation system by one Example of this invention. 本発明の一実施例による位置推定システムの機能動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the functional operation | movement of the position estimation system by one Example of this invention. 本発明の一実施例による位置推定システムの位置推定特性をシミュレーションした環境を説明する図である。It is a figure explaining the environment which simulated the position estimation characteristic of the position estimation system by one Example of this invention. 仮想アレーの構成方法を変えて、推定精度をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the estimation precision by changing the construction method of a virtual array. 従来例と本実施例の推定精度をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the estimation accuracy of a prior art example and a present Example. 従来例と本実施例の位置推定誤差の確率分布をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the probability distribution of the position estimation error of a prior art example and a present Example.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の一実施例による位置推定システムを使用する環境を説明する図である。実際のアレーアンテナであるサブアレー1及びサブアレー2は、それぞれ3つのアンテナ素子を有し、信号源からの電波を受信して、その到来方向θ^1、θ^2を推定する。ここで「^」は文章中において、その左の文字に「^」が被っていることを表す。サブアレーkの位相中心点を(xk,yk)、信号源の位置を(x^,y^)とすると、以下のような2つの直線式が書ける。   FIG. 1 is a diagram illustrating an environment in which a position estimation system according to an embodiment of the present invention is used. Subarray 1 and subarray 2 that are actual array antennas each have three antenna elements, receive radio waves from a signal source, and estimate their arrival directions θ ^ 1 and θ ^ 2. Here, “^” represents that “^” is put on the left character in the sentence. If the phase center point of the sub-array k is (xk, yk) and the position of the signal source is (x ^, y ^), the following two linear expressions can be written.

Figure 0005311496
(2)
式(2)から、信号源の位置(x^,y^)は次のように求められる。
Figure 0005311496
(2)
From the equation (2), the position (x ^, y ^) of the signal source is obtained as follows.

Figure 0005311496
(3)
Figure 0005311496
(3)

3つ以上のサブアレーがある場合には、複数の直線の交点の重心などに基づいて1点を求める。   When there are three or more subarrays, one point is obtained based on the center of gravity of the intersection of a plurality of straight lines.

図2は、本発明の一実施例による位置推定システムの機能動作を示すフローチャートである。まず、各サブアレーにおいて実際のアレーアンテナによって信号源の到来方向を推定する(ステップS1)。ここでは、MUSIC(Multiple Signal Classification)法により推定する例を説明する。L個の狭帯域信号を仮定すると、時刻tにおけるM素子アレーアンテナの受信モデルは、次のように表せる。   FIG. 2 is a flowchart showing the functional operation of the position estimation system according to one embodiment of the present invention. First, in each subarray, the arrival direction of the signal source is estimated by an actual array antenna (step S1). Here, an example in which estimation is performed by a MUSIC (Multiple Signal Classification) method will be described. Assuming L narrowband signals, the reception model of the M element array antenna at time t can be expressed as follows.

Figure 0005311496
(4)
ここで、A→(θ)はM×Lのステアリング行列で、ステアリングベクトルa→(θ)から構成される。ここで「→」は文章中において、その左の文字がベクトル又は行列であることを表す。各サブアレーが素子間隔dの等間隔直線アレーで構成されているとき、a→(θ)=[a1(θ),a2(θ),・・・,aM(θ)]Tの成分であるアレー応答は
Figure 0005311496
(4)
Here, A → (θ) is an M × L steering matrix and is composed of a steering vector a → (θ). Here, “→” indicates that the left character in the sentence is a vector or a matrix. When each sub-array is composed of an equidistant linear array with an element spacing d, an array that is a component of a → (θ) = [a1 (θ), a2 (θ),..., AM (θ)] T The response is

Figure 0005311496
(5)
と表される。ただし、[・]Tは転置、S→(t)はL×1の信号波形ベクトル、N→(t)はM×1の雑音ベクトルである。Nはスナップショット数であり、相関行列は次のように推定される。
Figure 0005311496
(5)
It is expressed. However, [•] T is a transposition, S → (t) is an L × 1 signal waveform vector, and N → (t) is an M × 1 noise vector. N is the number of snapshots, and the correlation matrix is estimated as follows.

Figure 0005311496
(6)
ただし、[・]Hはエルミート転置である。これを固有値展開すると、
Figure 0005311496
(6)
However, [•] H is Hermitian transpose. When this is expanded into eigenvalues,

Figure 0005311496
(7)
ここで、Λ→^S、Λ→^NはR→^の信号部分空間、雑音部分空間の固有値を含む対角行列、E→^S、E→^Nはそれぞれの固有値に対応する固有ベクトルを含む直交行列である。
Figure 0005311496
(7)
Here, Λ → ^ S and Λ → ^ N are diagonal matrices including eigenvalues of the signal subspace and noise subspace of R → ^, and E → ^ S and E → ^ N are eigenvectors corresponding to the respective eigenvalues. It is an orthogonal matrix containing.

雑音部分空間が推定されると、次式で与えられるMUSICスペクトルのピークを探すことで、AOAを推定することができる。   Once the noise subspace is estimated, the AOA can be estimated by looking for the peak of the MUSIC spectrum given by the following equation.

Figure 0005311496
(8)
Figure 0005311496
(8)

各サブアレー1、2における電波の到来方向θ^1、θ^2が推定されることにより、式(3)によって信号源の位置(x^,y^)を推定することができる(ステップS2)。   By estimating the arrival directions θ ^ 1 and θ ^ 2 of the radio waves in the sub-arrays 1 and 2, the position (x ^, y ^) of the signal source can be estimated by the expression (3) (step S2). .

本実施例では、繰り返しAOA推定により、複数サブアレーの受信信号を共有して位置推定する。まず、初期推定によって大まかな信号源の位置を推定し、更新推定によって位置を更新していく。図1のように、2つのサブアレー1、2に対して仮想アレー1、2を考える。各仮想アレー1、2は自身のサブアレー素子1、2と、離れた位置にあるもう一方のサブアレー素子2、1で構成される。   In the present embodiment, the position estimation is performed by repeatedly using the received signals of a plurality of subarrays by repeated AOA estimation. First, a rough signal source position is estimated by initial estimation, and the position is updated by update estimation. As shown in FIG. 1, consider virtual arrays 1 and 2 for two subarrays 1 and 2. Each of the virtual arrays 1 and 2 is composed of its own subarray elements 1 and 2 and another subarray element 2 and 1 at a distant position.

時刻tにおけるM素子サブアレーの受信信号は、次のように表される。   The reception signal of the M element subarray at time t is expressed as follows.

Figure 0005311496
(9)
ここで、X→k(t)、A→k(t)、N→k(t)はそれぞれ、サブアレーkの受信信号、ステアリング行列、雑音ベクトルである。アレーの参照点を信号源の位置とすると、仮想アレーkにおけるアレー応答は
Figure 0005311496
(9)
Here, X.fwdarw.k (t), A.fwdarw.k (t), and N.fwdarw.k (t) are the received signal, steering matrix, and noise vector of subarray k, respectively. If the reference point of the array is the position of the signal source, the array response in the virtual array k is

Figure 0005311496
(10)
と表せる。ここで、
Figure 0005311496
(10)
It can be expressed. here,

Figure 0005311496
(11)
である。am(θ)は仮想アレーkのアレー応答を表し、b(rk)は信号源から仮想アレーkまでの位相差を表している。このため、本実施例では、仮想アレー1の第1素子と、仮想アレー2の第1素子における受信信号の位相を揃えるように位相補正して、信号の同期を取る(ステップS3)。その上で、2つのサブアレーの受信信号を共有する(ステップS4)。
Figure 0005311496
(11)
It is. am (θ) represents the array response of the virtual array k, and b (rk) represents the phase difference from the signal source to the virtual array k. For this reason, in this embodiment, phase correction is performed so that the phases of the received signals in the first element of the virtual array 1 and the first element of the virtual array 2 are aligned, and the signals are synchronized (step S3). Then, the received signals of the two subarrays are shared (step S4).

Figure 0005311496
(12)
Figure 0005311496
(12)

各サブアレーは、新しく構成された受信信号から新たな相関行列を計算する(ステップS5)。   Each sub-array calculates a new correlation matrix from the newly configured received signal (step S5).

Figure 0005311496
(13)
さらに、n回目の更新における仮想アレーkのアレー応答を、次のように表す。
Figure 0005311496
(13)
Furthermore, the array response of the virtual array k in the n-th update is expressed as follows.

Figure 0005311496
(14)
ここで、(1/r^k)は信号源とサブアレーkの間の信号減衰である。式(14)においてθはスペクトルを走査する変数であるが、θ^2(n-1)は定数である。U→^NをR→^vの雑音部分空間、v1(n)→(θ)=[v1(n)1(θ),v1(n)2(θ),・・・,v1(n)2M(θ)]をn回目の更新におけるステアリングベクトルとすると、仮想アレー1でのMUSICスペクトルは、次式で与えられる。
Figure 0005311496
(14)
Here, (1 / r ^ k) is signal attenuation between the signal source and the subarray k. In equation (14), θ is a variable for scanning the spectrum, but θ ^ 2 (n-1) is a constant. U → ^ N is a noise subspace of R → ^ v, v 1 (n) → (θ) = [v 1 (n) 1 (θ), v 1 (n) 2 (θ),. Assuming that 1 (n) 2M (θ)] is the steering vector in the n-th update, the MUSIC spectrum in the virtual array 1 is given by the following equation.

Figure 0005311496
(15)
同様に仮想アレー2におけるMUSICスペクトルは、次式で与えられる。
Figure 0005311496
(15)
Similarly, the MUSIC spectrum in the virtual array 2 is given by the following equation.

Figure 0005311496
(16)
ここで、各仮想アレーで利用する受信サンプルX→v(t)は同じなので、雑音部分空間U→^Nも同一である。式(15)、(16)から、新しいAOAとしてθ^(n)1、θ^(n)2が得られ(ステップS6)、式(3)によって信号源の位置を推定する(ステップS7)。本実施例では、この更新推定を繰り返し行うことでAOAを更新し、信号源の位置を更新し(ステップS8)、信号源の 推定座標を出力する(ステップS9)。
Figure 0005311496
(16)
Here, since the received samples X → v (t) used in each virtual array are the same, the noise subspace U → ^ N is also the same. From equations (15) and (16), θ ^ (n) 1 and θ ^ (n) 2 are obtained as new AOAs (step S6), and the position of the signal source is estimated by equation (3) (step S7). . In the present embodiment, the AOA is updated by repeatedly performing this update estimation, the position of the signal source is updated (step S8), and the estimated coordinates of the signal source are output (step S9).

図3は、本発明の一実施例による位置推定システムの位置推定特性をシミュレーションした環境を説明する図である。位置推定特性のシミュレーションにおいて、信号源と各サブアレーは図3のように配置されているものとする。信号源の使用周波数は単一周波数とし、スナップショット数をN=100とする。各サブアレーは素子間隔d=λ/2の等間隔直線アレーであり、シミュレーションの実行回数は10000回である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an environment in which the position estimation characteristics of the position estimation system according to an embodiment of the present invention are simulated. In the simulation of position estimation characteristics, it is assumed that the signal source and each subarray are arranged as shown in FIG. The frequency used for the signal source is a single frequency, and the number of snapshots is N = 100. Each sub-array is an equally spaced linear array with an element spacing d = λ / 2, and the number of simulations executed is 10,000.

図4は、仮想アレーの構成方法を変えて、推定精度をシミュレーションした結果を示す図である。仮想アレーの構成方法を表1に示すように変えて、推定精度をシミュレーションした。   FIG. 4 is a diagram illustrating a result of simulating the estimation accuracy by changing the configuration method of the virtual array. The estimation accuracy was simulated by changing the configuration method of the virtual array as shown in Table 1.

Figure 0005311496
例えば、構成方法1は、仮想アレーの第1素子である基準素子をサブアレー1の素子としたものである。結果は図4に、更新回数対RMSE(Root Mean Square Errors、単位λ:波長)として示され、仮想アレー1、2共に仮想素子を基準素子とする構成方法4によって、推定精度を高くすることができることが分かった。これは参照点となる第1素子のアレー応答vk1(θ)を定数とする選択によって精度が高くなるものと考えられる。
Figure 0005311496
For example, in the configuration method 1, the reference element, which is the first element of the virtual array, is used as the element of the subarray 1. The results are shown in FIG. 4 as the number of update times versus RMSE (Root Mean Square Errors, unit λ: wavelength), and both the virtual arrays 1 and 2 can increase the estimation accuracy by the configuration method 4 using the virtual element as a reference element. I understood that I could do it. This is considered to increase the accuracy by selecting the array response v k 1 (θ) of the first element as a reference point as a constant.

図5は、従来例と本実施例の推定精度をシミュレーションした結果を示す図である。図4の結果から、本実施例は構成方法4、すなわち、仮想素子を基準素子とした。更新回数は5回固定とした。使用したサブアレー及びその素子数は、図3を参照して次のとおりである。
従来例1:3素子サブアレー1、2
従来例2:6素子サブアレー1、2
従来例3:3素子サブアレー1、2、3、4
従来例4:6素子サブアレー1、2、3、4
本発明 :3素子サブアレー1、2
結果は図5に、SNR(Signal-to-Noise Ratio:単位dB)対RMSE(単位λ:波長)として示され、本実施例は3素子2サブアレーでありながら、従来例3の3素子4サブアレーよりも推定精度が高く、従来例2の6素子2サブアレーに匹敵する推定精度が得られた。低SNR(0dB以下)では、従来例2に比べて推定精度が劣化しているが、初期推定精度が悪い場合、適切なデータ共有ができないためと考えられる。SNRが高くなると従来法2と同等以上の推定精度が得られており、これはより正確なデータ共有ができ、AOA推定誤差の分散が減少するためと考えられる。
FIG. 5 is a diagram showing the result of simulating the estimation accuracy of the conventional example and this example. From the result of FIG. 4, the present Example used the construction method 4, that is, the virtual element as the reference element. The number of updates was fixed at 5 times. The subarrays used and the number of elements are as follows with reference to FIG.
Conventional Example 1: 3-element subarrays 1 and 2
Conventional example 2: 6-element subarrays 1 and 2
Conventional Example 3: 3-element subarray 1, 2, 3, 4
Conventional Example 4: 6-element subarray 1, 2, 3, 4
The present invention: 3-element subarrays 1 and 2
The results are shown in FIG. 5 as SNR (Signal-to-Noise Ratio: Unit dB) vs. RMSE (Unit: λ: Wavelength). While this example is a three-element two-subarray, the three-element four-subarray of Conventional Example 3 is used. The estimation accuracy was higher than that of the conventional example 2 and the estimation accuracy comparable to that of the 6-element 2-subarray of Conventional Example 2 was obtained. At low SNR (0 dB or less), the estimation accuracy is deteriorated as compared with Conventional Example 2, but it is considered that if the initial estimation accuracy is poor, appropriate data sharing cannot be performed. When the SNR increases, an estimation accuracy equal to or higher than that of the conventional method 2 is obtained. This is considered to be because data can be shared more accurately and the variance of the AOA estimation error is reduced.

図6は、従来例と本実施例の位置推定誤差の確率分布をシミュレーションした結果を示す図である。結果は、1波長ごとの位置推定誤差である距離誤差(単位λ:波長)対PDF(確率密度関数:Probability Density Function)として示され、本実施例は誤差の小さい確率が最も高く、更新推定によって精度が大きく改善することが分かる。   FIG. 6 is a diagram showing the result of simulating the probability distribution of the position estimation error between the conventional example and the present embodiment. The result is shown as a distance error (unit λ: wavelength) that is a position estimation error for each wavelength versus PDF (Probability Density Function), and this example has the highest probability of small error, and the update estimation It can be seen that the accuracy is greatly improved.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
サブアレーは3つ以上あっても良い。
In addition, this invention is not limited to the said Example.
There may be more than two subarrays.

到来方向推定の手法としてはESPRIT(Estimation of
Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法又はTOPS(Test of Orthogonality of Projected Subspace)などでも良い。
As a method of direction of arrival estimation, ESPRIT (Estimation of
Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) or TOPS (Test of Orthogonality of Projected Subspace) may be used.

従来のTOPSは、広帯域信号を帯域分割し、1つの周波数の信号部分空間を他の周波数に周波数変換して、次の行列Dを検定する。   In conventional TOPS, a wideband signal is divided into bands, a signal subspace of one frequency is frequency-converted to another frequency, and the following matrix D is tested.

Figure 0005311496
(17)
ここで、Ukは周波数変換された信号部分空間、Wkは各周波数の相関行列から得られる周波数変換された雑音部分空間である。この行列D→はθが所望の到来方向であるときランクが減少する。この行列D→のランクの減少を利用して到来方向推定を行う。
Figure 0005311496
(17)
Here, Uk is a frequency-converted signal subspace, and Wk is a frequency-converted noise subspace obtained from the correlation matrix of each frequency. The rank of this matrix D → decreases when θ is the desired direction of arrival. Direction-of-arrival estimation is performed using the rank reduction of the matrix D →.

これに対して、次の行列Z→を検定する。   On the other hand, the following matrix Z → is tested.

Figure 0005311496
(18)
この行列Z→はφが所望の到来方向であるとき、部分行列の行と列が0に近づく。しかし従来のTOPSでは、部分行列の行しか0に近づかない。そのため、従来のTOPSよりも直交性の検定精度が上がり、この改善TOPSでは分解能が低、中SNRで改善される。
Figure 0005311496
(18)
In this matrix Z →, when φ is the desired direction of arrival, the rows and columns of the submatrix approach zero. However, in the conventional TOPS, only the row of the submatrix approaches 0. For this reason, the accuracy of the orthogonality test is improved as compared with the conventional TOPS, and the improved TOPS has a low resolution and an improved medium SNR.

なお、本発明の位置推定システムは、コンピュータを本位置推定システムとして機能させるためのプログラムでも実現される。このプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されていてもよい。   Note that the position estimation system of the present invention is also realized by a program for causing a computer to function as the position estimation system. This program may be stored in a computer-readable recording medium.

このプログラムを記録した記録媒体は、システム内のROMそのものであってもよいし、また、外部記憶装置としてCD−ROMドライブ等のプログラム読取装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することで読み取り可能なCD−ROM等であってもよい。   The recording medium on which the program is recorded may be the ROM itself in the system, or a program reading device such as a CD-ROM drive is provided as an external storage device, and the program is read by inserting the recording medium therein. A possible CD-ROM or the like may be used.

また、上記記録媒体は、磁気テープ、カセットテープ、フレキシブルディスク、ハードディスク、MO/MD/DVD等、又は半導体メモリであってもよい。
The recording medium may be a magnetic tape, a cassette tape, a flexible disk, a hard disk, an MO / MD / DVD, or a semiconductor memory.

Claims (6)

離れて設置されている複数のアレーアンテナ(以下、実際のアレーアンテナを「サブアレー」と言う。)の各アンテナ素子からの信号をそれぞれ受信して、各サブアレーの位置における信号源からの電波の到来方向を推定する第1到来方向推定手段と、
該第1到来方向推定手段によって推定された各到来方向に基づいて前記信号源の位置を推定する第1位置推定手段と、
該第1位置推定手段によって推定された信号源の位置と各前記サブアレーの位置との距離に基づいて、各前記サブアレーのアンテナ素子の1つである第1アンテナ素子からの信号の同期を取るために各前記信号の位相を補正する信号同期手段と、
該信号同期手段によって同期が取れた他のサブアレーの信号を共有して、複数のサブアレーからの信号を1つの仮想のアレーアンテナからの信号として、各信号を成分とする行列を作成するデータ共有手段と、
該データ共有手段によって作成された行列の相関行列を演算する相関行列演算手段と、
該相関行列演算手段によって演算された相関行列に基づいて、各サブアレーの位置における前記信号源からの電波の到来方向を推定する第2到来方向推定手段と、
該第2到来方向推定手段によって推定された各到来方向に基づいて前記信号源の位置を推定する第2位置推定手段と
を備えることを特徴とする位置推定システム。
Receives signals from each antenna element of a plurality of array antennas (hereinafter referred to as “sub-arrays”) installed at a distance, and the arrival of radio waves from the signal source at the position of each sub-array First direction-of-arrival estimation means for estimating a direction;
First position estimating means for estimating the position of the signal source based on each direction of arrival estimated by the first direction of arrival estimating means;
Based on the distance between the position of the signal source estimated by the first position estimating means and the position of each subarray, to synchronize the signal from the first antenna element that is one of the antenna elements of each subarray. Signal synchronization means for correcting the phase of each of the signals;
Data sharing means for creating a matrix having each signal as a component by sharing signals from other subarrays synchronized by the signal synchronization means and using signals from a plurality of subarrays as signals from one virtual array antenna When,
Correlation matrix computing means for computing the correlation matrix of the matrix created by the data sharing means;
Second arrival direction estimation means for estimating the arrival direction of radio waves from the signal source at the position of each sub-array based on the correlation matrix calculated by the correlation matrix calculation means;
A position estimation system comprising: second position estimation means for estimating the position of the signal source based on each arrival direction estimated by the second arrival direction estimation means.
前記信号同期手段、データ共有手段、相関行列演算手段、第2到来方向推定手段及び第2位置推定手段を所定回数繰り返し実行して最終的な前記信号源の位置を推定することを特徴とする請求項1記載の位置推定システム。   The final position of the signal source is estimated by repeatedly executing the signal synchronization means, data sharing means, correlation matrix calculation means, second arrival direction estimation means and second position estimation means a predetermined number of times. Item 1. The position estimation system according to Item 1. 前記データ共有手段は、前記他のサブアレーのアンテナ素子の1つからの信号を前記行列の第1成分として行列を作成することを特徴とする請求項1又は2記載の位置推定システム。   3. The position estimation system according to claim 1, wherein the data sharing unit creates a matrix using a signal from one of the antenna elements of the other sub-array as a first component of the matrix. 前記第2到来方向推定手段は、広帯域信号を帯域分割し、1つの周波数の信号部分空間を他の周波数に周波数変換して、次の行列Zを検定することを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位置推定システム。
Figure 0005311496
(19)
ここで、Ukは周波数変換された信号部分空間、Wkは各周波数の相関行列から得られる周波数変換された雑音部分空間である。
4. The second arrival direction estimating means divides a wideband signal into bands, frequency-converts a signal subspace of one frequency to another frequency, and tests the next matrix Z. The position estimation system in any one.
Figure 0005311496
(19)
Here, Uk is a frequency-converted signal subspace, and Wk is a frequency-converted noise subspace obtained from the correlation matrix of each frequency.
前記第2到来方向推定手段は、前記相関行列を固有値展開して、得られる雑音部分空間の固有値を含む直交行列に基づいて、MUSIC(Multiple Signal Classification)スペクトルのピークを求めることによって、電波の到来方向を推定することを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位置推定システム。   The second arrival direction estimation means expands the correlation matrix by eigenvalues and obtains a peak of a MUSIC (Multiple Signal Classification) spectrum based on an orthogonal matrix including eigenvalues of the obtained noise subspace. The position estimation system according to claim 1, wherein a direction is estimated. コンピュータを、請求項1乃至5いずれかに記載の位置推定システムとして機能させるためのプログラム。
The program for functioning a computer as a position estimation system in any one of Claims 1 thru | or 5.
JP2009288519A 2009-12-18 2009-12-18 Position estimation system and program Expired - Fee Related JP5311496B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009288519A JP5311496B2 (en) 2009-12-18 2009-12-18 Position estimation system and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009288519A JP5311496B2 (en) 2009-12-18 2009-12-18 Position estimation system and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011128088A JP2011128088A (en) 2011-06-30
JP5311496B2 true JP5311496B2 (en) 2013-10-09

Family

ID=44290823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009288519A Expired - Fee Related JP5311496B2 (en) 2009-12-18 2009-12-18 Position estimation system and program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5311496B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5524277B2 (en) * 2012-05-29 2014-06-18 アンリツ株式会社 Signal processing apparatus and signal processing method
JP6402398B2 (en) * 2013-12-17 2018-10-10 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. Processing apparatus and processing method
JP6538366B2 (en) * 2015-02-12 2019-07-03 株式会社Soken Direction of arrival estimation device
CN111142064B (en) * 2020-01-06 2023-09-15 中国人民解放军火箭军工程大学 Array setting method for improving array freedom degree and virtual aperture
JP7474850B2 (en) * 2020-07-03 2024-04-25 日立Astemo株式会社 Signal processing device and radar device equipped with the same
JP2022116691A (en) * 2021-01-29 2022-08-10 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Information processing system, information processing method, and information processing device

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3600435B2 (en) * 1998-04-06 2004-12-15 株式会社東芝 Radio wave arrival direction detection system, radio wave arrival direction calculation device, radio wave arrival direction calculation method, and recording medium
JP2001324557A (en) * 2000-05-18 2001-11-22 Sony Corp Device and method for estimating position of signal transmitting source in short range field with array antenna
JP2003222665A (en) * 2002-01-31 2003-08-08 Mitsubishi Electric Corp Device and method for detecting orientation
JP4387211B2 (en) * 2004-01-28 2009-12-16 日本電信電話株式会社 Direction of arrival and position estimation method
JP2008153579A (en) * 2006-12-20 2008-07-03 Toshiba Corp Cryogenic cooling device and control method for its refrigerant liquid level
JP2008267909A (en) * 2007-04-18 2008-11-06 Mitsubishi Electric Corp Signal processor and its method
JP5121366B2 (en) * 2007-09-21 2013-01-16 株式会社東芝 Direction measuring device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011128088A (en) 2011-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Blunt et al. Robust DOA estimation: The reiterative superresolution (RISR) algorithm
JP5311496B2 (en) Position estimation system and program
CN105929386B (en) A kind of wave based on Higher Order Cumulants reaches method of estimation
Porozantzidou et al. Azimuth and elevation angles estimation using 2-D MUSIC algorithm with an L-shape antenna
Abdalla et al. Performance evaluation of direction of arrival estimation using MUSIC and ESPRIT algorithms for mobile communication systems
KR101414574B1 (en) A Spatially Smoothed Auto-convolution based DOA Estimating Method for Correlated Signals in the Presence of Correlated Antenna Noises
JP2017036990A (en) Arrival direction estimation device
US9673523B2 (en) Systems and methods for interference geolocation and mitigation using a phased array receiving antenna
Mao et al. Transmit design and DOA estimation for wideband MIMO system with colocated nested arrays
JP2007274250A (en) Spatial angular distribution estimating method and receiver
Yang et al. Central DOA estimation of incoherently distributed noncircular sources with cross-correlation matrix
JP5579569B2 (en) Propagation parameter estimation device and propagation parameter estimation method
CN109412982A (en) A kind of multipath number estimation method based on channel observation impulse response model
JP2007271396A (en) Arrival wave estimation method and device
Ganti Calibration and direction of arrival performance of sonar arrays composed of multiple sub-arrays
Yang et al. Joint calibration of array shape and sensor gain/phase for highly deformed arrays using wideband signals
Yang et al. Array response interpolation and DOA estimation with array response decomposition
Al Jabr et al. Modified UCA-ESPRIT for estimating DOA of coherent signals using one snapshot
JP2017040573A (en) Device, method, and program for estimating direction-of-arrival
Marinho et al. Multidimensional array interpolation applied to direction of arrival estimation
JP4399573B2 (en) Direction of arrival estimation device
Zhao et al. Low-Complexity DOA Estimation for Uniform Circular Arrays with Directional Sensors Using Reconfigurable Steering Vectors
Naaz et al. DOA estimation-a comparative analysis
JP2004108960A (en) Incoming direction estimation device and incoming direction estimation method
Yu et al. Pattern search-based sparse array design for unambiguous DOA estimation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20121121

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130531

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130605

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130627

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees