KR20070077228A - Appratus and method for antenna which estimates direction of arrival and frequency of arrival - Google Patents

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Abstract

An antenna apparatus for estimating a direction of arrival and a frequency of arrival and an estimating method thereof are provided to estimate the direction of arrival and the frequency of arrival by using a three-dimensional antenna array structure and to reduce operation complexity in comparison with SVD(singular value decomposition) and EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition). An antenna unit(200,202,224) includes three array antennas composed in a three-dimensional manner. A signal reception unit(300) receives a narrow band signal from the antenna unit and transmits the narrow band signal to a matrix calculation unit(302). The matrix calculation unit calculates a data matrix or a mutual spectrum matrix by using the received signal. A matrix decomposition unit(304) decomposes the data matrix or the mutual spectrum matrix. A propagator estimated matrix calculation unit(306) calculates the propagator estimated matrix by using the data matrix or the mutual spectrum matrix. A propagator estimated matrix decomposition unit(308) decomposes the propagator estimated matrix. A phase matrix estimation unit(310) estimates a phase matrix by using the propagator estimated matrix. An estimation unit(312) estimates a directional of arrival, a vertical angle, and a frequency of arrival by using the phase matrix.

Description

방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법{APPRATUS AND METHOD FOR ANTENNA WHICH ESTIMATES DIRECTION OF ARRIVAL AND FREQUENCY OF ARRIVAL}TECHNICAL APPARATUS AND METHOD FOR Estimate Directional Arrival Angle and Arrival Frequency {APPRATUS AND METHOD FOR ANTENNA WHICH ESTIMATES DIRECTION OF ARRIVAL AND FREQUENCY OF ARRIVAL}

도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면,1 is a diagram illustrating an array of antennas having a general two-dimensional array;

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면,2 is a view showing the structure of a three-dimensional array antenna constructed in accordance with an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면 및,3 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device for estimating a direction angle of arrival and an arrival frequency configured according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a flow of estimating a direction arrival angle and an arrival frequency in an antenna device constructed according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 3차원의 배열 안테나에서 수신한 신호의 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna device and method for estimating the direction angle, the vertical angle and the arrival frequency of a signal received by a three-dimensional array antenna.

배열 안테나에 도착하는 다중 신호들로부터 방향도래각(DOA:direction-of-Arrival)의 추정과 도착 주파수(FOA:Frequency-of-Arrival)의 추정은 많은 관심들을 받았다. 이러한 안테나로 수신한 신호의 방향도래각과 도착 주파수의 추정은 레이더, 수중 음파탐지기, 전파 천문학, 지진 데이터 처리, 그리고 이동통신시스템들과 같은 영역에서 중요한 역할을 한다.Estimation of direction-of-arrival (DOA) and arrival frequency (FOA) of multiple signals arriving at the array antenna received a lot of attention. Estimation of the direction and angle of arrival of the signal received by these antennas plays an important role in areas such as radar, sonar, radio astronomy, seismic data processing, and mobile communication systems.

상기 방향도래각은 크게 방향각과 상하각으로 나눌 수 있는데 기존의 2차원 안타나 배열을 이용하면 방향각, 상하각 및, 도착 주파수 중에 두 가지만 추정이 가능하다. 그러면 일반적으로 사용하는 2차원 안타나 배열을 아래에서 도 1을 참조하여 설명한다.The direction angle of arrival can be divided into two directions: the direction angle and the vertical angle. By using the existing two-dimensional hitter arrangement, only two of the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency can be estimated. Next, a commonly used two-dimensional hit or array will be described with reference to FIG. 1 below.

도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an array of antennas having a general two-dimensional array.

상기 도 1을 참조하면 일반적인 방향도래각 및 도착 주파수 추정 장치는 다수개의 안테나(100~114)를 가지며 안테나의 간격이 d인 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열의 안테나 개수는 N 또는, N+1개 이다. 하나의 안테나 배열은 x-y평면에, 하나의 안테나 배열은 x축에 위치하며, 상기 안테나 배열을 이용하여 N개의 안테나로 이루어지는 X(100~104),Y(102~106),Z(110~114)의 부배열안테나로 구성하고 부배열안테나로 수신되는 신호를 이용하여 방향각, 상하각, 도착주파주 중에 2가지를 추정한다.Referring to FIG. 1, a general direction angle of arrival and arrival frequency estimating apparatus uses three linear array antennas having a plurality of antennas 100 to 114 and having an antenna interval d, and the number of antennas of each array is N or; N + 1. One antenna array is located on the xy plane, one antenna array is located on the x-axis, and X (100-104), Y (102-106), Z (110-114) consisting of N antennas using the antenna array. ), And estimates two of the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency using the signal received by the subarray antenna.

상기 방향도래각 및 도착 주파수를 추정하는 대표적인 방법은 데이터 행렬의 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법이 있으나 상기 SVD와 EVD는 수신 신호의 공분산행렬의 특이치 분해를 해야 하기 때문에 광대한 계산을 필요로 한다. SVD와 EVD에 대한 내용은 논문 "S. Wang, J. Caffery, and X. Zhou, “Analysis of a joint space time DOA/FOA estimator using MUSIC,” IEEE Internation Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp. B138-B142, Sept. 2001."를 참조하며 상세한 설명은 생략한다.Representative methods for estimating the direction of arrival angle and arrival frequency include a single value decomposition (SVD) method and a cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) method of a data matrix, but the SVD and EVD must perform singular value decomposition of a covariance matrix of a received signal. Because it requires extensive calculations. For a discussion of SVD and EVD, see the article "S. Wang, J. Caffery, and X. Zhou," Analysis of a joint space time DOA / FOA estimator using MUSIC, "IEEE Internation Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp. . B138-B142, Sept. 2001. ", and detailed description thereof is omitted.

따라서 방향각 상하각 및 도착 주파수를 모두 추정하고, 계산 복잡도가 낮은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법이 요구된다.Therefore, there is a need for an antenna apparatus and method for estimating both directional angles of up and down angles and arrival frequencies, and estimating directional arrival angles and arrival frequencies with low computational complexity.

본 발명의 목적은 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an antenna device and method for estimating a direction angle, a vertical angle, and an arrival frequency.

본 발명의 다른 목적은 3차원의 안테나 배열구조를 가지고 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an antenna apparatus and method for estimating the direction of arrival angle and arrival frequency with a three-dimensional antenna array structure.

본 발명의 또 다른 목적은 방향도래각과 도착주파수를 추정이 기존의 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법보다 상대적으로 계산복잡도가 낮은 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide an antenna device and a method in which the estimation of the direction of arrival angle and the arrival frequency has a relatively lower computational complexity than the conventional single value decomposition (SVD) and cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) methods.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치에 있어서, 세개의 배열 안테나를 3차원으로 구성하는 안 테나부, 상기 안테나부로부터 협대역 신호를 수신하여 행렬 계산부로 제공하는 신호 수신부, 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부로 제공하는 상기 행렬 계산부, 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부로 제공하는 상기 행렬 분해부, 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하여 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 위상(Phase) 행렬 추정부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부, 상기 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공하는 위상 행렬 추정부 및, 상기 위상 행렬 추정부에서 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 상기 추정부를 포함하는 장치를 제공한다.An apparatus of the present invention for achieving the above object, in the antenna device for estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, an antenna unit consisting of three array antennas in three dimensions, by receiving a narrowband signal from the antenna unit A signal receiver provided to a matrix calculator, a matrix calculator to calculate a data matrix or a mutual spectrum matrix by using the received signal, and decompose the matrix calculator, a data matrix or the mutual spectrum matrix to a matrix resolver, and a propagator The propagator estimation matrix calculation unit calculating a propagator estimation matrix using the matrix decomposition unit, a decomposed data matrix, or a mutual spectrum matrix, and providing the propagator estimation matrix decomposition unit to a propagator estimation matrix decomposition unit; The propagator estimation matrix is decomposed and fed to a phase matrix estimator. A phase matrix estimator for estimating a phase matrix using the decomposed propagator estimation matrix and providing it to an estimator, and the phase matrix estimated by the phase matrix estimator. The present invention provides an apparatus including the estimator for estimating a direction angle, a vertical angle, and an arrival frequency.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법에 있어서, 안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하는 과정, 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하는 과정, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하는 과정 및, 추정한 상기 위상 행렬을 이용하 여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 과정을 포함하는 방법을 제공한다.In the method of the present invention for achieving the above object, in the method of estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, when receiving a narrowband signal from the antenna, calculating a data matrix or a mutual spectrum matrix using the received signal, Decomposing the data matrix or the mutual spectrum matrix, calculating a propagator estimation matrix using the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix, decomposing the propagator estimation matrix, and decomposing the decomposed matrix. The method includes estimating a phase matrix using a propagator estimation matrix, and estimating a direction angle, an upper and lower angle, and an arrival frequency using the estimated phase matrix.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 배열 안테나에서 수신한 신호의 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 모두 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로, 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 모두 추정하기 위해 3차원의 배열 안테나 구조를 가지며 아래에서 도 2를 참조하여 설명한다.The present invention relates to an antenna device and a method for estimating the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency of the signal received by the array antenna, and the three-dimensional array antenna for estimating all the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency. It has a structure and will be described with reference to FIG. 2 below.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면이다.2 is a view showing the structure of a three-dimensional array antenna configured in accordance with an embodiment of the present invention.

상기 도 2를 살펴보면 다수개의 안테나(200~224)를 미리 정한 일정간격(d)으로 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개가 된다. 하나의 안테나 배열은 x-y평면에, 하나의 안테나 배열은 y축에, 나머지 하나의 안테나 배열은 y-z평면에 위치한다. X(200~204), Y(202~206), Z(220~224) ,W(210~214)는 배열 안테나 구조의 부배열안테나(Subarray)이며, 각각의 부배열안테나는 N개의 안테나로 구성한다.Referring to FIG. 2, three linear array antennas are used at predetermined intervals d for a plurality of antennas 200 to 224, and the number of array antennas is N, N + 1, and N. One antenna array is in the x-y plane, one antenna array is in the y-axis, and the other antenna array is in the y-z plane. X (200 ~ 204), Y (202 ~ 206), Z (220 ~ 224), W (210 ~ 214) are subarrays of array antenna structure, and each subarray antenna is N antennas. Configure.

상기 도 2는 방향각, 상하각, 도착주파수를 동시에 추정할 수 있는 배열 안 테나 구조의 한 가지 예이며, 일반적으로는 x-y평면에서 부배열안테나 X,Y,W를 배치하고 Z 부배열안테나를 이에 평행하게 등간격을 유지한 채 배치하면 방향각, 상하각, 도착주파수를 모두 측정이 가능하다.FIG. 2 is an example of an array antenna structure capable of simultaneously estimating a direction angle, an up-down angle, and an arrival frequency. Generally, the sub-array antennas X, Y, and W are arranged in the xy plane, and the Z sub-array antenna is disposed. When placed in parallel with equal intervals, the direction angle, vertical angle, and arrival frequency can all be measured.

본 발명에서 방향각, 상하각, 도착주파수를 모두 추정하기 위한 유도과정을 수학식을 이용하여 설명하면, 상기 도 2의 각 부배열안테나에 포함된 안테나가 수신하는 K개의 협대역 신호를 아래 <수학식 1>과 같이 표현한다.In the present invention, a derivation process for estimating all directions, up and down angles, and arrival frequencies will be described by using equations. The K narrowband signals received by the antennas included in the sub-array antennas of FIG. It is expressed as Equation 1>.

본 발명의 설명에 앞서 본 발명의 수학식들의 매개변수(parameter)의 서로 통일하여 설명하며 앞선 수학식에서 설명한 매개변수의 설명은 생략한다.Prior to the description of the present invention, the parameters of the equations of the present invention will be described in unified manner, and the description of the parameters described in the above equations will be omitted.

Figure 112006000388313-PAT00001
Figure 112006000388313-PAT00001

여기서, K는 안테나를 통해 수신되는 협대역 신호의 갯수이고, θk는 신호의 방향도래각중 상승각이고, φk는 수신한 신호의 방향도래각중 방향각이고, fk는 수신한 신호의 도착 주파수이다.Here, K is the number of narrowband signals received through the antenna, θ k is the rising angle of the direction of arrival of the signal, φ k is the direction of the angle of arrival of the received signal, f k is the received signal Is the arrival frequency.

상기 <수학식 1>의 방정식들은 수신 출력 백터로 표현하면, 아래 <수학식 2>와 같이 행렬 형태로 표현이 가능하다.The equations of Equation 1 can be expressed in a matrix form as shown in Equation 2 below.

Figure 112006000388313-PAT00002
Figure 112006000388313-PAT00002

여기서, X(t)=[x1(t), x2(t), …, xN(t)]T 이고, Y(t)=[y1(t), y2(t), …, yN+1(t)]T 이고, Z(t)=[z1(t), z2(t), …, zN(t)]T 이고, W(t)=[w1(t), w2(t), …, wN(t)]T 이고, A(θ,φ,f)=[a11,f1), a22,f2), …,akk,fk)] 이고, a22,f2)=[1, uk, …, uk N -1] , k=1,…,K,

Figure 112006000388313-PAT00003
이고, S(t)=[s1(t), s2(t), …, sK(t)]T 이고, θ=[θ1,…θK]T 이고, φ=[φ1,…φK]T 이고, f=[f1,…fK]T 이고, nx, ny, nz, nw는 시간 t에서 N×1의 평균이 0이고 분산이 σ2인 부가성 백색 가우시안 잡음 벡터이고, c는 전파 전송속도이고, 윗첨자 T는 전치행렬을 의미한다.Where X (t) = [x 1 (t), x 2 (t),... , x N (t)] T , Y (t) = [y 1 (t), y 2 (t),... , y N + 1 (t)] T , and Z (t) = [z 1 (t), z 2 (t),... , z N (t)] T , W (t) = [w 1 (t), w 2 (t),... , w N (t)] T , and A ( θ , φ , f ) = [ a1 , φ 1 , f 1 ), a2 , φ 2 , f 2 ),. , ak , φ k , f k )] and a2 , φ 2 , f 2 ) = [1, u k ,. , u k N -1 ], k = 1,... , K,
Figure 112006000388313-PAT00003
And S (t) = [s 1 (t), s 2 (t),... , s K (t)] T , and θ = [θ 1 ,. θ K ] T and φ = [φ 1 ,. φ K ] T and f = [f 1 ,... f K ] T , n x , n y , n z , n w are additive white Gaussian noise vectors with an average of N × 1 and variance σ 2 at time t, c is the propagation rate, and The subscript T stands for transpose.

상기 <수학식 2>에서 Φ1(θ,φ,f), Φ2(θ,f), Φ3(θ,φ,f)는 각각 K×K의 대각선(Diagonal) 행렬로, θkk,fk에 대한 정보를 포함하며 아래에서 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.In Equation 2, Φ 1 ( θ , φ , f ), Φ 2 ( θ , f ), and Φ 3 ( θ , φ , f ) are K × K diagonal matrices, θ k , It includes information about φ k and f k and can be expressed as Equation 3 below.

Figure 112006000388313-PAT00004
Figure 112006000388313-PAT00004

여기서 diag[xi]는 대각선(Diagonal) 행렬에서 각 원소가 xi임을 의미한다.Where diag [xi] means that each element in the diagonal matrix is xi.

본 발명의 설명에 있어서 상기 Φ1(θ,φ,f), Φ2(θ,f), Φ3(θ,φ,f)는 각각 Φ1, Φ2, Φ3로 표기하고, 배열 응답 행열(array response matrix)인 A(θ,φ,f)는 A로 표기한다.In the description of the present invention, the Φ 1 ( θ , φ , f ), Φ 2 ( θ , f ), Φ 3 ( θ , φ , f ) are denoted by Φ 1 , Φ 2 , Φ 3 , respectively, and the arrangement response The array response matrix A ( θ , φ , f ) is denoted by A.

그러면, 논문 "S. Marcos, A. Marsal, M. Benidir, “The propagator method for source bearing estimation,” Signal Processing42 (1995), pp. 121-138."의 PM(Propagator Method)기법을 참조하면 배열 응답 행열(array response matrix) A는 아래 <수학식 4>와 같이 표현 가능하다.Then, referring to the article "S. Marcos, A. Marsal, M. Benidir," The propagator method for source bearing estimation, "Signal Processing 42 (1995), pp. 121-138." The response response matrix A can be expressed as Equation 4 below.

Figure 112006000388313-PAT00005
Figure 112006000388313-PAT00005

여기서, A1은 K×K의 부행렬이고, A2는 (N-K)×K의 부행렬이다.Here, A 1 is a sub-matrix of K × K, and A 2 is a sub-matrix of (NK) × K.

그러면 K×(4N-K)의 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 P를 상기 <수학식 2>의 각 수신 출력 벡터, X, Y, Z, W에 각각 적용하고, D를 아래 <수학식 5>와 같이 정의하고,Then, the propagator matrix P of K × (4N-K) is applied to each of the received output vectors, X, Y, Z, and W of Equation 2, and D is represented by Equation 5 below. Define as

Figure 112006000388313-PAT00006
Figure 112006000388313-PAT00006

상기 <수학식 5>를 상기 <수학식 4>와 같이 표현하면 아래 <수학식 6>과 같이 표현이 가능하다.If Equation 5 is expressed as Equation 4, Equation 6 below may be expressed.

Figure 112006000388313-PAT00007
Figure 112006000388313-PAT00007

여기서,

Figure 112006000388313-PAT00008
이다.here,
Figure 112006000388313-PAT00008
to be.

N≥2K일때, A1이 K×K 단수가아닌(non-singular) 행렬이라고 가정하면, K×(4N-K)의 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 P는 아래 <수학식 7>을 만족하는 유일한 선형 연산자이다.When N≥2K, assuming that A 1 is a non-K × K non-singular matrix, then the propagator matrix P of K × (4N-K) satisfies Equation 7 below. It is the only linear operator.

Figure 112006000388313-PAT00009
Figure 112006000388313-PAT00009

여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.Where H is a Hermitian operation.

한편, 4N×1의 데이터 벡터(Data vector) Q(t)은 아래 <수학식 8>과 같이 표현하고,Meanwhile, the data vector Q (t) of 4N × 1 is expressed as in Equation 8 below.

Figure 112006000388313-PAT00010
Figure 112006000388313-PAT00010

L개의 데이터 벡터(Data vector)들의 4N×L의 데이터(data) 행렬을 F라고 하면 F는 아래 <수학식 9>과 같이 표현할 수 있다.If a 4N × L data matrix of L data vectors is F, F can be expressed as Equation 9 below.

Figure 112006000388313-PAT00011
Figure 112006000388313-PAT00011

그리고, 4N×4N의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬

Figure 112006000388313-PAT00012
은 아래 <수학식 10>과 같이 표기할 수 있다.And a 4N × 4N mutual spectral matrix
Figure 112006000388313-PAT00012
Can be written as in Equation 10 below.

Figure 112006000388313-PAT00013
Figure 112006000388313-PAT00013

그러면 상기 <수학식 9>의 데이터 행렬과 <수학식 10>의 상호 스팩트럼 행렬을 분해하면 각각 아래 <수학식 11>과 <수학식 12>로 각각 표현할 수 있다.Then, when the data matrix of Equation 9 and the mutual spectrum matrix of Equation 10 are decomposed, Equation 11 and Equation 12 may be expressed, respectively.

Figure 112006000388313-PAT00014
Figure 112006000388313-PAT00014

여기서, F1은 K×L의 부행렬이고, F2는 (4N-K)×L의 부행렬이다.Here, F 1 is a sub-matrix of K × L, and F 2 is a sub-matrix of (4N-K) × L.

Figure 112006000388313-PAT00015
Figure 112006000388313-PAT00015

여기서, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.Here, E is a submatrix of 4N × K, and J is a submatrix of 4N × (4N-K).

그러면, K×(4N-K) 크기의 데이터 행렬 F의 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬을

Figure 112006000388313-PAT00016
이라고 하고, K×(4N-K) 크기의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬
Figure 112006000388313-PAT00017
의 프로퍼게이터 추정행렬을
Figure 112006000388313-PAT00018
라고 하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-PAT00019
Figure 112006000388313-PAT00020
는 아래 <수학식 13>의 비용함수가 최소화 되도록 정한다.Then, the propagator estimation matrix of the data matrix F of size K × (4N-K)
Figure 112006000388313-PAT00016
And a spectral matrix of size K × (4N-K)
Figure 112006000388313-PAT00017
The estimator matrix of the
Figure 112006000388313-PAT00018
Speaking, the estimator matrix
Figure 112006000388313-PAT00019
Wow
Figure 112006000388313-PAT00020
Is set to minimize the cost function in Equation 13 below.

Figure 112006000388313-PAT00021
Figure 112006000388313-PAT00021

여기서,

Figure 112006000388313-PAT00022
는 프로베니우스 기준(Frobenius norm)이다.here,
Figure 112006000388313-PAT00022
Is the Frobenius norm.

상기 <수학식 13>에 최소자승방법(least square method)을 적용하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬

Figure 112006000388313-PAT00023
Figure 112006000388313-PAT00024
를 아래 <수학식 14>과 같이 구할 수 있다.When the least square method is applied to Equation 13, the estimator matrix
Figure 112006000388313-PAT00023
Wow
Figure 112006000388313-PAT00024
Can be obtained as shown in Equation 14 below.

Figure 112006000388313-PAT00025
Figure 112006000388313-PAT00025

상기 <수학식 14>의 상기 프로퍼게이터 추정행렬

Figure 112006000388313-PAT00026
또는
Figure 112006000388313-PAT00027
는 각각 아래 <수학식 15>와 같이 분해할 수 있다.Estimator Matrix of Equation 14
Figure 112006000388313-PAT00026
or
Figure 112006000388313-PAT00027
Can be decomposed as shown in Equation 15 below.

Figure 112006000388313-PAT00028
Figure 112006000388313-PAT00028

여기서

Figure 112006000388313-PAT00029
의 차원은 각각
Figure 112006000388313-PAT00030
here
Figure 112006000388313-PAT00029
Dimension of each
Figure 112006000388313-PAT00030

Figure 112006000388313-PAT00031
Figure 112006000388313-PAT00032
의 차원과 일치한다. 그러면, 상기 <수학식 6>, <수학식 7>, <수학식 15>에 의하면 아래 <수학식 16>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006000388313-PAT00031
Figure 112006000388313-PAT00032
Coincides with the dimension of. Then, according to Equation 6, Equation 7, and Equation 15, Equation 16 may be expressed.

Figure 112006000388313-PAT00033
Figure 112006000388313-PAT00033

상기 <수학식 16>는 아래 <수학식 17>과 같이 표현 가능하다.Equation 16 may be expressed as Equation 17 below.

Figure 112006000388313-PAT00034
Figure 112006000388313-PAT00034

여기서, #은 의사역행렬이다.Where # is a pseudo inverse.

상기 <수학식 17>을 이용하여 위상(phase) 행렬 Φ1, Φ2, Φ3 는 아래 <수학식 18>과 같이 표현된다.By using Equation 17, phase matrices Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 are expressed as in Equation 18 below.

Figure 112006000388313-PAT00035
Figure 112006000388313-PAT00035

상기 <수학식 18>에서 구한 위상(phase) 행렬 Φ1, Φ2, Φ3 를 상하각, 방향각 및, 도착주파수를 추정하는 아래 <수학식 19>에 적용하여 상하각, 방향각 및, 도착주파수를 추정한다.The phase matrices Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 obtained in Equation 18 are applied to Eq. 19 below to estimate the up-down angle, the direction angle, and the arrival frequency. Estimate the arrival frequency.

Figure 112006000388313-PAT00036
Figure 112006000388313-PAT00036

상기 <수학식 19>을 참조하면 상하각

Figure 112006000388313-PAT00037
의 추정은
Figure 112006000388313-PAT00038
의 추정식을 이용하여 얻은 값을 이용하여 추정하고, 주파수
Figure 112006000388313-PAT00039
의 추정은
Figure 112006000388313-PAT00040
의 추정식을 이용하여 추정한다.Referring to Equation 19, the upper and lower angles
Figure 112006000388313-PAT00037
Estimate of
Figure 112006000388313-PAT00038
Estimate using the value obtained using the equation
Figure 112006000388313-PAT00039
Estimate of
Figure 112006000388313-PAT00040
Estimate using

본 발명의 상하각과 방향각의 추정은 arc-tangent 연산을 통해 추정함으로 arc-tangent 연산의 특징인 y=tan-1(x)가 실수영역(R)에 존재하면, 모든 x∈R에 대하여

Figure 112006000388313-PAT00041
영역에 1대 1함수 임으로, arc-tangent 연산은 x가 실수 영역에 존재하면 추정에 실패하지 않는다.Estimation of the upper and lower angles and the direction angle of the present invention is estimated through the arc-tangent operation, if y = tan -1 (x), which is a characteristic of the arc-tangent operation, exists in the real area (R), for all x∈R
Figure 112006000388313-PAT00041
Because it is a one-to-one function in the domain, the arc-tangent operation does not fail to estimate if x is in the real domain.

그러면 상기 도 2의 배열 안테나를 가지고 상향각, 상하각 및 도착주파수를 추정하는 본 발명의 안테나 장치를 아래에서 도 3을 참조하여 설명한다.Next, the antenna device of the present invention for estimating an up angle, an up and down angle, and an arrival frequency using the array antenna of FIG. 2 will be described below with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device for estimating a direction arrival angle and an arrival frequency configured according to an exemplary embodiment of the present invention.

상기 도 3을 참조하면 본 발명의 안테나 장치는 다수개의 안테나(200~224), 신호 수신부(300), 행렬 계산부(302), 행렬 분해부(304), 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 계산부(306), 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308), 위상(Phase) 행렬 추정부(310) 및, 추정부(312)를 포함하여 구성한다.Referring to FIG. 3, the antenna device of the present invention includes a plurality of antennas 200 to 224, a signal receiver 300, a matrix calculator 302, a matrix resolver 304, and a propagator estimation matrix calculation. The unit 306 includes a propagator estimation matrix decomposition unit 308, a phase matrix estimation unit 310, and an estimation unit 312.

안테나(200~224)는 상기 도 2의 설명과 동일하며 K개의 협대역 신호를 수신하여 신호 수신부(300)로 제공한다.Antennas 200 to 224 are the same as the description of FIG. 2 and receive K narrowband signals and provide them to the signal receiver 300.

신호 수신부(300)는 안테나(200~224)로부터 K개의 협대역 신호를 수신하여 부배열안테나 단위로 행렬 계산부(302)로 제공한다.The signal receiver 300 receives K narrowband signals from the antennas 200 to 224 and provides them to the matrix calculator 302 in subarray antenna units.

행렬 계산부(302)는 상기 신호 수신부(300)로부터 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부(304)로 제공한다.The matrix calculator 302 calculates a data matrix or a mutual spectrum matrix using the signal received from the signal receiver 300, and provides the matrix matrix to the matrix resolver 304.

상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬

Figure 112006000388313-PAT00042
은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.The data matrix F may be calculated through Equation 9, and the mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00042
May be calculated through Equation 10.

행렬 분해부(304)는 상기 행렬 계산부(302)로부터 수신한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부(306)로 제공한다.The matrix decomposition unit 304 decomposes the data matrix or the mutual spectrum matrix received from the matrix calculation unit 302 and provides it to the propagator matrix calculation unit 306.

상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.The decomposition of the data matrix is decomposed through Equation 11, and the decomposition of the mutual spectrum matrix is decomposed through Equation 12.

프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 계산부(306)는 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬

Figure 112006000388313-PAT00043
또는
Figure 112006000388313-PAT00044
를 계산하여 상기 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)로 제공한다.The propagator estimation matrix calculator 306 uses the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix to estimate the propagator matrix.
Figure 112006000388313-PAT00043
or
Figure 112006000388313-PAT00044
Is calculated and provided to the propagator estimation matrix decomposition unit 308.

상기 프로퍼게이터 추정행렬

Figure 112006000388313-PAT00045
또는
Figure 112006000388313-PAT00046
는 상기 <수학식 14>과 같다.Proportional Estimation Matrix
Figure 112006000388313-PAT00045
or
Figure 112006000388313-PAT00046
Is as shown in Equation 14 above.

프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 또는

Figure 112006000388313-PAT00048
를 상기 <수학식 15>와 같이 분해여 위상(Phase) 행렬 추정부(310)로 제공한다.A propagator estimation matrix decomposition unit 308 may determine the propagator estimation matrix. or
Figure 112006000388313-PAT00048
Is then provided to the phase matrix estimator 310 by decomposition as shown in Equation 15.

위상(Phase) 행렬 추정부(310)는 분해된 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공한다.The phase matrix estimator 310 estimates the phase matrix using the decomposed propagator estimation matrix and provides the estimated phase matrix to the estimator.

상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.The phase matrix estimation is estimated using Equation 18.

추정부(312)는 상기 위상(Phase) 행렬 추정부(310)에서 추정한 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정한다.The estimator 312 estimates the direction angle, the upper and lower angles, and the arrival frequency using the phase matrix estimated by the phase matrix estimator 310.

상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.The direction angle, the vertical angle, and the estimation of the arrival frequency are estimated using Equation (19).

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따라 구성한 안테나 장치를 이용하여 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법을 아래에서 도 4를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency using the antenna device constructed according to the present invention configured as described above will be described with reference to FIG. 4.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a flow of estimating a direction arrival angle and an arrival frequency in an antenna device constructed according to an embodiment of the present invention.

상기 도 4를 참조하면 본 발명의 안테나 장치는 400단계로 진행하여 배열 안테나로부터 K개의 협대역 신호의 수신 여부를 검사한다.Referring to FIG. 4, the antenna device of the present invention proceeds to step 400 and checks whether K narrowband signals are received from an array antenna.

상기 400단계의 검사결과 신호를 수신하면, 402단계로 진행하여 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하고, 404단계로 진행하여 수신한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하고, 406단계로 진행하여 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하고, 408단계로 진행하여 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하고, 410단계로 진행하여 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하고, 412단계로 진행하여 추정한 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정한다.In step 400, when the test result signal is received, the data matrix or the mutual spectrum matrix is calculated by using the received signal. In step 404, the received data matrix or the mutual spectrum matrix is decomposed. The propagator estimation matrix is calculated by using the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix, and the process proceeds to step 408 to decompose the propagator estimation matrix, and the process proceeds to step 410 to estimate the decomposed propagator. The phase matrix is estimated using the matrix, and the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency are estimated using the estimated phase matrix in step 412.

상기 402단계에서 상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬

Figure 112006000388313-PAT00049
은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.In step 402, the data matrix F may be calculated through Equation (9), and the mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00049
May be calculated through Equation 10.

상기 404단계에서 상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.In step 404, the decomposition of the data matrix is decomposed through Equation (11), and the decomposition of the mutual spectrum matrix is decomposed through Equation (12).

상기 406단계의 상기 프로퍼게이터 추정행렬

Figure 112006000388313-PAT00050
또는
Figure 112006000388313-PAT00051
는 상기 <수학식 14>과 같다.The propagator estimation matrix in step 406
Figure 112006000388313-PAT00050
or
Figure 112006000388313-PAT00051
Is as shown in Equation 14 above.

상기 408단계의 프로퍼게이터 추정행렬 분해는 상기 <수학식 15>와 같이 분해한다.The propagator estimation matrix decomposition in step 408 is decomposed as shown in Equation 15 above.

상기 410단계의 상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.The phase matrix estimation in step 410 is estimated using Equation 18.

상기 412단계의 상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.The direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency of step 412 are estimated using Equation 19.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.

상기 상술한 바와 같이 본 발명은, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로 방향각, 상하각 및, 도착 주파수를 모두 추정하고, 기존의 일반적인 방법인 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법에 비해 계산 복잡도가 상대적으로 낮은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공한다.As described above, the present invention relates to an antenna device and a method for estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, and estimates the direction angle, the upper and lower angles, and the arrival frequency. Provided are an antenna device and a method for estimating a direction of arrival angle and arrival frequency having a relatively low computational complexity compared to a cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) method.

Claims (22)

방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치에 있어서,In the antenna device for estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, 세개의 배열 안테나를 3차원으로 구성하는 안테나부;An antenna unit configured to three array antennas in three dimensions; 상기 안테나부로부터 협대역 신호를 수신하여 행렬 계산부로 제공하는 신호 수신부;A signal receiver for receiving a narrowband signal from the antenna unit and providing the narrowband signal to a matrix calculator; 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부로 제공하는 상기 행렬 계산부;The matrix calculation unit calculating a data matrix or a mutual spectrum matrix using the received signal and providing the matrix matrix to a matrix decomposition unit; 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부로 제공하는 상기 행렬 분해부;The matrix decomposing unit decomposing the data matrix or the mutual spectrum matrix and providing the data matrix to a propagator matrix calculator; 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하여 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부;A propagator estimation matrix calculation unit calculating a propagator estimation matrix using the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix and providing the propagator estimation matrix decomposition unit to a propagator estimation matrix decomposition unit; 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 위상(Phase) 행렬 추정부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부;The propagator estimation matrix decomposition unit decomposing the propagator estimation matrix and providing the result to a phase matrix estimation unit; 상기 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공하는 위상 행렬 추정부; 및A phase matrix estimator for estimating a phase matrix using the decomposed proparator estimate matrix and providing the estimated phase matrix to the estimator; And 상기 위상 행렬 추정부에서 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 상기 추정부를 포함하는 장치.And an estimator for estimating a direction angle, an upper and lower angle, and an arrival frequency using the phase matrix estimated by the phase matrix estimator. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 안테나부는,The antenna unit, 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개로 구성하고, 그중 N개로 구성하는 배열 안테나 하나는 x-y평면에, N+1개로 구성하는 다른 하나의 배열 안테나 y축에, N개로 구성하는 나머지 하나의 배열 안테나는 y-z평면에 위치하여 구성함을 특징으로 하는 장치.Three linear array antennas are used, and each array antenna is composed of N, N + 1, N, and one array antenna consisting of N is in the xy plane and the other array antenna composed of N + 1 y And the other one array antenna of which N is arranged on the axis is located in the yz plane. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, N개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나를 각각 하나의 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 처음 안테나를 제외한 N개를 다른 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 마지막 안테나를 제외한 N개를 또 다른 부배열안테나로 구성하여 총 4개의 부배열 안테나로 구성함을 특징으로 하는 장치.Each of the array antennas composed of N antennas consists of one sub-array antenna, and in the array antenna composed of N + 1 antennas, N other than the first antenna are composed of other sub-array antennas, and N + 1 antennas In the array antenna consisting of the N, except for the last antenna is configured with another sub-array antenna to configure a total of four sub-array antenna. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 행렬 계산부는.The matrix calculation unit. 상기 데이터 행렬 F를 아래에서 <수학식 20>를 통해 계산함을 특징으로 하는 장치.Wherein the data matrix F is calculated through Equation 20 below.
Figure 112006000388313-PAT00052
Figure 112006000388313-PAT00052
여기서 Q(t)는 시간 t가 1에서 L까지일 때의 데이터 벡터이다.Q (t) is a data vector when time t is from 1 to L.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 행렬 계산부는.The matrix calculation unit. 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-PAT00053
를 아래에서 <수학식 21>를 통해 계산함을 특징으로 하는 장치.
The mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00053
The device characterized in that calculated by the following equation (21).
Figure 112006000388313-PAT00054
Figure 112006000388313-PAT00054
여기서, F는 데이터 행렬이고, L은 데이터 벡터 Q(t)의 갯수이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.Where F is a data matrix, L is the number of data vectors Q (t), and H is a Hermitian operation.
제 4항 또는 수학식 5항에 있어서,According to claim 4 or Equation 5, 상기 <수학식 20>와 상기 <수학식 21>의 상기 데이터 벡터 Q(t)는 아래어서 <수학식 22>로 표현함을 특징으로 하는 장치.And the data vector Q (t) of Equation 20 and Equation 21 is represented by Equation 22 below.
Figure 112006000388313-PAT00055
Figure 112006000388313-PAT00055
여기서, X(t), Y(t), Z(t), W(t)는 시간 t에서 각각의 부배열안테나를 통해 수신한 신호의 행렬이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.Here, X (t), Y (t), Z (t), and W (t) are matrixes of signals received through respective subarray antennas at time t, and the superscript T is a transpose matrix.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 행렬 분해부는,The matrix decomposition unit, 상기 데이터 행렬 F의 분해 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-PAT00056
의 분해를 아래에서 <수학식 23>를 통해 분해함을 특징으로 하는 장치.
Decomposition of the data matrix F or the mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00056
A device characterized in that the decomposition of the following equation (23) below.
Figure 112006000388313-PAT00057
Figure 112006000388313-PAT00057
Figure 112006000388313-PAT00058
Figure 112006000388313-PAT00058
여기서, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.Where F 1 is a sub-matrix of K (number of narrowband signals) × L (number of narrow-band signals received), F 2 is a sub-matrix of (4N (number of sub-array antennas) -K) × L, and E Is a submatrix of 4N × K, and J is a submatrix of 4N × (4N-K).
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부는,The propagator estimation matrix calculation unit, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-PAT00059
또는
Figure 112006000388313-PAT00060
는 아래에서 <수학식 24>을 통해 추정함을 특징으로 하는 장치.
Proportional Estimation Matrix
Figure 112006000388313-PAT00059
or
Figure 112006000388313-PAT00060
Is estimated by Equation 24 below.
Figure 112006000388313-PAT00061
Figure 112006000388313-PAT00061
여기서,
Figure 112006000388313-PAT00062
는 상기 데이터 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고,
Figure 112006000388313-PAT00063
상기 상호 스팩트럼 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
here,
Figure 112006000388313-PAT00062
Is a predictor estimate matrix of the data matrix,
Figure 112006000388313-PAT00063
Proportional estimation matrix of the mutual spectrum matrix, H is a Hermitian operation, F 1 is a sub-matrix of K (number of narrowband signals) × L (number of narrowband signal reception), F 2 is (4N (number of sub-array antennas) -K) x L sub-matrix, E is 4N x K sub-matrix, J is 4N x (4N-K) sub-matrix.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부는,The propagator estimation matrix decomposition unit, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-PAT00064
또는
Figure 112006000388313-PAT00065
를 아래에서 <수학식 25>과 같이 분해함을 특징으로 하는 장치.
Proportional Estimation Matrix
Figure 112006000388313-PAT00064
or
Figure 112006000388313-PAT00065
The device characterized in that the decomposition as shown in Equation 25 below.
Figure 112006000388313-PAT00066
Figure 112006000388313-PAT00066
여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.Where H is a Hermitian operation and superscript T is a transpose matrix.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 위상 행렬 추정부는,The phase matrix estimator, 상기 위상 행렬 Φ1, Φ2 및, Φ3의 추정을 아래에서 <수학식 26>를 이용하여 추정함을 특징으로 하는 장치.And estimating the phase matrices [phi] 1 , [phi] 2, and [phi] 3 using Equation (26) below.
Figure 112006000388313-PAT00067
Figure 112006000388313-PAT00067
여기서, 상기
Figure 112006000388313-PAT00068
은 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 구한 상기 프로퍼게이터 추정행렬의 고유값(eigenbalue)이고, #은 의사역행렬이다.
Where
Figure 112006000388313-PAT00068
Is an eigenbalue of the propagator estimation matrix obtained by decomposing the propagator estimation matrix, and # is a pseudo inverse.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 추정부는,The estimating unit, k번째 협대역 신호의 상기 방향각(
Figure 112006000388313-PAT00069
), 상하각(
Figure 112006000388313-PAT00070
) 및, 도착주파수(
Figure 112006000388313-PAT00071
)의 추정을 아래에서 <수학식 27>을 이용하여 추정함을 특징으로 하는 장치.
the direction angle of the kth narrowband signal (
Figure 112006000388313-PAT00069
), Top and bottom angles
Figure 112006000388313-PAT00070
) And arrival frequency (
Figure 112006000388313-PAT00071
) Is estimated using Equation 27 below.
Figure 112006000388313-PAT00072
Figure 112006000388313-PAT00072
여기서 Φ1, Φ2, Φ3 위상 행렬이다.Where Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 phase matrices.
방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법에 있어서,In the method of estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, 안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하는 과정;Calculating a data matrix or a mutual spectrum matrix using the received signal when receiving a narrowband signal from an antenna; 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하는 과정;Decomposing the data matrix or the mutual spectrum matrix; 분해한 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하는 과정;Calculating a propagator estimation matrix using the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix; 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하는 과정;Decomposing the propagator estimation matrix; 분해한 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하는 과정; 및Estimating a phase matrix using the decomposed propagator estimation matrix; And 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 과정을 포함하는 방법.Estimating a direction angle, a vertical angle, and an arrival frequency using the estimated phase matrix. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 안테나는,The antenna, 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개로 구성하고, 그중 N개로 구성하는 배열 안테나 하나는 x-y평면에, N+1개로 구성하는 다른 하나의 배열 안테나 y축에, N개로 구성하는 나머지 하나의 배열 안테나는 y-z평면에 위치하여 구성함을 특징으로 하는 방법.Three linear array antennas are used, and each array antenna is composed of N, N + 1, N, and one array antenna consisting of N is in the xy plane and the other array antenna composed of N + 1 y And one remaining array antenna consisting of N elements on the yz plane. 제 13항에 있어서,The method of claim 13, N개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나를 각각 하나의 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 처음 안테나를 제외한 N개를 다른 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 마지막 안테나를 제외한 N개를 또 다른 부배열안테나로 구성하여 총 4개의 부배열 안테나로 구성함을 특징으로 하는 방법.Each of the array antennas composed of N antennas consists of one sub-array antenna, and in the array antenna composed of N + 1 antennas, N other than the first antenna are composed of other sub-array antennas, and N + 1 antennas The method of claim 4, wherein the array antennas are configured as N other than the last antenna as another sub-array antenna and are configured as a total of four sub-array antennas. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 데이터 행렬 F는 아래에서 <수학식 28>를 통해 계산함을 특징으로 하는 방법.The data matrix F is calculated by Equation 28 below.
Figure 112006000388313-PAT00073
Figure 112006000388313-PAT00073
여기서 Q(t)는 시간 t가 1에서 L까지일 때의 데이터 벡터이다.Q (t) is a data vector when time t is from 1 to L.
제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-PAT00074
는 아래에서 <수학식 29>를 통해 계산함을 특징으로 하는 방법.
The mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00074
Is calculated by Equation 29 below.
Figure 112006000388313-PAT00075
Figure 112006000388313-PAT00075
여기서, F는 데이터 행렬이고, L은 데이터 벡터 Q(t)의 갯수이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.Where F is a data matrix, L is the number of data vectors Q (t), and H is a Hermitian operation.
제 15항 또는 제 16항에 있어서,The method according to claim 15 or 16, 상기 <수학식 28>와 상기 <수학식 29>의 상기 데이터 벡터 Q(t)는 아래어서 <수학식 30>로 표현함을 특징으로 하는 방법.The data vector Q (t) of Equation 28 and Equation 29 is expressed as Equation 30 below.
Figure 112006000388313-PAT00076
Figure 112006000388313-PAT00076
여기서, X(t), Y(t), Z(t), W(t)는 시간 t에서 각각의 부배열안테나를 통해 수신한 신호의 행렬이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.Here, X (t), Y (t), Z (t), and W (t) are matrixes of signals received through respective subarray antennas at time t, and the superscript T is a transpose matrix.
제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 데이터 행렬 F의 분해 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-PAT00077
의 분해는 아래에서 <수학식 31>를 통해 분해함을 특징으로 하는 방법.
Decomposition of the data matrix F or the mutual spectrum matrix
Figure 112006000388313-PAT00077
The decomposition of the method characterized in that the decomposition through <Equation 31> below.
Figure 112006000388313-PAT00078
Figure 112006000388313-PAT00078
Figure 112006000388313-PAT00079
Figure 112006000388313-PAT00079
여기서, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.Where F 1 is a sub-matrix of K (number of narrowband signals) × L (number of narrow-band signals received), F 2 is a sub-matrix of (4N (number of sub-array antennas) -K) × L, and E Is a submatrix of 4N × K, and J is a submatrix of 4N × (4N-K).
제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-PAT00080
또는
Figure 112006000388313-PAT00081
의 추정은 아래에서 <수학식 32>을 통해 추정함을 특징으로 하는 방법.
Proportional Estimation Matrix
Figure 112006000388313-PAT00080
or
Figure 112006000388313-PAT00081
Equation (32) below is estimated by the method.
Figure 112006000388313-PAT00082
Figure 112006000388313-PAT00082
여기서,
Figure 112006000388313-PAT00083
는 상기 데이터 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고,
Figure 112006000388313-PAT00084
상기 상호 스팩트럼 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이 고, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
here,
Figure 112006000388313-PAT00083
Is a predictor estimate matrix of the data matrix,
Figure 112006000388313-PAT00084
A propagator estimate matrix of the mutual spectrum matrix, H is a Hermitian operation, F 1 is a sub-matrix of K (number of narrowband signals) × L (number of narrowband signal receptions), and F 2 Is a submatrix of (4N (number of subarray antennas) -K) × L, E is a submatrix of 4N × K, and J is a submatrix of 4N × (4N-K).
제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-PAT00085
또는
Figure 112006000388313-PAT00086
의 분해는 아래에서 <수학식 33>과 같이 분해함을 특징으로 하는 방법.
Proportional Estimation Matrix
Figure 112006000388313-PAT00085
or
Figure 112006000388313-PAT00086
The decomposition of the method characterized in that the decomposition as shown in Equation 33 below.
Figure 112006000388313-PAT00087
Figure 112006000388313-PAT00087
여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.Where H is a Hermitian operation and superscript T is a transpose matrix.
제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 위상 행렬 Φ1, Φ2 및, Φ3의 추정은 아래에서 <수학식 34>를 이용하여 추정함을 특징으로 하는 방법.The estimation of the phase matrices Φ 1 , Φ 2 and Φ 3 is estimated using Equation 34 below.
Figure 112006000388313-PAT00088
Figure 112006000388313-PAT00088
여기서, 상기
Figure 112006000388313-PAT00089
은 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 구한 상기 프로퍼게이터 추정행렬의 고유값(eigenbalue)이고, #은 의사역행렬이다.
Where
Figure 112006000388313-PAT00089
Is an eigenbalue of the propagator estimation matrix obtained by decomposing the propagator estimation matrix, and # is a pseudo inverse.
제 12항에 있어서,The method of claim 12, k번째 협대역 신호의 상기 방향각(
Figure 112006000388313-PAT00090
), 상하각(
Figure 112006000388313-PAT00091
) 및, 도착주파수(
Figure 112006000388313-PAT00092
)의 추정은 아래에서 <수학식 35>을 이용하여 추정함을 특징으로 하는 방법.
the direction angle of the kth narrowband signal (
Figure 112006000388313-PAT00090
), Top and bottom angles
Figure 112006000388313-PAT00091
) And arrival frequency (
Figure 112006000388313-PAT00092
) Is estimated using Equation 35 below.
Figure 112006000388313-PAT00093
Figure 112006000388313-PAT00093
여기서 Φ1, Φ2, Φ3 위상 행렬이다.Where Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 phase matrices.
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