[发明专利]一种大规模扩频通信数字阵列同时多用户快速角度估计方法及系统

说明书

本发明提出一种大规模扩频通信数字阵列同时多用户快速角度估计方法，可对大张角范围内的同时X个用户进行精确、快速的二维角度估计和跟踪。本角度估计和跟踪的方法：利用码分多址实现多用户测角的分离；通过三个维度的FFT实现时域相干积累和空域宽角度范围内快速角度粗估计；通过非相干积累和差单脉冲测角实现角度精估计；通过二次平滑正则化算法实现角度跟踪。所有X个用户独立地进行角度估计和跟踪。本发明采用粗测、精测、跟踪的分步方法，计算量小、速度快，测角覆盖区域大，测角精度高，适用于卫星通信、地面数据链通信等应用领域。

技术领域

本发明属于通信领域，特别是一种大规模扩频通信数字阵列同时多用户快速角度估计方法及系统。

背景技术

低轨道(LEO)通信卫星对地张角(即俯仰角)大，地面用户相对卫星天线角速度快，单星对地最长连续可通信时间不超过10分钟，通信期间对地张角变化最大超过100°。为实现大张角范围内任意位置的对地通信，早期的星载天线采用低增益弱方向性天线或者简单赋形波束天线，随着LEO卫星通信应用领域的扩展，以及通信质量和速率需求的提升，对指向灵活的高增益天线需求越来越迫切。采用数字波束形成技术的大规模数字阵列天线具有同时高增益多波束形成和空域自适应抗干扰的特点，是卫星通信系统的发展方向。天线波束增益随着阵列规模增加而提高的同时，波束宽度随之减小，这就需要在整个通信过程中，一直保证波束精确指向并跟踪用户，因此，针对大规模数字阵列的快速用户定位，高精度用户跟踪成为关键技术。

目前基于数字阵列天线的常用测角方法主要分为两大类：线性谱估计法和非线性谱估计法。线性谱估计法包括：干涉仪法和比幅测角法等，测角速度快，工程实现简单，但是由于瑞利限的限制，测角精度不高，对于两个角度相差不大的目标也难以实现各自的精确定位，难以精确定位在一个波束宽度内的多个目标。非线性谱估计法包括：MUSIC算法和ESPRIT算法等，由于这类算法的测角精度可以突破瑞利限的限制，也称为超分辨估计算法，但运算量较大，工程实现复杂，同时，数字阵列系统的各种非理想因素也会大幅影响算法的估计性能，比如通道幅相不一致、阵元位置误差、单元天线间互耦和增益不一致等。

除此之外，还有一种采用数字波束形成技术同时形成多波束覆盖大张角二维空间的和差单脉冲测角方法，若使用窄波束直接覆盖测角范围则需要大量波束，且每两个相邻的波束都要进行和差单脉冲测角，运算量大；若使用宽窄波束分别覆盖测角范围进行分步角度估计，则由于宽波束增益较低，粗测精度会显著降低，影响窄波束精测的性能；另外，宽波束的方向图和波束数量需要根据阵列结构和粗测精度的要求进行全面优化，优化结果很难达到最优。并且这种方法对阵列结构的适应性较差，特别是对于大规模阵列，优化过程非常复杂。因此，需要一种适用于大规模阵列，且阵列结构适应性强，可以显著简化波束优化过程和实现复杂度的同时多目标快速高精度的角度估计方法，但是现有技术中并无相关介绍。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种针对任意位置突发通信用户的快速角度估计问题。

实现本发明的技术解决方法为：一种大规模扩频通信数字阵列同时多用户快速角度估计方法，步骤如下：

步骤1：分别使用每个用户分配的扩频码对数字阵列中L个阵元接收的基带信号x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_L(t)]^T进行解扩处理，其中x_i(t)表示第i个阵元接收的基带信号，得到X组解扩后的阵列基带信号y_x(t)＝[y_x1(t),y_x2(t),…,y_xL(t)]^T(x＝1,2,…,X)；