基于相干支撑边界的非合作蜂窝机会导航参量估计方法

本公开实施例涉及无线定位导航参数估计，尤其涉及基于相干支撑边界的非合作蜂窝机会导航参量估计方法。

背景技术：

1、在无线定位导航系统中，信号到达时间（toa）估算作为无线定位、信道时延估计和同步校准等技术的重要基础，其估计精度直接决定了无线定位系统的定位准确度以及通信系统的同步稳定性；在复杂无线传播场景中，建筑物、地形和障碍物的遮挡及反射影响，会产生严重的多径传播效应，接收信号包含首径直达分量与多组强反射分量，且实际应用中普遍存在非合作接收、首径信号弱、干扰噪声复杂等工况，对toa估计算法的鲁棒性与精度提出了极高要求。

2、目前，toa估计算法主要分为峰值法、阈值法与子空间法三种，其中峰值法将时延多普勒（dd）图最大响应作为toa估计结果，默认最大能量响应对应信号首径分量；阈值法以首个超出门限的采样点判定toa，依赖已知的噪声基底与同步参考序列；子空间法基于协议对齐的频域信道样本实现多径超分辨估计，但需要预先获知路径数、频域孔径等参数，并配置专属的最早分量筛选规则。

3、在非合作弱首径的复杂定位场景中，无线信道字典具有高相干特性，这使得弱能量首径分量与强反射多径分量在dd图上相互叠加；而现有toa估计算法中，峰值法混合分量能量由强反射主导，无法表征真实首径时延；阈值法因非合作场景无先验参考序列与噪声参数，易受参考重构误差影响，出现首径漏检、误检问题；子空间法即便能够分辨多径分量，也难以在弱首径与强反射分量之间稳定筛选出真实的最早到达物理分量。

4、现有峰值、阈值及子空间读出分别依赖幅度排序、稳定的阈值交叉或可分辨的分量列表；在弱首径与强反射形成高相干合并支撑时，峰值不一定代表物理首径，因此需要针对恢复后支撑设计读出规则。

5、因此，在非合作蜂窝接收机实际重构的参考和既有稀疏系数图上，如何利用最早保留支撑的边界及局部相干度进行到达时间读出是目前有待解决的技术问题。

6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本公开实施例的目的在于解决现有toa估计算法难以适配弱首径、强多径干扰的实际定位场景，非合作蜂窝机会导航参量估计精度和稳定性不足，无法从延迟–多普勒稀疏系数图中准确提取首径到达时间等技术问题，进而提出基于相干支撑边界的非合作蜂窝机会导航参量估计方法，以在不改变前端参考恢复流程和稀疏优化器的情况下，提高弱首径强反射场景下的到达时间读出稳定性。

2、本公开实施例的设计思路在于：在估计参考字典下，利用候选支撑分量内相邻延迟字典原子的局部相干度判断该分量是否为高相干合并簇，并据此在最早支撑边界读出和分量内峰值读出之间自适应切换，从已有延迟-多普勒稀疏系数图中稳定读出首径到达时间，该方式称为相干感知支撑边界读出（coherence-aware support-boundary readout，caor）。

3、根据本公开实施例提供了基于相干支撑边界的非合作蜂窝机会导航参量估计方法，其特殊之处在于，包括：

4、采集相干处理时间区间内的蜂窝下行机会信号，获取所述蜂窝下行机会信号对应的估计参考序列；

5、根据所述估计参考序列分别构建延迟-多普勒观测和接收机延迟-多普勒字典，生成延迟-多普勒稀疏系数图；

6、对所述延迟-多普勒稀疏系数图沿多普勒维度进行聚合处理，得到延迟边缘值；

7、根据所述延迟边缘值和显著检测门限获取显著延迟集合；当所述显著延迟集合为空时记录未检出状态，当所述显著延迟集合非空时将其分解为一维离散延迟网格上的极大连续支撑分量；

8、按分量峰值和分量保留门限获得保留分量集合；当所述保留分量集合为空时记录未检出状态，当所述保留分量集合非空时获取起始延迟索引最小的最早保留分量，并根据所述接收机延迟-多普勒字典计算所述最早保留分量的局部相邻延迟相干度；

9、通过预设的相干度切换门限对所述局部相邻延迟相干度进行分路径时延索引比较；当所述局部相邻延迟相干度不低于预设相干度切换门限时，将所述最早显著分量的最早延迟边界作为到达时间读出的延迟索引；当所述局部相邻延迟相干度低于所述预设相干度切换门限时，将所述最早显著分量内的延迟边缘峰值位置作为到达时间读出的延迟索引；

10、根据所述到达时间读出的延迟索引输出到达时间估计值，从而完成非合作蜂窝机会导航参量估计。

11、进一步地，所述估计参考序列为在无需基站为定位目的提供合作或专门信令交互的非合作接收条件下，接收机利用标准蜂窝下行同步信号和协议约束完成小区搜索、帧定时估计及小区标识获取，并依次进行参考资源位置恢复、载波频偏补偿、源分离、参考重构和采样原点校准后生成的等效序列；

12、所述估计参考序列至少包括接收机根据lte小区专用参考信号（crs）重构得到的等效序列。对于其他蜂窝参考资源，在接收机能够恢复其资源位置和参考序列，通过按各正交频分复用（ofdm）符号的有用采样集合构造逐符号延迟-多普勒观测以及循环前缀有效延迟移位的条件下采用所述延迟-多普勒稀疏恢复和相干支撑边界读出；本公开实施例量化结果均基于lte crs。

13、进一步地，生成延迟-多普勒稀疏系数图的过程包括：

14、根据所述估计参考序列构建延迟-多普勒观测，所述延迟-多普勒观测满足下式：

15、

16、其中，为校准接收信号的第个采样值，为实际重构的估计参考序列，为采样周期，与分别为延迟和多普勒观测网格索引，为多普勒网格频率；为第个ofdm符号的有用采样集合，为第个ofdm符号内循环前缀有效的延迟移位算子，为虚数单位，上标“”表示复共轭；求和按符号进行，不将多个ofdm符号视为一个全局循环卷积块；

17、根据所述估计参考序列构建接收机延迟-多普勒字典，所述接收机延迟-多普勒字典满足下式：

18、

19、其中，为接收机基于估计参考序列构造的延迟-多普勒字典，与分别为延迟和多普勒字典网格索引，与分别为观测多普勒索引和字典多普勒索引对应的多普勒网格频率，为逐符号自模糊核；延迟索引对应的延迟坐标为；真实参考与估计参考之间的交叉模糊响应和该自模糊字典之间的差异，与离网格项及循环前缀边缘效应一并计入残差；

20、根据所述接收机延迟-多普勒字典求解稀疏恢复问题，通过下式求解得到系数向量；

21、

22、其中，为按固定顺序向量化的观测向量，为待求稀疏系数向量，为目标函数的极小解，为接收机字典，为稀疏正则化参数；和分别表示二范数和一范数；

23、将求解得到的系数向量进行重排，生成延迟-多普勒稀疏系数图。后续相干支撑边界读出将改变该图和接收机字典到延迟索引的映射，不改变上述稀疏恢复阶段。

24、进一步地，对所述延迟-多普勒稀疏系数图沿多普勒维度进行聚合处理，通过下式得到延迟边缘值：

25、

26、其中，为延迟索引处的延迟边缘值，为重排后稀疏系数图在延迟索引和多普勒索引处的系数，为多普勒索引集合。

27、进一步地，根据所述延迟边缘值通过下式获取显著延迟集合：

28、

29、其中，为因果尾部保护区估计的噪声门限，为固定的相对幅度下限，为因果延迟搜索窗口，为显著检测门限；

30、若，记录未检出并停止本次读出，不对空集合继续求最大值；

31、当非空时，将其分解为一维离散延迟网格上的极大连续支撑分量；区间包含该网格上的连续整数索引：

32、

33、其中，为第个连续支撑分量，与为第个连续支撑分量的起止延迟索引，为连续支撑分量的编号。

34、进一步地，计算所述最早保留分量的局部相邻延迟相干度包括以下步骤：

35、通过下式计算每个连续支撑分量的峰值：

36、

37、保留所述峰值满足下式的连续支撑分量：

38、

39、其中，为第个分量的峰值，为分量保留门限，为保留分量集合，为起点最早的保留分量，为选出的最早保留分量；为遍历全部连续支撑分量的哑索引；

40、仅当非空时，选择起点最早的保留分量；若该集合为空，则记录未检出；

41、根据选出的最早保留分量，根据各多普勒索引上系数幅度之和确定最早保留分量内的主导多普勒索引；并列最大时按照预设的固定顺序选取其中一个多普勒索引：

42、

43、提取所述接收机延迟-多普勒字典中与所述主导多普勒索引和相邻延迟字典索引对应的字典原子；

44、计算相邻延迟字典原子的归一化内积，并将所述最早保留分量内归一化内积的最大值作为所述局部相邻延迟相干度。

45、进一步地，所述最早保留分量的局部相邻延迟相干度表示为下式：

46、

47、其中，为字典中对应延迟索引和多普勒索引的列向量，为最早保留分量内的主导多普勒索引，表示共轭转置；

48、相干度直接按接收机字典列计算；当分量仅含一个延迟栅格时，令并采用峰值分支。

49、进一步地，基于预设的相干度切换门限进行读出分支判决包括以下步骤：

50、预设相干度切换门限为，将所述最早保留分量的局部相邻延迟相干度与所述相干度切换门限进行比较；

51、当所述局部相邻延迟相干度不低于所述相干度切换门限时，判定所述最早保留分量内的相邻延迟字典原子处于高相干状态，进入边界读出分支，并将所述最早保留分量的起始延迟索引作为到达时间读出的延迟索引；

52、当所述局部相邻延迟相干度低于所述相干度切换门限时，确定所述相邻延迟字典原子处于较低相干状态，进入峰值读出分支，并将所述最早保留分量内的延迟边缘峰值索引作为到达时间读出的延迟索引；局部相干度用于量化相邻字典原子的耦合程度，并据此选择边界读出分支或峰值读出分支。

53、进一步地，在显著支撑和保留分量集合均非空、已确定及的条件下，到达时间的相干感知支撑边界读出的延迟索引表示为：

54、

55、其中，为固定相干度切换门限；

56、当时读取，否则读取该分量内的延迟边缘峰值；

57、峰值幅度并列时，选取最小延迟索引；

58、单栅格分量按进入峰值分支。

59、进一步地，在已得到有限延迟索引时，按下式输出到达时间估计：

60、

61、其中，为采样周期。

62、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

63、本公开的实施例中，一方面，通过上述方法无需基站授权交互、无需预先已知同步参考序列和噪声基底，直接使用非合作前端输出的估计参考序列构造接收机字典，适配参考恢复误差和有限带宽造成的局部相干状态，摆脱了现有阈值法对先验信道参数与同步信息的强依赖，适配无通信链路、无先验信息的机会导航场景，有效解决了高相干多径场景下弱首径淹没失效问题；

64、另一方面，上述方法通过利用延迟-多普勒观测和接收机延迟-多普勒字典，生成延迟-多普勒稀疏系数图，通过延迟-多普勒稀疏系数图与多普勒维度聚合得到延迟边缘，再通过连续支撑分量分割实现多径分量区分，并引入局部相邻延迟相干度自适应判决机制选择性读取支撑边界或峰值，能够有效降低弱首径强反射场景中的强反射锁定风险；在高相干合并分量场景下采用最早延迟边界作为到达时间读出的延迟索引，在低相干可分分量下采用延迟边缘峰值位置作为到达时间读出的延迟索引，显著提升了复杂遮挡、强反射、弱直达路径场景下的toa估计鲁棒性和可靠性，计算复杂度低，适合部署于非合作蜂窝定位接收设备，具备良好的兼容性和可扩展性，便于在现有设备上快速部署推广，适用场景更加广泛，可有效应对复杂多变的无线传播环境。