本发明提出了一种基于稀疏面阵的三维参数估计方法。首先，将面阵所在平面按照信号入射角的范围分为8个区域。在每一个区域内，通过分析稀疏面阵，将稀疏面阵按照信号的入射方向映射为非均匀虚拟线阵，构造稀疏面阵的方向矢量并计算稀疏面阵和非均匀虚拟线阵之间的相位差。其次，将面阵方向矢量分别乘上面阵与虚拟线阵之间的相位差，得到虚拟线阵的方向矢量。在此基础上，构造入射信号并利用三维参数估计算法进行AoA(Arrival of Angle)、ToF(Time of Flight)和DFS(Doppler Frequency Shift)的联合参数估计，并利用谱函数搜索得到一系列的峰值。最后，通过分析稀疏面阵映射为非均匀虚拟线阵的几何关系，利用角度搜索得到正确的入射角对应的峰值。本发明克服了业务天线稀疏面阵排列规则不满足空间采样定理而导致的无法进行参数估计的问题，为实际应用中基于业务天线的室内跟踪定位等应用奠定了理论基础。