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一种适应复杂地下环境的导航增强型脉冲超宽带通导一体自组网体制设计研究

李建佳 蔚保国 鲍亚川 杨梦焕 崔宋祚 田润泽 赵军

李建佳, 蔚保国, 鲍亚川, 杨梦焕, 崔宋祚, 田润泽, 赵军. 一种适应复杂地下环境的导航增强型脉冲超宽带通导一体自组网体制设计研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(11): 4179-4189. doi: 10.11999/JEIT230808
引用本文: 李建佳, 蔚保国, 鲍亚川, 杨梦焕, 崔宋祚, 田润泽, 赵军. 一种适应复杂地下环境的导航增强型脉冲超宽带通导一体自组网体制设计研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(11): 4179-4189. doi: 10.11999/JEIT230808
LI Jianjia, YU Baoguo, BAO Yachuan, YANG Menghuan, CUI Songzuo, TIAN Runze, ZHAO Jun. Research on Navigation-Enhanced Impulse-Radio Ultra-Wideband Conduit-Communication Integrated Self-Organizing Network Architectures for Complex Underground Environments[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(11): 4179-4189. doi: 10.11999/JEIT230808
Citation: LI Jianjia, YU Baoguo, BAO Yachuan, YANG Menghuan, CUI Songzuo, TIAN Runze, ZHAO Jun. Research on Navigation-Enhanced Impulse-Radio Ultra-Wideband Conduit-Communication Integrated Self-Organizing Network Architectures for Complex Underground Environments[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(11): 4179-4189. doi: 10.11999/JEIT230808

一种适应复杂地下环境的导航增强型脉冲超宽带通导一体自组网体制设计研究

doi: 10.11999/JEIT230808
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3900800),河北省省级科技计划(20310901D)
详细信息
    作者简介:

    李建佳:男,博士生,研究方向为超宽带定位、通导一体化

    蔚保国:男,研究员,研究方向为北斗综合PNT体系、通导一体化

    鲍亚川:男,高级工程师,研究方向为通导一体化、无线电定位

    杨梦焕:男,博士,研究方向为通导一体化、卫星导航

    崔宋祚:男,硕士,研究方向为通导一体化

    田润泽:男,硕士生,研究方向为通导一体化

    赵军:男,高级工程师,研究方向为芯片设计、卫星导航、超宽带定位

    通讯作者:

    蔚保国  yubg@sina.cn

  • 中图分类号: TN926.21

Research on Navigation-Enhanced Impulse-Radio Ultra-Wideband Conduit-Communication Integrated Self-Organizing Network Architectures for Complex Underground Environments

Funds: The National Key Research and Development Program of China (2021YFB3900800), Hebei Provincial Science and Technology Plan (20310901D)
  • 摘要: 超宽带(UWB)技术以其大宽带、低功率、高精度等优点广泛应用于室内定位。然而其本质上是一种通信信号体制,复杂环境下组网困难,所以UWB系统在复杂地下环境中仍有挑战。为此该文在UWB标准信号体制的基础上提出了导航增强型超宽带(Hnav-UWB),通过优化通信信息的冗余度简化帧结构,同时降低脉冲发送频率增加单个脉冲的能量,采用改进的跳时二进制相移键控(TH-BPSK)调制方式提高了信号的多用户和抗多径能力。另外,该文设计了动态重构节点网络适应复杂环境,该网络没有主从节点之分,通过双向测距获得两两距离,根据多维尺度变换(MDS)算法自建相对位置坐标,根据分布式协作定位(DCL)算法提高精度,最后根据最小二乘(LS)法利用某已知点在地图的位置进行地图匹配。基于自建的脉冲超宽带(IR-UWB)仿真系统试验,结果显示相同条件下Hnav-UWB的误码率比对照组降低10倍,定位精度提升3倍。经1000次蒙特卡罗模拟,动态重构网络匹配准确率达95%。
  • 图  1  实例波形与参考波形及互相关函数幅值

    图  2  802.15.4标准UWB帧结构

    图  3  导航增强型帧结构

    图  4  子帧1结构

    图  5  子帧2结构

    图  6  改进的TH-BPSK调制

    图  7  Hnav-UWB信号的符号结构

    图  8  可重构节点网络组网结构

    图  9  双向测距信号传播时延

    图  10  动态重构组网协议流程

    图  11  不同接收信号电平下HNav-UWB与LRP UWB接收概率对比

    图  12  不同信噪比下几种信号误码率

    图  13  不同信噪比下多用户平均定位误差

    图  14  定位精度随覆盖范围变化

    图  15  复杂多径平均定位误差与信噪比关系

    图  16  5节点动态重构网络框架

    表  1  不同信道参考波形的宽度及互相关函数的主瓣宽度

    信道编号 信道带宽(MHz) 脉冲周期(ns) 互相关函数
    主瓣宽度(ns)
    {0:3,5:6,8:10,12:14} 499.2 2.00 0.5
    7 1081.6 0.92 0.2
    {4,11} 1331.2 0.75 0.2
    15 1354.97 0.74 0.2
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    表  2  子帧2各参数说明表

    帧位置 长度(bit) 含义
    位置1 24 发送方经纬度和高度
    位置2 24 接收方经纬度和高度
    时间戳1 16 发送方本地时钟计数值
    时间戳2 16 接收方本地时钟计数值
    时钟偏差 12 收发双方时钟偏差系数
    信道衰落 12 收发双方信道衰落系数
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    表  3  脉冲类型及对应各项参数

    类型 PRF(MHz) 1ms脉冲数 脉冲最大能量(dBm)
    LRP UWB 1.00 1 000 15.7
    ULRP UWB 0.37 370 20.0
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    表  4  系统主要参数

    参数 符号 数值
    脉冲宽度 (ns) ${T_{\text{m}}}$ 2
    脉冲重复间隔 (ns) PRI 100
    帧信号长度 (bit) ${L_{{\text{frame}}}}$ 408
    同步部分长度 (bit) ${L_{{\text{pilot}}}}$ 50
    数据部分长度(bit) ${L_{{\text{syn}}}}$ 50
    用户数 Tag 10
    信号发射功率 (mW) ${\text{pow}}$ 1
    采样频率(GHz) ${f_{\text{s}}}$ 2
    多径数 N 5/10
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-01
  • 修回日期:  2023-10-31
  • 网络出版日期:  2023-11-07
  • 刊出日期:  2023-11-28

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