基于60GHz脉冲无线电的高精度导航定位关键问题研究

High-precision navigation and position technologies have a significant demand for indoor robot navigation and positioning, production management and other fields. But existing wireless location technologies have low accuracy and other bottleneck problems which unable meet the urgent needs. New technical and theoretical solutions are needed urgently. 60GHz pulse radio, rising in recent years, known by its high temporal resolution and multipath resolution capability, has provided an effective way to solve this problem. This project will study the geometric positioning algorithm suitable for 60GHz pulse radio under the line-of-sight channel, give the position algorithm strategies and the joint position strategies which suit the 60GHz pulse characteristics and the channel characteristics best; Then，it will research the Direct Position Determination based on compressed sensing under 60GHz complex channels, and give the sparse reconfigurable algorithm and construction strategy of three-dimensional space position grid suitable for 60GHz position requirements according to the sparse features of position goals. Besides，it will study 60GHz position pulse design and optimization methods respectively for different positioning scenarios to reveal the intrinsic relationship between position accuracy, pulse waveform, duration and modulation. Finally, it design a number of simulation tests to verify new algorithms and methods. This project is expected to exceed the centimeter-level precision positioning technology bottleneck, lay a solid theoretical foundation for the research and development of the 60GHz pulse position system, and promote the development of high-precision navigation and position technology.

高精度导航定位技术在室内机器人导航定位、生产管理等领域均有重大需求，但目前无线定位技术存在精度低等瓶颈问题而无法满足，亟待寻求新技术和理论解决方案。近年来兴起的以时间分辨率高、多径分辨能力强而著称的60GHz脉冲无线电为解决该问题提供了有效途径。本课题拟研究视距信道下适于60GHz脉冲无线电的几何定位算法，给出最适合60GHz脉冲特点及信道特性的定位算法策略和联合定位策略；研究60GHz复杂信道下基于压缩感知的直接定位算法，并根据定位目标的稀疏特性提出适合60GHz定位要求的稀疏重构算法和三维空间位置网格构建策略；针对不同定位场景分别研究60GHz定位脉冲设计与优化方案，揭示定位精度和脉冲波形、持续时间、调制方式之间的内在关系；最后设计若干仿真试验验证新算法和方法。本课题有望突破厘米级精确定位技术瓶颈，为研发60GHz脉冲定位系统奠定坚实的理论基础，促进高精度导航定位技术发展。

室内高精度定位技术在众多领域有重大需求，但目前无线定位技术存在精度低等瓶颈问题而无法满足，亟待寻求新技术和理论解决方案。近年来兴起的以时间分辨率高、多径分辨能力强而著称的60GHz 脉冲无线电为解决该问题提供了有效途径。本课题将60GHz脉冲用于室内精确定位研究，主要成果如下：（1）在LOS环境下采用基于TOA的测距和LSE定位算法实现基于60GHz脉冲的精确定位，定位精度可达厘米级甚至毫米级。（2）利用定位目标的稀疏特性，提出基于压缩感知的60GHz脉冲室内精确定位算法，通过将对目标节点的定位问题转化为重构稀疏向量中非零值所在位置的问题，实现了60GHz脉冲在NLOS环境下的厘米级定位精度。（3）为降低定位所需参考基站的数目，提出一种基于最优路径搜索的60GHz脉冲室内精确定位算法，通过建立搜索空间并利用最优路径分层的策略在搜索空间中寻找最优路径，完成对目标节点的定位。该算法在降低在线定位复杂度的基础上，实现60GHz脉冲在NLOS环境中厘米级的定位精度。（4）针对不同定位场景研究了60GHz定位脉冲的设计与优化。在单目标定位场景，提出了基于傅里叶变换的60GHz脉冲设计方法；在多目标定位场景，提出基于椭球波函数的60GHz脉冲设计方法。（5）提出了基于码本切换波束的60GHz-WPAN网络内设备互联机制，建立了切换波束60GHz-WPAN系统模型，实现了方向性传输下各通信设备配对的自由切换，该方案也适用于定向60GHz定位应用。同时，为充分利用60GHz信号方向性传输的特点，开发了基于空分联合时分多址的平均时隙复用分配调度(ATSMA)方案，在确保一定的时隙分配公平性前提下有效的利用了60GHz系统链路的空间特性，显著的提高了系统的吞吐量。（6）针对60GHz无线通信系统在通信和定位过程中易受阻挡而导致链路中断问题，设计了利用切换波束指向反射路径和利用网络内空闲节点协作传输两种抗链路阻挡方案。给出了基于切换波束指向反射路径抗链路阻挡的具体流程，设计了链路阻挡时通信路径的快速切换及恢复方案。本课题成果突破了室内厘米级精确定位技术瓶颈，为研发5G中毫米波通信和定位技术奠定了理论基础。