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受动态障碍物与金属反射等因素的影响,室内密集时变多径效应显著加剧,导致室内复杂非视距场景测距误差是视距场景的 3～5 倍.现有基于深度学习的超宽带(ultra wide band,UWB)定位模型由于对 UWB 信号特征的表征能力不足,导致定位精度显著下降,尤其是在跨应用场景时性能恶化更为显著.基于此,设计了图注意力-时域卷积-Transformer 网络(graph attention-temporal convolution&Transformer network,GAT-TTN),通过多层感知机提取 UWB 信号特征,利用搭载 Inception 模块的时序卷积神经网络提取 UWB 信道特征,采用图注意力网络实现 UWB 信号特征与信道特征的跨模态融合,通过 Transformer 编码器增强跨模态适应性,捕捉信号特征变化与信道特征之间的关系,完成测距误差预测.最后建立测距误差方差与位置坐标的联合优化目标函数,基于有限内存布罗伊登-弗莱彻-戈德法布-香奈(有界约束版)(limited memory Broyden Fletcher Goldfarb Shanno-bound constraints,L-BFGS-B)算法求解非线性方程,实现 GAT-TTN-BFGS 多模态融合位置估计.该方案在 4 类测试环境中进行了性能验证,工业环境定位精度为 0.25 m,两个居民环境与办公环境定位精度分别为 0.09 m、0.05 m、0.12 m,定位误差比最小二乘算法分别小 2.24 m、0.83 m、0.36 m、0.8 m.
超宽带信道冲激响应非视距传播图注意力网络有限内存布罗伊登-弗莱彻-戈德法布-香奈(有界约束版)
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大气波导是对流层内因温、湿、压垂直分布异常,导致大气折射率强负梯度而形成的特殊超折射层结,可通过陷获电磁波,实现低损耗超视距传播,深刻影响海上雷达探测、无线通信与电子对抗系统效能,是海洋电波环境研究的重要方向.本文围绕海洋大气波导的理论模型、时空分布、监测反演与预报方法及其应用研究进展进行综述.首先介绍蒸发波导、表面波导和悬空波导三种大气波导的基本特征,重点梳理蒸发波导诊断模型和大气波导电波传播模型,总结不同海域及典型天气过程下的大气波导分布规律,以及波导高度、水平非均匀性、海上障碍物、工作频率和天线高度等因素对电波传播的影响.随后介绍直接测量、模型估算、反演估算和数值预报等大气波导环境获取方法及海上综合观测实验,并分析不同方法的适用范围和局限.最后总结大气波导在雷达探测和海上通信中的应用进展,介绍西北工业大学团队的研究进展,并结合现有研究讨论理论模型、监测反演、数值预报、雷达与通信应用以及标准化等方面的后续研究方向.
通信导航海洋大气波导超视距传播海上电磁系统海洋信道测量
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大气波导和对流层散射是自动识别系统(automatic identification system,AIS)信号实现超视距传播的两种主要方式,首次利用实测的 AIS数据开展了对流层散射传播的相关分析.通过定义一个 AIS报文指数,利用同步收集获得的AIS接收数据和表征对流层散射环境强弱的湍流结构常数数据,分析了位于132.3～192.6 km距离区间内 AIS报文指数与湍流结构常数的相关性.结果表明:两者呈现强相关,相关系数可达 0.883 5.同时拟合得到两者的线性表达式.通过建立 AIS接收数据与海上湍流结构常数之间的关联关系,形成了一种新的基于实测AIS数据的海上对流层散射环境监测方法.
VHF船舶自动识别系统(AIS)对流层散射超视距传播湍流结构常数
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复杂室内环境下的非视距传播、多径以及动态干扰等问题严重制约 UWB定位精度的提升,现有的锚点选择策略难以在信号质量与几何分布间实现自适应平衡.鉴于此,提出一种基于双层深度近端策略优化(DDPPO)的自适应锚点选择方法,将锚点选择建模为序贯决策问题,并利用深度强化学习实现智能筛选.首先,构建融合信道冲激响应、几何分布、轨迹时序与信号质量的多源状态空间,实现对动态环境的全面感知;然后,设计层次化双层 PPO 架构将锚点选择解耦为数量决策和组合决策两个层次,结合课程学习策略引导模型快速收敛;最后,通过策略网络输出的锚点子集经加权最小二乘解算位置,以定位误差为主导构建奖励函数,该函数所包含的样本难度自适应机制可根据实时误差动态调整对于锚点数量的偏好,生成的奖励信号反馈至决策网络学习形成闭环.在4 类真实室内场景数据集上的实验结果表明,DDPPO 方法平均定位误差为 0.219 m,相较于现有 6 种方法降幅达
45.9%∼ 72.5%,在定位精度与计算效率间取得了良好平衡.
UWB定位锚点选择深度强化学习近端策略优化自适应决策几何精度因子
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非视距(Non Line of Sight,NLOS)环境下信号传播路径存在动态遮挡与多径效应的强非线性耦合,导致传统单模型定位算法面临模型失配严重、误差累积快、环境适应性差等问题,为此在NLOS环境下,提出一种自适应交互式多模型信号定位与跟踪算法.在NLOS环境下,通过反射、折射、衍射或散射等获取传播信号.以获取信号为内容,设定子模型交互转移概率矩阵.根据NLOS环境的动态变化情况,利用自适应机制调整误差协方差以及模型权重参数.通过递推滤波消除信号中的部分成分,引入非线性状态估计,并更新定位目标运动模式概率.根据交互转移概率融合多模型估计状态,得到信号跟踪定位结果.性能测试表明,与传统算法相比,优化设计算法在动态NLOS环境中,目标的定位跟踪误差减小2.25 m,跟踪中断占比降低0.11,优化设计算法具有更优的定位跟踪性能.
非视距环境自适应交互式多模型信号定位目标跟踪
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海面风浪形成的多尺度粗糙结构对海上电波传播具有重要影响,传统抛物方程模型多采用光滑海面或经验等效反射系数描述粗糙海面,难以反映真实海面起伏特征.该文引入二维改进分形海面模型,通过构建满足 Pierson-Moskowitz(PM)谱的方向海谱,实现对不同尺度海浪结构的统一描述,并将生成海面沿传播方向截取剖面作为等效边界条件引入抛物方程传播模型,在蒸发波导环境下对不同风速条件下的路径损耗与传播因子变化进行数值模拟分析.结果表明,与 Miller-Brown 等效反射系数模型相比,改进分形海面模型在中高风速条件下能够表现出更明显的传播起伏特征,平均路径损耗增大,中远距离超视距传播能力有所减弱.该文结果可为舰载雷达与海上微波通信链路性能评估及蒸发波导环境下传播预测提供参考.
分形海面抛物方程蒸发波导电波传播海面粗糙度
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海洋超视距通信中大气波导与对流层散射机制共存,导致电波传播路径损耗难以准确预测.针对现有模型多聚焦单一传播模式、无法有效刻画混合传播机制的问题,构建基于抛物方程的双机制耦合路径损耗模型.利用中尺度数值模式模拟高时空分辨率的非均匀气象参数,通过抛物方程法分别解算蒸发波导与对流层散射机制下的电场强度,进而提出加权因子非相干合成的混合场强求解方法,获得双机制共存的路径损耗.跨海链路实验验证表明,所提模型与实测值吻合良好,平均绝对误差低于4 dB@300 km,均方根误差低于5 dB@300 km,精度优于现有模型,可为海洋对流层超视距通信系统设计与性能评估提供支撑.
超视距通信对流层散射蒸发波导路径损耗抛物方程法
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矿井移动通信、物联网通信、人员和车辆定位等通信基站和定位分站布置和系统优化,需计算矿井电磁波传播损耗.因此,有必要研究矿井电磁波传播损耗计算方法.现有通用、地面开放空间、室内、隧道和矿井电磁波传播损耗统计计算方法主要考虑了距离和频率的影响,均没有考虑巷道断面等井下特有因素的影响,计算矿井复杂环境电磁波传播损耗误差较大.矿井电磁波传播损耗相对波长计算方法,不但与频率和距离有关,还与巷道断面尺寸等有关.揭示了矿井电磁波传播特性:在矿井视距场景中:① 辅助运输大巷电磁波传播存在传播拐点,当相对波长小于 10时,电磁波传播的相对空间尺寸较小,矿井电磁波传播受巷道影响大,不利于电磁波在巷道内传播,此时矿井电磁波传播损耗指数大于自由空间;此时电磁波传播损耗随着波长的增大而增大.当相对波长大于10时,电磁波传播的相对空间尺寸较大,电磁波在巷道内传播类似于在自由空间传播,电磁波传播损耗随着波长的减小而增大.② 带式输送机对巷道中的电磁波传播起阻碍作用,巷道中存在带式输送机会增大电磁波传播损耗.在矿井非视距场景中:① 电磁波传播受巷道断面和频率的双重影响,频率对电磁波传播的影响比巷道断面大.② 在相同断面的巷道中,拐弯巷道、支巷发射的分支巷道和主巷发射的分支巷道的电磁波传播损耗指数平均值分别为 2.77、2.83、3.02,依次增大.因此,拐弯巷道比分支巷道的电磁波传播损耗小,在分支巷道中支巷发射优于主巷发射.矿井实测数据验证表明:提出的方法的平均绝对误差为 4.4 dB,相比常用信道标准统计计算方法平均绝对误差减小了2.1～6.4 dB,提高了矿井电磁波传播损耗计算精度.
矿井电磁波传播损耗统计计算方法相对波长巷道断面
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面向低空宽带上行业务场景,研究低空信道条件下Massive MIMO技术的适用性;针对低空用户视距传播概率高、空间分布具有三维特性且信道时变性较强的特点,建立了考虑Rician衰落、空间相关性和CSI老化效应的上行信道模型,分析了 LoS强度、用户角度分布和信道时变性对阵列接收增益、多用户可分性及系统总频谱效率的影响,并对MRC与ZF两种线性接收方式进行了比较分析;结果显示LoS增强有利于提升阵列接收增益,但当用户方向集中时,会因信道相关性升高而削弱空间复用收益;较大的角度分散有助于提高系统频谱效率;同时CSI老化会显著降低接收性能,且在大规模阵列条件下性能损失更为突出;此外低空强LoS环境中Massive MIMO的有利传播特性弱化,MRC接收性能明显弱于ZF接收.
低空通信大规模多输入多输出空间相关性CSI老化频谱效率
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针对星地IMS互通场景下卫星终端模拟接入地面基站时,传统位置匹配方法采用理想圆形覆盖模型,未考虑地形遮挡、传播损耗、基站负载等工程因素,存在复杂场景匹配准确率低、非视距环境误判突出、覆盖边缘乒乓切换及匹配时延超标的问题,文章提出一种卫星终端模拟接入位置精准匹配方法.首先,采用COST231-Hata模型引入场景修正因子,实现无线覆盖精细化预测;其次,融合信号强度、距离、方位角、遮挡置信度构建多维度模糊综合评判模型,筛选优质候选基站;然后,综合信干噪比、匹配稳定性、基站负载等多因子完成最优决策,抑制边缘无效乒乓跳变;最后,设计四叉树空间索引与边缘计算双层加速机制,大幅降低大规模基站检索时延.仿真结果表明:所提方法整体匹配准确率达86.26％;动态衰落环境下决策一致率显著优于传统算法,单次匹配算法耗时可控制在0.080 7 ms以内,具备抗遮挡鲁棒性与低时延实时性,能够满足星地IMS互通手机直连卫星业务规模化部署需求.
星地IMS互通COST231-Hata模型模糊综合评判四叉树索引
