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基于多星协作的低轨卫星频谱感知技术研究

张玉  
【摘要】:空间信息网络系统作为国家重要基础设施,其节点种类众多、支持业务类型多、用频设备多且环境复杂,如何实现频谱态势的安全掌控是亟需研究的问题。当前,频谱感知技术作为认知无线电技术的基础部分,也是实现频谱态势安全掌控的重要手段之一。低轨卫星因其覆盖范围广、通信时延低、传播损耗小等特点具有广泛的应用前景,当前低轨卫星已被用于辅助实现频谱感知,从而支撑频谱态势安全掌控。然而,低轨卫星受体积和功耗限制,通常采用宽波束小口径天线,导致单颗低轨卫星感知能力弱,为提升低轨卫星频谱感知能力,本文重点研究了基于多星协作的频谱感知方法,具体研究内容和创新点如下:首先,针对卫星与地面用频设备之间传输距离远、单颗卫星感知能力弱的问题,本文研究设计了基于模糊积分的协作频谱感知方法,用模糊积分器来建模频谱感知问题。参与协作感知的卫星分别根据所感知的能量值计算隶属度函数,并根据历史感知数据设置相关的模糊测度值,协作感知卫星分别将隶属度函数和模糊度量值发送到融合中心,由其进行模糊积分辅助的感知信息融合,从而提升对频谱占用状态的感知能力。其次,针对基于单颗感知卫星数据所设置的模糊测度值准确度受限的问题,并考虑不同仰角的卫星感知能力差异较大,本文研究提出一种基于联盟博弈与模糊积分相结合的协作频谱感知方法。首先设计联盟博弈算法将参与协作感知的卫星划分成多个子联盟,并由各个子联盟的联盟首领参与融合中心的模糊积分融合过程,每个子联盟首领将计算的隶属度函数和模糊测度值发送给融合中心,由融合中心完成模糊积分辅助的感知数据融合,各联盟的模糊测度值根据联盟历史感知数据来设置,从而进一步提高卫星频谱感知性能。最后,考虑实际系统中会同时存在弱的待感知信号和强的干扰信号,强弱共存会导致弱信号难以被感知。针对强弱信号共存场景中弱信号感知难问题,本文研究提出了基于多星协作波束成形的频谱感知方法。研究利用遗传算法从可供选择的卫星编队中选择最优的卫星节点来参与卫星组阵,并以最大化弱感知信号的信干噪比为目标,即使得在强干扰信号方位形成零陷,而在弱感知信号方位形成高增益,实现对接收向量的优化,从而提升对弱信号的感知能力。


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