空间飞行编队之间抗干扰通信关键技术研究

It is necessary to launch multiple space crafts to achieve a desired task. Taditionally, these crafts are only controlled by some a ground station. It is much easier to complete the desired task if we can design a communication system among these space crafts with anti-jamming capacity. In this project, we propose a communication system suitable for mid flight, utilizing propertier of 60GHz frequency band, including directivity of antenna, oxygen decay and wide available bandwidth, and high frequency and power efficiency of continuous phase modualtion technique. There are several key problems as follows: 1) effiective system design; 2) adaptive beamforming access proctocols and beam tracking algorithms suitable for space crafts; 3) sychronization and channel estimation algorithms in fast moving scenes; 4) low-complexity CPM receiver schemes. This project will be of a strategic reference value for the security of state space, moreover, it has practical value.

一次性发射多个空间飞行器以实现某种既定目标具有很大的现实需求。传统多个空间飞行器仅受地面站控制，若能实现多个空间飞行器在飞行中段的实时信息交互，并具有强抗干扰能力，则将大大改善完成任务的准确性。本项目旨在利用60GHz频段的良好天线方向性、极高的氧衰特性和可用宽频带特点，结合连续相位调制(CPM)技术的高谱、功率效率优势，提出了一种适合于多个高速空间飞行器飞行中段抗干扰通信方案。拟解决如下一些关键问题：1）高效通信方案设计；2）适合高速飞行器的自适应波束成形协议及其跟踪方案；3）高速移动场景下的同步与信道估计方法；4）低复杂度高效的CPM接收机方案。本项目的完成将对国家空间安全具有战略参考意义，并极具实用价值。

本项目针对多个同时发射的空间飞行器之间相互协同信息交互，改善飞行器目标任务实施准确度，研究设计了一种具有抗干扰低截获能力的通信波形，探索研究了波束成型、低复杂度恒包络调制以及高速移动场景下的信号同步与信道估计等关键技术。通过项目研究，取得了不限于如下的一些重要成果：.1）结合Laurent分解和逐幸存路径算法，大大减少了CPM相位状态与分支度量计算所需的匹配滤波器数量，从而降低了CPM解调复杂度，尤其针对高阶CPM调制更为明显；.2）在MASSIVE MIMO系统中，信道状态信息对性能影响至关重要。项目组提出了一种基于模式共享的稀疏贝叶斯学习算法来解决FDD下行信道估计问题。为了刻画由不同天线共享的公共稀疏性，项目组设计了一种模式耦合的高斯先验模型。信道矢量系数被分成长度相同的多个组，每一组关联具有同样稀疏性的公共超参数。而且，通过利用期望最大算法，项目组还开发了贝叶斯推断的迭代算法，其中把信道系数作为隐藏变量，而超参数是未知的。因此，所获得的后验信道矢量均值被用于信道估计。结果表明，所提算法性能优于其他同类算法。.3）在基站采用混合波束成形，终端采用模拟波束成形的小区架构中，项目组联合设计了基站端的数字预编码矩阵，模拟预编码矩阵以及用户端的模拟合并矩阵以使得整个系统的吞吐量达到最大，获得了优化的预编码矩阵，提升了系统容量。.4）利用毫米波信道的系数特性，项目组研究了利用波束进行信息调制的新型空间调制方案，研究了解调算法，提高了毫米波传输容量。.5）飞行编队之间距离可能很远，为增加传输距离，项目研究了一种具有恒包络属性的球形调制及其低复杂度解调技术，提出了一些高效解调算法。.以上项目研究成果对解决我国高速飞行编队之间协同通信问题提供了重要理论和工程实践参考依据，为改善我国周边高效防御问题作出了一定贡献。