[01634228]广域协同频谱监测关键技术与应用

随着军队信息化建设的高速发展,电磁环境面临前所未有的复杂性和难测性,无线电频谱的精细化、网格化监测势在必行。面向国家战略发展应用需求,课题组长期致力于广域协同频谱监测基础理论、关键技术与应用研究。相关成果是在国家“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项等国家课题的资助下完成的,合计科研经费2042万元。 面向军事频谱监测的技术挑战和应用需求,研究成果的主要技术创新点如下： 1、面向频谱监测的协同架构与策略 （1）在协同监测阶段,联合考虑监测节点分布密度、感知半径、能量消耗、距融合中心距离等因素影响,提出基于检测的多节点协同监测策略,通过设置本地监测节点的检测结果置信度,选择置信度较高的有限节点参与协同监测并自适应的调整系统参数以满足高动态环境下的实时频谱监测,实现在5节点参与协作、预设虚警概率为0.01时协作增益达到1.6dB以上,且剔除恶意节点和故障节点的正确率大于95%,有效防止恶意节点的攻击和故障节点对监测结果的影响; （2）在协同传输阶段,针对现有协作传输采用中心式协议融合节点数据导致系统时延大、吞吐量低、畅通性弱的缺陷,提出基于感知的分布式协同频谱监测传输策略,选择信道状况较好的节点协同传输频谱数据至融合中心,在信噪比为5dB、协作节点数为4时的系统信道容量可提升1.5倍,打破了传统单节点频谱监测网络的容量瓶颈,实现了频谱大数据的高速传输。 2、极低谱密度协作信号感知与参数提取技术 （1）提出了基于谱对消的稳健信号检测方法,创新性的将傅里叶变换的渐近正态性和相互独立性引入功率谱统计特性计算之中,推导出的理论判决门限只与频谱感知算法的参数配置有关、与节点的噪声方差无关,从而确保高动态噪声不确定度环境下频谱感知的鲁棒性和可靠性,解决了现有信号检测方法的瓶颈。在高斯白噪声、乘性瑞利衰落（Rayleigh Fading）、莱斯衰落（Rician Fading）以及Nakagami-m衰落等多种复杂信道环境下,所提方法具有稳健的检测性能,与现有经典算法性能对比如表1-1所示。通过实际测试表明,所提方法可在-16～0dB的低信噪比范围内能实现精确频谱感知,可满足频段范围大于18GHz、监测周期小于1ms、监测范围大于100平方公里的广域频谱监测需求。 （2）实际的频谱监测的宽频带范围内,目标信号不可能是唯一的,往往会同时出现多个目标信号,因此多信号实时检测成为频谱监测必须解决的难题。针对这一迫切需求,本项目在所提独立算法的基础上进行理论推演,提出了基于归一化谱双向搜索的多信号自适应感知方法,依据感知结果动态调整门限进行循环判决,实现多个目标的实时并行感知。同时,结合多元谱线特征,将调制类型识别种类由常规的7种增加至20种,载波频率、码元速率估计精度误差均小于0.1%。仿真试验表明,所提方法可在100us内可实现1.6GHz频段内不少于32个信号的并行频谱感知,从而满足实际频谱环境下多信号实时检测和分析的应用需求。 （3）针对参与协作节点背景噪声电平差异和异类阴影遮蔽容易导致大部分软/硬协作感知准则失效的严重问题,首次将融合对消谱引入到协作感知检验统计量的设计中,提出基于全局归一化谱的协作感知算法,有效消减噪声电平变化在时域、空域和频域上的效应积累,提升协作感知在不同配置环境下的普适性,并推导出协作感知虚警概率的解析式,确保不同节点判决门限设置的合理性。在信噪比-18dB时信号正确检测概率大于95%、虚警概率小于1%,能够有效对抗背景噪声10dB以上高动态变化对信号感知性能的影响。 3、基于频谱感知的时/频/能多域联合精确定位方法 （1）针对TDOA、FDOA、GROA时/频/能多域联合定位所面临的高复杂度非线性定位方程求解难题,创新性的推导出了基于加权最小二乘思想的代数闭式解算法,进而给出了高收敛性粒子群精确迭代算法,并对算法复杂度进行了优化;基于协同思想的联合定位要求参与的协同节点之间保持高精度、高稳定性的时钟同步,这是决定定位成败的关键因素。针对此问题,本项目创新性地提出了基于授时激励三次握手协调的同步控制机制,通过同步窗对授时信标的高稳定锁定,有效纠正了误差较大的授时信标。实际测试表明,所提方法将节点间时钟同步误差以大于80%的概率控制在15ns以内,突破了精确测距定位体制的实用化难题。 （2）针对监测节点位置模糊误差引起定位性能急剧恶化的难题,在TDOA与GROA多目标联合定位中,提出了两种基于加权最小二乘WLS的节点位置误差校准算法;同时在TDOA与FDOA多目标联合定位中,首次提出了多信号联合被动定位与节点误差同步消除优化算法;通过定理证明,所提出方法面向多目标混合定位时,定位精度可达到克拉美罗下界CRLB;同时验证了监测节点位置模糊误差消除可获得3-4dB性能提升。所提方法正推广应用于高低轨卫星联合的地面目标被动定位系统,在被动定位的同时实时校准卫星高速运动引起的星历位置及速度误差。