CN111262617A - 一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，包括目标信号增强、干扰信号抑制和频谱判决三个部分，目标信号增强步骤通过多颗低轨卫星通过组阵使各卫星的导向矢量在目标信号方向同相叠加，以提高低轨卫星对目标信号的接收强度；干扰信号抑制步骤是在保证上述条件下，使组阵卫星形成的方向图的零陷方向对准干扰信号方向，并通过相关算法使方向图零陷方向的接收强度尽可能小，从而最大程度地抑制干扰信号；频谱判决步骤是将卫星组阵后接收到的信号能量与判决门限做比较，并得出相应的正确检测概率。本方法可以有效提高多颗低轨卫星对目标信号进行频谱感知时的接收信干噪比，提升存在干扰信号时对目标信号的感知性能。

Description

一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种基于多星协作的低轨卫星频谱感知方法，属于无线通信技术。

背景技术

随着无线网络需求的增长与不断发展，频谱资源紧缺问题得到了越来越多的关注，认知无线电技术允许非授权用户机会式地使用授权用户的频段，从而可以有效提高频谱资源的利用率，在一定程度上可以缓解频谱资源紧缺的难题。目前随着人们对无线通信要求的提高，仅基于地面网络的无线通信质量已不能满足人们的需求，从而促使了天上网络的快速发展，如天地一体化网路的提出。在天地一体化网络中，提高频谱资源利用率也是一个亟待解决的问题。在天地一体化网络中，会遇到由于传输距离远带来的一些问题。比如，地面网络发送的信号因为远距离的传输会导致星上网络接收到的信号强度值很小，从而会影响星上节点对地面节点的检测性能。

多星协作感知的方式可以克服由于单颗卫星感知性能不佳的问题，卫星编队的方式可以稳固卫星飞行过程中的拓扑结构，从而在一定程度上降低运算复杂度。并且由于地面节点与卫星之间的远距离传输导致的信号大幅度衰落，以及存在干扰信号时，会使得卫星接收的信干噪比值相当低，而波束成形技术可以在提高目标信号接收信号强度的同时，很好的抑制干扰信号。

基于以上观点，这里研究的多星协作的低轨卫星频谱感知，网络系统包括多个卫星感知节点，一个地面干扰节点，一个目标感知信号节点。为了提高卫星感知目标信号时的检测性能，研究基于多星协作和卫星编队波束成形技术相结合的策略来提升卫星频谱感知时的接收信干噪比。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多星协作的低轨卫星频谱感知方法，让M颗低轨卫星以编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星以多星协作的方式对地面上的目标信号进行频谱感知，通过抑制干扰信号，提升对目标信号的感知性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，假设M颗低轨卫星以编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星以多星协作的方式对地面上的目标信号进行频谱感知，通过抑制干扰信号，提升对目标信号的感知性能；该方法包括目标信号增强、干扰信号抑制和频谱判决三个部分，具体步骤如下：

(1)目标信号增强：从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择出N颗低轨卫星利用波束成形技术来感知地面上的目标信号；具体来说，通过控制所选N颗低轨卫星各自的导向矢量在目标信号方向上同相叠加，使所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向，从而提高所选N颗低轨卫星对目标信号的接收信号强度；

(2)干扰信号抑制：在保证所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向的约束条件下，让方向图的零陷方向对准干扰信号，且在零陷方向上让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，从而最大程度地抑制干扰信号；

(3)频谱判决：将所选N颗低轨卫星组阵形成方向图后接收到的信号能量与判决门限值λ做比较：若信号能量大于判决门限值λ，则判断目标信号存在；否则，判断目标信号不存在。

该优化方法将M颗低轨卫星以编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星组阵形成方向图来感知地面的目标信号。在这个过程中，当组阵卫星数N给定时，以最小化方向图零陷方向接收信号增益G_R2为目标，且以方向图主瓣方向对准目标信号方向为约束，从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择N颗低轨卫星以形成所要求的方向图。这一方法能够显著提高组阵卫星接收的信干噪比，从而提高多颗低轨卫星对目标信号进行感知时的性能。

具体的，所述判决门限值λ参考单颗低轨卫星频谱感知的虚警概率p_f设定：

其中：μ为采样点总数，Γ(·)表示伽马函数(Gamma函数)；p_r为概率表示符号，Y为所选N颗低轨卫星组阵形成方向图后接收到的μ个信号取模平方后再求和得到的信号能量值，H₀表示目标信号不存在的状态。当给定虚警概率p_f时，则可以计算出判决门限值λ。

具体的，所述步骤(1)中，当所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向时，则在主瓣方向上产生的增益值为单颗组阵卫星增益值的N²倍；此时所选N颗低轨卫星的平均导向矢量表示为：

其中：

为第n颗低轨卫星的平均导向矢量，

为方位角θ和俯仰角φ的函数；

J₁(·)为第一类一阶球形贝塞尔函数；

j₁(·)为第一类一阶贝塞尔函数；θ_n和φ_n分别为第n颗低轨卫星的方位角和俯仰角，且满足θ_n∈[0,π)，φ_n∈[0,2π)；Q(θ,φ)＝2πβρ₀，

D为低轨卫星的摄动半径，l为波长，

(θ₀,φ₀)为所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣期望方向的方位角和俯仰角，G(θ)＝2πβρ₀(cosθ-cosθ₀)；

γ_n为第n颗低轨卫星距离坐标原点的距离。

具体的，所述步骤(1)中，所选N颗低轨卫星的平均方向图F(φ)表示为：

所选N颗低轨卫星的平均功率方向图S(φ)表示为：

S(φ)＝|F(φ)|²

其中：W_n为第n颗低轨卫星的导向矢量加权值，W_n∈C，C为复数域。

具体的，所述步骤(2)中，当所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向时，所选N颗低轨卫星的导向矢量加权值满足如下条件：

以所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的零陷方向对准干扰信号方向，最小化零陷方向接收信号增益G_R2为目标，以主瓣方向对准目标信号方向为约束，从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择N颗低轨卫星以形成所要求的方向图。

具体的，所述步骤(3)中，设所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号为y，则有：

其中：G_R为单颗低轨卫星的接收增益，n₀为环境噪声；s₁为目标信号节点的发射信号，P_T1为目标信号节点的发射功率，G_T1为目标信号节点的发射增益，h_1n为目标信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_1n为低轨卫星n对目标信号导向矢量的加权系数；s₂为干扰信号节点的发射信号，P_T2为干扰信号节点的发射功率，G_T2为干扰信号节点的发射增益，h_2n为干扰信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_2n为低轨卫星n对干扰信号导向矢量的加权系数；

当所选N颗低轨卫星组阵形成方向图的主瓣对准目标信号方向时，将产生一个N²倍的主瓣增益值；在方向图的零陷方向对准干扰信号时，让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，此时将产生一个G_R2的零陷增益值，则所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号信干噪比为：

其中：

为自由空间传播损耗，K为玻尔兹曼常数，T为噪声源的噪声温度，B为传输带宽。

具体的，所述步骤(3)中，在完成目标信号存在与否的判断后，对多星协作方式的检测概率性能进行评价，以更新判决门限值λ，包括如下步骤：

步骤a：若检测概率性能未满足要求，则计算λ'＝λ+Δλ，进入步骤b；若检测概率性能满足要求，则维持λ不变；Δλ为门限调整值；

步骤b：判断λ'是否超过弱信号强度的k倍：若超过，则维持λ不变；否则，更新λ＝λ'，返回步骤a；

所述检测概率性能p_d通过下式计算：

其中：Q_μ(a,b)为Q函数，γ为信噪比，H₁表示目标信号存在的状态。

本发明假设拓扑结构中总的卫星数为M，在给定参与组阵卫星数N(N＜M)时，以最小化零陷方向接收信号增益G_R2为目标，且以主瓣方向对准目标信号方向为约束，从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择N颗低轨卫星以形成所要求的方向图。在具体实施这个选择算法中，可以首先规定好迭代的次数，以及随机产生初始种群。以迭代次数作为算法终止判决条件，当目前的迭代次数小于给定迭代次数的条件下，通过选择、交叉、变异操作来产生下一代种群，并计算相应个体的适应度值，选择适应度值大的个体作为下一代个体的初始种群，依次循环，直到迭代次数到达给定的值为止，通过这种方法可以得到较优的方向图零陷增益值。

有益效果：本发明提供的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，可以有效提高多颗低轨卫星对目标信号进行频谱感知时的接收信干噪比，提高多个低轨卫星对目标信号进行频谱感知时的性能，提升存在干扰信号时对目标信号的感知性能。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程框图；

图2为本发明中卫星组阵方向图中零陷方向的值随组阵卫星数目变化的曲线图；

图3为本发明中组阵卫星频谱感知时接收的信干噪比随组阵卫星数变化的曲线图；

图4为本发明中组阵卫星频谱感知时检测概率随组阵卫星数变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法实施流程图，其基于已搭建的频谱感知模型，通过增强目标信号的接收信号强度和抑制干扰信号，来提高多星协作感知时的接收信干噪比值。

本发明将M颗低轨卫星按照编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星组阵形成方向图；并引入波束成形技术来感知地面的目标信号。在频谱感知模型中，地面网络存在目标信号和干扰信号两个信号节点，其中目标信号为组阵卫星的感知对象。基于这一感知场景，在N颗低轨卫星组阵形成的方向图中，使方向图的主瓣对准目标信号方向，即在目标信号方向使各组阵卫星的导向矢量同相叠加，并使方向图的零陷方向对准干扰信号，以此来提高组阵卫星的接收信干噪比，从而提高多颗低轨卫星对目标信号的感知性能。该方法包括目标信号增强、干扰信号抑制和频谱判决三个部分，下面就各个部分加以具体说明。

一、目标信号增强

频谱感知的模型是基于多颗低轨卫星共同协作来感知地面存在干扰信号时的目标信号这一场景提出的。本案采用的多星协作的方法为：M颗低轨卫星以编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星组阵形成方向图，利用波束成形技术使所选N颗低轨卫星各自的导向矢量在目标信号方向上同相叠加，即让所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向，从而提高所选N颗低轨卫星对目标信号的接收信号强度。

当所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向时，则在主瓣方向上产生的增益值为单颗组阵卫星增益值的N²倍。

二、干扰信号抑制

在保证所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向的约束条件下，让方向图的零陷方向对准干扰信号，且在零陷方向上让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，从而最大程度地抑制干扰信号。

当所选N颗低轨卫星组阵形成方向图时，这N颗低轨卫星的平均导向矢量表示为：

所选N颗低轨卫星的平均方向图F(φ)表示为：

所选N颗低轨卫星的平均功率方向图S(φ)表示为：

S(φ)＝|F(φ)|²

所选N颗低轨卫星的导向矢量加权值满足如下条件：

其中：

为第n颗低轨卫星的平均导向矢量，

为方位角θ和俯仰角φ的函数；

J₁(·)为第一类一阶球形贝塞尔函数；

j₁(·)为第一类一阶贝塞尔函数；θ_n和φ_n分别为第n颗低轨卫星的方位角和俯仰角，且满足θ_n∈[0,π)，φ_n∈[0,2π)；Q(θ,φ)＝2πβρ₀，

D为低轨卫星的摄动半径，l为波长，

(θ₀,φ₀)为所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣期望方向的方位角和俯仰角，G(θ)＝2πβρ₀(cosθ-cosθ₀)；

γ_n为第n颗低轨卫星距离坐标原点的距离；W_n为第n颗低轨卫星的导向矢量加权值，W_n∈C，C为复数域。

计算所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号y为：

其中：G_R为单颗低轨卫星的接收增益，n₀为环境噪声；s₁为目标信号节点的发射信号，P_T1为目标信号节点的发射功率，G_T1为目标信号节点的发射增益，h_1n为目标信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_1n为低轨卫星n对目标信号导向矢量的加权系数；s₂为干扰信号节点的发射信号，P_T2为干扰信号节点的发射功率，G_T2为干扰信号节点的发射增益，h_2n为干扰信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_2n为低轨卫星n对干扰信号导向矢量的加权系数。

当所选N颗低轨卫星组阵形成方向图的主瓣对准目标信号方向时，将产生一个N²倍的主瓣增益值；在方向图的零陷方向对准干扰信号时，让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，此时将产生一个G_R2的零陷增益值，则所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号信干噪比为：

其中：

为自由空间传播损耗，K为玻尔兹曼常数，T为噪声源的噪声温度，B为传输带宽。

拓扑结构中总的卫星数为M，组阵卫星数为N(N＜M)，以最小化零陷方向接收信号增益G_R2为目标，且以主瓣方向对准目标信号方向为约束，从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择N颗低轨卫星以形成所要求的方向图。在具体实施这个选择算法中，首先规定好迭代的次数，以及随机产生初始种群。以迭代次数作为算法终止判决条件，当目前的迭代次数小于给定迭代次数的条件下，通过选择、交叉、变异操作来产生下一代种群，并计算相应个体的适应度值，选择适应度值大的个体作为下一代个体的初始种群，依次循环，直到迭代次数到达给定的值为止，从而得到较优的方向图零陷增益值。

如下图2所示为采用上述算法条件下，组阵卫星形成的方向图的零陷值随组阵卫星数目变化的曲线图。由图2可知，方向图的零陷值随组阵卫星数的增多呈递减趋势，即组阵卫星数越多，方向图对干扰信号的抑制能力越强。图3为组阵卫星接收信号的信干噪比随组阵卫星数的变化曲线，由图3可以看出，当参与组阵的卫星数越多时，组阵卫星形成的方向图接收到的信干噪比值越大。并以能量检测算法为例，由能量检测算法中检测概率与信干噪比之间的关系以及此处信干噪比与组阵卫星数之间的关系可以间接画出检测概率随组阵卫星数的变化曲线，如图4所示。由图4可以看出，组阵卫星频谱感知的检测概率随组阵卫星数的增多逐渐增大，此处频谱感知性能的提高是通过提高信干噪比实现的。

三、频谱判决

将所选N颗低轨卫星组阵形成方向图后接收到的信号能量与判决门限值λ做比较：若信号能量大于判决门限值λ，则判断目标信号存在；否则，判断目标信号不存在。

在完成目标信号存在与否的判断后，对多星协作方式的检测概率性能进行评价，以更新判决门限值λ，包括如下步骤：

步骤a：若检测概率性能未满足要求，则计算λ'＝λ+Δλ，进入步骤b；若检测概率性能满足要求，则维持λ不变；Δλ为门限调整值；

步骤b：判断λ'是否超过弱信号强度的k倍：若超过，则维持λ不变；否则，更新λ＝λ'，返回步骤a；

所述检测概率性能p_d通过下式计算：

其中：Q_μ(a,b)为Q函数，γ为信噪比，H₁表示目标信号存在的状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：假设M颗低轨卫星以编队的方式形成一定形状的拓扑结构，从中选择N颗低轨卫星以多星协作的方式对地面上的目标信号进行频谱感知，通过抑制干扰信号，提升对目标信号的感知性能；该方法包括目标信号增强、干扰信号抑制和频谱判决三个部分，具体步骤如下：

(1)目标信号增强：从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择出N颗低轨卫星利用波束成形技术来感知地面上的目标信号；通过控制所选N颗低轨卫星各自的导向矢量在目标信号方向上同相叠加，使所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向，从而提高所选N颗低轨卫星对目标信号的接收信号强度；

(2)干扰信号抑制：在保证所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向的约束条件下，让方向图的零陷方向对准干扰信号，且在零陷方向上让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，从而最大程度地抑制干扰信号；

(3)频谱判决：将所选N颗低轨卫星组阵形成方向图后接收到的信号能量与判决门限值λ做比较：若信号能量大于判决门限值λ，则判断目标信号存在；否则，判断目标信号不存在。

2.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述判决门限值λ参考单颗低轨卫星频谱感知的虚警概率p_f设定：

其中：μ为采样点总数，Γ(·)表示伽马函数；p_r为概率表示符号，Y为所选N颗低轨卫星组阵形成方向图后接收到的μ个信号取模平方后再求和得到的信号能量值，H₀表示目标信号不存在的状态。

3.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述步骤(1)中，当所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向时，则在主瓣方向上产生的增益值为单颗组阵卫星增益值的N²倍；此时所选N颗低轨卫星的平均导向矢量表示为：

其中：

为第n颗低轨卫星的平均导向矢量，

为方位角θ和俯仰角φ的函数；

J₁(·)为第一类一阶球形贝塞尔函数；

j₁(·)为第一类一阶贝塞尔函数；θ_n和φ_n分别为第n颗低轨卫星的方位角和俯仰角，且满足θ_n∈[0,π)，φ_n∈[0,2π)；Q(θ,φ)＝2πβρ₀，

D为低轨卫星的摄动半径，l为波长，

(θ₀,φ₀)为所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣期望方向的方位角和俯仰角，G(θ)＝2πβρ₀(cosθ-cosθ₀)；

γ_n为第n颗低轨卫星距离坐标原点的距离。

4.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所选N颗低轨卫星的平均方向图F(φ)表示为：

所选N颗低轨卫星的平均功率方向图S(φ)表示为：

S(φ)＝|F(φ)|²

其中：W_n为第n颗低轨卫星的导向矢量加权值，W_n∈C，C为复数域。

5.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述步骤(2)中，当所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的主瓣对准目标信号方向时，所选N颗低轨卫星的导向矢量加权值满足如下条件：

以所选N颗低轨卫星组阵形成的方向图的零陷方向对准干扰信号方向，最小化零陷方向接收信号增益G_R2为目标，以主瓣方向对准目标信号方向为约束，从M颗低轨卫星形成的拓扑结构中选择N颗低轨卫星以形成所要求的方向图。

6.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述步骤(3)中，设所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号为y，则有：

其中：G_R为单颗低轨卫星的接收增益，n₀为环境噪声；s₁为目标信号节点的发射信号，P_T1为目标信号节点的发射功率，G_T1为目标信号节点的发射增益，h_1n为目标信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_1n为低轨卫星n对目标信号导向矢量的加权系数；s₂为干扰信号节点的发射信号，P_T2为干扰信号节点的发射功率，G_T2为干扰信号节点的发射增益，h_2n为干扰信号节点与低轨卫星n之间的信道增益，W_2n为低轨卫星n对干扰信号导向矢量的加权系数；

当所选N颗低轨卫星组阵形成方向图的主瓣对准目标信号方向时，将产生一个N²倍的主瓣增益值；在方向图的零陷方向对准干扰信号时，让所选N颗低轨卫星各自的导向矢量尽最大可能地反向相消，此时将产生一个G_R2的零陷增益值，则所选N颗低轨卫星组阵后接收到的信号信干噪比为：

其中：

为自由空间传播损耗，K为玻尔兹曼常数，T为噪声源的噪声温度，B为传输带宽。

7.根据权利要求1所述的基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在完成目标信号存在与否的判断后，对多星协作方式的检测概率性能进行评价，以更新判决门限值λ，包括如下步骤：

步骤a：若检测概率性能未满足要求，则计算λ'＝λ+Δλ，进入步骤b；若检测概率性能满足要求，则维持λ不变；Δλ为门限调整值；

步骤b：判断λ'是否超过弱信号强度的k倍：若超过，则维持λ不变；否则，更新λ＝λ'，返回步骤a；

所述检测概率性能p_d通过下式计算：

其中：Q_μ(a,b)为Q函数，γ为信噪比，H₁表示目标信号存在的状态。

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