5G移动通信旨在适应更多的应用场景,与2G/3G/4G网络相比,用更多维度的指标去描述,全新的生态系统,成为通信领域的研究热点,随着国家天地一体化信息网络重大项目的推进,低轨移动通信星座备受关注。主要从体系架构融合和地面5G技术适应性等方面进行分析,提出了低轨移动通信星座系统的网络架构、协议设计以及空口传输体制,对我国未来要建设的天地一体化信息网络具有一定的参考意义。

大规模相控阵系统天线数量数以万计,推广使用受系统开发时间长、外场升级不便和成本过高等因素的制约。提出了一种通用且可应用于不同阵列规模的接收组件实现方案,从射频输入,数字波束形成,最终通过光纤接口传输数据。详细描述了接收组件的硬件架构与接口的设计与实现,对工程应用以及测试结果进行了分析。测试结果表明,新型相控阵接收组件体积小、功耗低、性能指标高、可扩展性强,满足大规模相控阵系统的需求。

协议作为网络高效运行的关键,需要与具体网络环境、应用服务相适应。卫星通信网络与地面网络运行环境存在较大差异,天地一体化网络协议在设计时需要充分考虑到天基网络与地面网络的差异性,借鉴国内外空间信息网络协议体系的最新研究成果,结合我国天基网络特点,提出了适用于我国天地一体化网络的增强空间融合协议体系,在该协议体系下异构卫星网络的用户可直接通过天地一体化网络实现业务互通。

随着5G网络服务带宽需求的快速增长,网络对超高精度时间同步的需求不断增加。在5G网络中,基站需要实现准确的时间同步,保证通信质量。为了保持5G网络的准确时间,提出了一种基于光载无线网络的卫星地面基站与软件定义光网络控制器的时间同步系统,优点是大幅度提高地面基站时间同步的准确性。介绍了基于软件定义的光载无线网络,给出了基于上述架构的时间同步方案。仿真结果表明,相对于传统时间同步方案,所提出的时间同步系统具有更小的偏置误差,可以提供更高的时钟同步精度。

天地一体化网络中,星基网络具有时变性,从而导致天地一体化网络难以采用传统地基网络体系完成终端管理。针对这一问题,提出低轨卫星或天基终端发生移动时主动更新位置信息,由低轨卫星充当天基终端的移动接入网关(MAG),由高轨卫星组成的网络充当天基网络的移动性管理代理(MMA),移动终端和低轨卫星的移动性控制信息由基于Pub/Sub的模型来管理,以维护MAG之间和MAG与地面网关(GW)之间的隧道,从而减少星间移动性管理消息交互和移动过程对传统PMIP网络的LMA和HA的依赖,提升了移动性管理的效率和可靠性。仿真结果表明,与传统MIP相比,基于Pub/Sub模型的天地一体化网络移动性管理方法以少量信令开销为代价,取得了传输时延方面的明显优势。

针对在低信噪比情况下16APSK信号频偏捕获困难的问题,讨论了一种结合Kalman滤波和最大似然估计的非数据辅助频偏估计算法。该算法对包含载波频偏信息的相位序列进行最大似然频偏估计,通过Kalman滤波,降低了噪声对估计精度的影响。对结合Kalman滤波和最大似然估计的16APSK频偏估计算法进行了仿真。仿真结果表明,在低信噪比条件下,结合Kalman滤波的最大似然频偏估计算法可获得良好的性能。

物联网技术在海洋工程、航运和船舶跟踪等领域发挥着重要的作用。天基物联网是物联网技术在空间领域的延伸,是卫星通信与新兴物联网技术的融合,将大大促进空天地一体化网络的发展。针对天基物联网的应用需求,面向海上机器与机器(M2M)通信系统,设计了一种新型非正交多载波调制方案。该方案可提高传输速率,降低频偏的敏感度,适合大范围的数据通信环境。分析与仿真结果表明,提出的机制可有效抑制子载波间的非正交性导致的子载波间干扰(ICI),满足目标误比特率(BER)条件,获得与子载波正交时类似的性能,实现高速数据传输速率,保证了系统的可靠性。

纹理映射能够用较小的代价实现很强的图形绘制真实感,随着图形处理器的并行度提升,纹理映射需要的存储带宽成为图形处理器设计的瓶颈。通过分析不同纹理过滤模式下纹素访问的特性,基于Quad并行的二维光栅化及纹理映射流程,设计实现了一种多端口多Bank非阻塞的二维纹理Cache。仿真结果表明,该纹理Cache的命中率在85%以上,发生阻塞的概率在10%以内,可以满足高性能纹理贴图的存储带宽需求。

针对卫星载荷资源有限、星间通信链路动态断续的特点,在分布式星群组网过程中引入Chord模型,以解决卫星动态组网与管理。针对传统Chord算法可能导致的查询效率低、拓扑结构变动反馈不及时等问题,结合卫星运行的周期性,参考历史路由信息,提出FM-Chord算法,并将该算法与传统Chord算法进行仿真比较。仿真结果表明,FM-Chord算法在星基应用进行资源定位和路由维护过程中,提高了查询效率和路由表的更新速率。

由于海洋表面微波散射情况复杂,强海洋杂波的后向散射往往高于舰船,导致传统舰船检测算法适应能力有限,已经难以满足现阶段舰船智能检测的需求。针对上述问题,将卷积神经网络(CNN)应用于SAR海上舰船目标检测。选取高分辨率Terra SAR-X与低分辨率Sentinel-1A卫星SAR图像。通过SAR仿真分析了不同分辨率下海杂波的特点,据此分析了针对SAR图像的CNN网络结构设计的基本需求。通过分辨率归一化制作混合数据的训练样本集,在Faster-RCNN框架下设计并构建了一个仅3层卷积神经网络用于特征学习,以防止模型过拟合。实验选择了4种不同海洋杂波环境的宽幅SAR图像进行测试,均获得了较好的检测结果。表明提出的多分辨率归一化方法结合卷积神经网络的SAR舰船检测模型具有一定的应用潜力。

基于分簇结构的MANET网络不依赖固定基础设施即可以实现动态组网与数据传输,可以通过跨簇节点实现大规模组网。对分簇组网协议与算法进行了分析与介绍,在此基础上基于最大连接度算法提出了一种解决分簇组网中跨簇处理的双信道跨簇策略。最大连接度算法能够在保障网络的稳定性的同时提高跨簇通信的效率,双信道跨簇处理有利于实现网络的分层管理与控制,组成与逻辑关系一致的实体网络,网络之间在保持通联的同时具备较高的独立性,传输效率更高。

传统的舰船检测方法主要包括恒虚警检测(CFAR)和机器学习类算法,其中CFAR舰船检测容易受噪声影响,检测结果过分依赖参数与海杂波模型的选择,准确率低并且鲁棒性较差。简单的阈值判定方法由于特征单一,对舰船目标描述性较差,机器学习算法需要对已有数据库中舰船数据进行训练,准确度较高但检测周期过长,更新较慢,无法满足现代战争的快速反应、实时更新的需求。提出一种基于多特征融合的自学习算法,对感兴趣目标提取形态学、灰度和轮廓等多种特征,通过对多特征阈值判定方法对相似舰船目标进行检测,可实现对战场突发状况与未知目标快速反应能力的同时保证较高的检测准确率。实验结果表明,提出的检测算法相比传统方法的查全率提高了10%,虚警率降低了4%,并且实现了单幅运行时间的大幅度缩减。

传统测向方法着重依靠于惯性导航系统(INS),INS的隐藏性和稳固性优良,但其测量误差会随时间推移而累加,不适用于长时间测量。利用卫星导航接收机对载体测向能很好地弥补INS的缺陷。为满足多天线或卫星导航接收机对载体进行实时测向的要求,测向技术是采用载波相位作为观测量的差分定位技术。通过模糊度最小二乘去相关平差法即LAMBDA算法与加权最小二乘法计算,得到双差整周模糊度与实时差分定位结果。着重讨论对载体测向的过程中应用LAMBDA算法求解载波相位整周模糊度的流程,通过构造观测方程实现载体相对位置的解算,编写Matlab程序对测向算法进行仿真,得到偏航角标准差为0.027°;俯仰角标准差为0.077°。仿真结果表明,卫星导航测向接收机稳定工作后,满足对载体测向的需求。

月基合成孔径雷达(Lunar Synthetic Aperture Radar,Lunar-SAR)能在较短的观测周期获得全球性的大尺度观测图像,其概念自被提出之后便引起了广泛的讨论和研究。介绍了月基SAR与传统星载、机载SAR的不同,分析了超长传输距离、月球半径、天体章动和平动等因素带来的影响,结合实际地月相对运动参数完成了月基SAR回波信号仿真。对回波仿真数据进行BP成像,成像结果验证了月基SAR的可行性。对本研究的贡献以及未来研究方向进行了总结。

针对当前高速公路信息预警的需求及传统信息传输路由协议存在的传输时延大、网络性能差等问题,提出一种基于实时丢包率估计与最短时延优先的车联网(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)路由协议。提出实时丢包率估计算法,从而提高网络传输的准确率;在方向性广播转发路由技术的基础上,从后方行驶的车辆中选择传输时延为最小的节点作为网络信息传输的转播节点,从而协议在保证危险区域内都能够接收到预警信息的前提下减少节点转播的数量。通过NS-3仿真结果表明,该算法可降低传输时延,并提高信息传输的准确率。

为提高获取数据的容量和可靠性,运载火箭遥测系统、卫星测控系统和卫星有效载荷数传系统等各类遥测系统越来越多地采用存储器实时记录存储遥测数据。针对遥测系统实时存储数据容量大、读写速度快、可靠性要求高和使用环境苛刻等要求,提出采用Flash芯片作为存储介质,通过流水线技术和并行处理技术实现了低速Flash芯片实时可靠存储高速数据的目的,利用无效块管理技术和防误擦除技术提高了高速实时数据存储可靠性。通过对某运载火箭遥测系统记录存储的多次飞行数据分析,该技术能够可靠存储运载火箭在地面测试、主动段飞行、级间分离、再入飞行等各时间段落的1553B总线数据、振动冲击等飞行环境数据以及图像或视频数据,从而为提升运载火箭的飞行能力提供了有力的数据支撑。

在导航系统信号体制设计过程中,广泛引入了单频波多信号分量的设计思想,信号体制的检测性能评估是信号体制设计中不可缺少的环节。基于上述考虑,分析评估了单频波多信号分量信号体制对导航信号检测性能的影响。以时分Alt BOC（TD-Alt BOC）为例,采用理论模型和蒙特卡罗仿真分析了采用1～4个信号分量联合捕获时的检测概率、接收机工作特性（ROC）曲线和平均捕获时间（MAT）。试验结果表明,多信号分量联合检测是一种较好的单载波多信号分量导航信号的检测策略,相对于单信号分量的检测性能,可提高检测灵敏度3～6 dB,降低平均捕获时间5%30%。

针对卫星导航长时间模拟测试中的星座轨道与实际卫星偏差逐渐变大的问题,分析并评估了已有的几种关于星座轨道外推的算法,研究了影响轨道外推的几个要素,提出了基于高精度积分器的星座轨道外推方法并进行了仿真分析。基于北斗多轨道混合星座模拟器的需要,给出了适用于混合星座的轨道外推设计,通过仿真确立了针对混合星座轨道的积分方法,开展了外推验证并与成熟商业星座仿真软件进行了对比分析。结果表明,在保证长时间连续仿真的前提下实现了针对卫星导航模拟器的高精度混合星座轨道外推,精度与STK软件仿真结果相当。

LDPC码是一种具有稀疏性且接近香农极限的线性分组码。目前被广泛应用的LDPC简化算法的译码性能损失较多,译码性能和复杂度折中的算法具有重要价值。对几种已知的译码算法进行了深入研究,提出一种基于变量节点更新改进的最小和算法,该算法与最小和算法、归一化最小和算法复杂度相当,但译码性能得到约0.5 dB和0.2 dB的提高,在中高信噪比区,更加接近LLR-BP算法的性能。

针对有源相控阵体制照射天线在方向图副瓣部分区域能量过低形成凹口,从而影响导弹直波信号的接收的问题,提出了一种平面二维相扫有源相控阵体制照射天线凹口补偿方法。通过分析相控阵天线凹口形成的机理,提出了一种相控阵照射天线的凹口补偿算法,经过仿真比较、实测验证,表明在相控阵照射天线上,该方法能有效补偿天线的凹口。目前该方法已被运用于各类半主动寻的体制的相控阵照射天线中。测试结果表明,利用该方法可有效提高副瓣要求区域凹口能量5～10dB,验证了该方法的可行性。