导航通信探测一体化信号设计探究

张超

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摘要：目前，随着互联网科技的不断发展，我国通信技术已经达到海陆空领域无障碍交流的程度。海陆空环境中一旦出现天气或意外因素影响，导航容易受到噪声干扰，导致出现目标距离判定失败、信息传输时延以及定位失误等问题，严重影响海陆空整体运行的稳定性和安全性。针对上述通信问题，在接收到传播信号时，对导航信号进行滤波是非常有必要。由于信号中存在过多杂质及多种因素影响，因此，加强导航通信探测一体化信号设计十分重要。基于此，本篇文章对导航通信探测一体化信号设计进行研究，以供参考。

关键词：导航通信探测；一体化；信号设计

引言

随着电子系统向信息化和智能化发展，新一代多功能一体化电子系统通过共用信号、信道、天线、数据处理等硬件和软件资源以实现多功能共用，成为国内外学术界和工业界的研究热点。通过选择阵列天线、调制相位、载波和天线发射信号置换选择调制通信信息，增加了通信信息量，且雷达分辨率接近于等孔径宽带雷达。文献采用多子脉冲OFDM信号实现雷达通信一体化，并提出了基于通信信息补偿和解相干处理的目标距离和速度超分辨估计算法。对于一体化信号系统，部分一体化系统利用阵列空间几何结构，通过多正交信号的线性加权将通信信息嵌入其旁瓣方向图幅度或（和）相位中。基于此，本文探究导航通信探测一体化信号设计研究。

1通信导航定位一体化技术

雷达通信一体化发展，随着AUV、UUV等无人潜航器的发展，对提供导航定位服务的同时，实现通信一体化的需求越来越迫切。但系统与雷达相比有许多难点，如水下声学信号传输具有带宽窄、基线间距小、传播速度慢、信道复杂等明显的劣势，对基于的通导一体化研究非常不利。为了满足水下信息透明等强烈需求，在诸多国内外学者的努力下，基于的一体化技术也取得了较大进展。随着水下任务模式的演变，潜艇、水下UUV等平台已经从“单平台”向“网络化”协作模式演进。相比单体无人潜航器的信息共享方式，进行多水下平台一体化集成时还需考虑模型的适用性和有效性。研究了基于时分复用的水下通信网络方案，使用MOOSpub/sub进行应用集成，研究了自主水下机器人集群在网络结构约束条件下的合作定位算法。提出了一种考虑通信时延的多UUV极地协同导航算法，跟随UUV根据领航UUV发送的信息和超短基线(USBL)声学定位测量的相对位置，修正自身位置和状态，实现高精度导航。一体化设计是水下网络系统向集成化、信息化、智能化发展的必经之路。在一体化网络系统研究方面，提出了一种支持水下通信、定位与导航一体化组网系统，其基于换能器通导一体化、兼容主被动的水下定位技术等，利用通信定位一体化潜标等关键设备提供高精度定位与导航信息，系统可具备最大100km2海域范围内的定位导航和400km2范围内的通信能力。

2通信感知一体化干扰问题概述

ISAC技术面临电磁环境中复杂多变的干扰问题，包含恶劣环境下引入的杂波、多基站多小区通信时带来的多用户之间的干扰、发射机信号泄露带来的自干扰等。此外，ISAC技术在波形设计、收发机设计、信号处理算法等方面的紧密耦合，使感知子系统和通信子系统之间相互影响、相互制约，一方面，降低了网络的吞吐量，影响系统的峰值速率；另一方面，降低了雷达探测的动态范围，削弱系统的定位精度和覆盖能力。ISAC技术可以从资源和功能2个层面实现一体化，分为3种不同的实现模式，分别为资源独立，功能一体化；功能独立，资源一体化和资源功能一体化。感知信息中包含的信道状态信息有助于提高通信网的广域覆盖能力，同时通过通信链路获取感知目标的先验信息，实现功能上的一体化。融合不同层次的资源共享形式可以提高频谱资源和设备资源的利用效率，实现资源一体化。综合以上2种模式，为进一步实现同频谱、共设备、功能融合，在一体化平台上利用不同波束或相同波束不同旁瓣实现通信和感知双功能。资源独立，功能一体化模式中通信和感知过程独立运行并将无线环境的估计结果进行共享，增加了接收机解调期望信号的复杂度。当发射的感知信号无法被通信接收机识别并消除时，误码率增大，通信性能降低，还可能会出现虚假目标影响感知精度。功能独立，资源一体化模式在共享频谱资源和硬件平台的同时，通信和感知子系统在波形设计、收发机设计和信号处理等方面仍然独立运行，此时通信链路和感知链路资源域的紧耦合造成了通信和感知互相干扰的局面。资源功能一体化模式以空口技术为核心，联合网络架构和硬件架构在一体化平台上实现感知和通信功能的互惠共存，但是也更易造成通信信号的非期望接收和感知回波解码困难。通信数据和空口参数等信息的非期望接收，不仅会出现虚假目标使检测概率下降，还会使通信吞吐量受损。因此，需要更加智能高效的干扰管理技术以提升通信感知一体化系统性能。

3导航通信探测一体化信号设计

3.1一体化性能度量准则

依据导航、通信和探测各自的性能准则所得到的评估指标形式各异、不能互相替代。因此，一体化信号设计实际上是在进行多目标优化，为了使一体化信号优化问题具有可以操作的目标函数，可以采用加权方法导出性能统一度量函数直接采用上述优化指标存在若干困难。首先，由于不同的指标之间的量纲难以统一，上述优化问题很难直接确定权值。其次，加权系数wi实质上决定了一体化信号对于不同功能的侧重，单一功能都期望获得较大的权重以尽可能提升性能，但如何平衡多个功能是一件富有挑战性的任务。因此，本文提出归一化性能损失用于一体化信号的性能度量。具体来说，由于采用了一体化信号设计，相比于单一功能优化，所设计的信号势必在某些性能上会有所下降，可以认为加权系数的大小表征了信号设计者或系统使用者愿意付出的单一性能下降的代价.基于这一视角，在动态变化场景或者复杂应用场景中，可以引入经济学思想，从而为系统设计者解决权值的确定问题。对于任何一种功能，愿意为其性能不同的下降水平付出不同的成本，例如当通信性能下降20%时，可能只是画面或声音变得不清晰，这种服务质量的降低尚在承受范围之内，但是通信性能下降超过30%可能无法保证其服务，此时就愿意付出较高成本维持性能。

3.2一体化信号设计约束

对于现有常见的射频硬件，高PAPR的基带波形可导致射频功率放大器效率降低，并可能引起信号失真，导致系统性能恶化.为了解决多载波信号峰均比过高带来的问题，一方面可以设计具有大动态范围的线性射频功率放大器，或者采用功率回退、预失真、包络跟踪等技术对功放的线性范围和效率进行优化。另一方面，也可以从信号设计角度进行改进，针对基带信号进行处理以降低峰均比，从而提高功放效率、减小功放的设计难度和降低射频链路的硬件要求。

结束语

通信导航定位一体化技术同时具备通信、导航定位功能，是技术向集成化、一体化发展的主要趋势。1）通过回顾雷达通信一体化技术发展历程，梳理一体化技术的研究成果和产品，结合应用场景对一体化技术的发展趋势进行了分析和讨论；2）重点研究了一体化技术的2个关键点：系统结构的一体化和信号体制设计；3）对一体化技术在多用户集群编队、测控和靶场建设方面的应用进行了分析。

参考文献

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