深空通信超微弱信号检测理论研究

Deep space exploration is the major stratagem of our country. The performance of deep space communications plays an important role in the success of the deep space exploration. The detection of week signal is essential for deep space communications. There is no public result on the theory limit of detected weak signal. The design and joint iterative detection of weak signal in deep space communications based on two dimensions spread spectrum theory would be researched in the project. The communication channel of deep space is modeled and analyzed. The iterative synchronization algorithms and performance would be proposed based on two dimensions spread spectrum. The coherent integral zone definition and the coherent /non-coherent detection of deep space communication signals are studied. The theory limit of process gain and detected weak signal is deduced, and the detection mechanism is established for deep space communications. The deep space communication system is validated through the Star-Ground link verify platform, including the communication link, weak signal detection and performance evaluation. The proposed channel model and the performance of weak signal detection could be improved and validated in practical deep space exploration project of our country. The research could provide scientific basis for system design of deep space communication and telemetry，and also be applied in radar and sonar.

深空探测是我国重大战略发展主题，而深空通信性能则是影响深空探测任务成败的关键因素之一。深空通信中超微弱信号检测是一项十分重要的课题，分析现有文献，深空通信能检测到的超微弱信号的极限是多少，未见报道。本课题拟研究基于二维扩频理论的信号设计和联合迭代检测技术实现深空通信中超微弱信号检测。对深空通信信道进行建模分析，研究深空通信中基于二维扩频的迭代同步算法和性能，对深空通信中超微弱接收信号相干区域的划分以及相干非相干检测进行理论分析，得出扩频处理增益极限，推导目前深空通信工程条件下能检测到的超微弱信号的极值，研究适用于深空通信中的极微弱信号检测机制。基于已有的星地链路验证平台，完成深空通信链路搭建、超微弱信号检测及性能评估的仿真验证。结合我国深空探测任务，完善深空通信信道模型，验证提出的超微弱信号检测方法在实际工程中的性能。研究成果可为深空通信系统设计及测距提供依据，也可应用于雷达、声纳等领域。

深空通信性能是影响深空探测任务成败的关键因素之一。深空通信中超微弱信号检测是一项十分重要的课题，而深空通信能检测到的超微弱信号的极限是多少，未见报道。深空通信可用带宽资源充裕而发射功率有限，深空信道高动态变化，存在大多普勒频移和太阳闪烁等影响因素，采用二维扩频可有效抵抗信道衰落，项目基于该技术研究深空微弱信号检测并分析其性能极限。.项目主要研究内容包括：研究自由空间损耗、近空环境、深空环境对深空通信链路的影响，构造符合深空通信实际情况的衰落信道模型；研究深空通信接收信号的时频同步；利用基于二维扩频技术的时频联合检测信号处理技术研究深空通信衰落信号的检测，并求解检测能力的极值；搭建仿真验证平台，对上述研究进行验证。.项目共发表7篇论文（2篇SCI、3篇EI），申请国家发明专利3项。完成了项目预期研究成果（论文5篇，其中SCI/EI 检索不少于1篇，申请专利2项）。.在本项目中：.1） 确定深空信道为衰落随时间和频率变化、并叠加了高斯白噪声的通信信道。.2） 提出了一种多普勒快速捕获技术，单次搜索M个频点，恒虚警检测条件下，虚警概率1e-5时，该方法存在性能损失，但捕获时间和运算量均可降为传统方法1/M)。该方法可应用DS、DS/FH等系统中需要大频偏快速捕获的场合。.3） 研究了深空通信时频联合同步机制，确立了信道情况未知情况下，使用慢衰落和快衰落下基于部分相关-FFT进行联合同步的技术，可支持极低信噪比及信道衰落情况未知情况下的同步。.4）基于二维扩频时频相干-非相干联合检测技术，得出了深空通信信号检测极限公式，在给定编码调制方式以及确定符号速率下，据公式可得出深空通信能接收的最低功率值。.5）研究了中继转发模式下的最优功率分配，申请了相关发明专利，并发表了学术论文。该研究成果除支持采用中继模式的深空通信系统外，也适用于其它卫星通信网络和地面移动通信等系统。