面向空间信息网络的分布式水声信号协同处理机理研究与演示验证

This project will construct a marine buoy network system based on satellite networking with buoys as relay elements and network nodes, make full use of the mature service capabilities of the overwater space information network to provide continuous support for underwater space and time, realize cross-domain communication and information transmission, and truly complete the comprehensive coverage for the integration of space and sea. The project focuses on the wide-area distributed MIMO underwater acoustic channel modeling, and inverting the real-time distribution and change trend of underwater acoustic channel in key sea areas combing the model of real-time prediction on marine environment. The project will also study the wide-area distributed dynamic adaptive networking mechanism and routing protocol for marine cross-domain spatial information network, propose a cooperative communication, detection and positioning method for wide-area distributed MIMO underwater acoustic system with significant cooperative processing gain, optimize the transmission performance and reliable coverage of underwater information network, and then provide theoretical and technical support for underwater communication, detection and positioning system. The project will put forward the design scheme of the buoy of the sea gateway node based on underwater acoustic/satellite communication and the sea test scheme of the function test for the marine cross-domain.

本项目以浮标为中继基元与网络节点构建基于卫星组网的海上浮标网络体系，充分利用水上空间信息网络完备成熟的服务能力为水下提供时空连续支撑能力，实现海洋跨域通信及信息传输，真正完成天临空地海一体化的全域立体覆盖。项目重点研究广域分布式MIMO水声信道建模，并结合海洋环境实时预测预报数值模型，反演重点海域水声信道实时分布及变化趋势。项目还将研究面向海洋跨域空间信息网络的广域分布式动态自适应组网机制及路由协议，提出具有显著协同处理增益的广域分布式MIMO水声系统的协作通信、探测、定位方法，优化水下信息网络的传输性能及可靠覆盖，为水下新型通信、探测、定位系统的研制提供理论与技术支持。项目将提出基于水声/卫星通信的海上网关节点浮标设计方案及海洋跨域空间信息网络功能测试的海试方案，完成海上实验验证。本项目的顺利完成将实现空间信息网络重大研究计划大时空跨度网络体系结构在水下的延伸拓展，真正实现全域立体覆盖。

现代信息系统的竞争已经由单一平台对抗走向体系对抗，未来信息化战场将是天、临、空、地、海、潜多维一体的联合作战。本项目面向天临空地海一体化空间信息网络全域保障国家海洋权益，研究面向空间信息网络的分布式水声信号协同处理机理与方法，为天临空地海一体化组网的提供重要的技术支撑，实现空间信息网络对海域的延伸，对海洋全域保障和国家海洋权益维护具有重要的战略意义。 .项目构建了不同海洋环境下广域分布式MIMO水声信道模型，有效支持广域分布式水声系统的仿真验证。通信部分明确了基于广域分布式水声通信系统的总体架构，对广域分集水声通信系统的关键技术进行详细研究，运用位同步和帧头检测技术，模糊函数多普勒估计及插值补偿技术，判决反馈信道均衡技术以及最大信干比分集合并技术，实现了水声信号波形级合并。仿真和湖试试验表明，广域分布式水声协同通信系统比点对点通信能够获得较大的处理增益。探测部分主要从压缩感知，神经网络两个方面进行水下目标DOA估计。基于压缩感知的DOA估计实现了低信噪比低快拍等条件下的多目标高分辨方位估计。基于神经网络的DOA估计，从实验结果可以看出RBFNN具有一定排除噪声干扰的能力。定位部分通过MUSIC算法对多个接收阵列分别进行DOA估计后通过分析目标节点与方位角、俯仰角之间的几何关系，运用最小二乘法和粒子群智能优化算法进行信息融合。不同信噪比情况下粒子群算法定位误差明显小于最小二乘法。组网部分研究了基于空洞规避的大规模移动水下传感器网络路由协议、基于时空复用的冲突域感知MAC协议、基于海洋浮标的分布式跨介质通信网络等组网协议。浮标设计部分研制具备卫星与水声通信能力的漂泊式海上网关节点浮标，作为海上浮标网络体系的基础。经测试，软件、硬件运行良好。.本项目基于卫星组网的海上浮标网络架构，开展天临空海信息网络与广域分布式浮标节点相结合的水下协作通信探测定位导航等方法研究，为水下新型探测、通信、导航定位系统研制提供理论与技术支撑。