引言

通信感知一体化作为新兴的无线技术范式，已被学术界和产业界普遍视为第六代（6G）移动通信系统的核心使能技术之一[1]。相较于传统通信与感知系统独立部署的方案，通感一体化通过共享无线基础设施、信号处理单元以及频谱和能量资源，实现了通信与感知功能的深度协同。这种一体化设计不仅能够显著降低硬件部署成本，更能通过通信与感知的互信息共享与功能互补，实现系统整体性能的协同提升。特别值得指出的是，随着毫米波/太赫兹频段的开发利用以及大规模多输入多输出技术的突破，6G网络将有望同时达成亚米级的高精度环境感知与超Gbps量级的高速数据传输，为智能网联、数字孪生等新兴应用场景提供关键技术支持。

多天线技术作为通感一体化系统的关键使能技术，已在现有研究中得到广泛探索和应用[2-8]。具体而言，文献[2]和文献[6]针对多天线多用户通感一体化系统，提出了创新的联合发射波束成形设计方案，通过协同优化专用感知波束和信息波束，文献[2]显著提升了系统感知自由度，而文献[6]则实现了安全通信性能的增强。在理论分析方面，文献[3]开创性地建立了多输入多输出通感一体化系统的性能权衡框架，通过克拉美-罗下界量化感知精度，并结合通信容量指标，系统性地刻画了系统的基本性能极限。进一步地，相关研究已拓展至更复杂的应用场景，包括网络化通感一体化系统中的协同波束成形设计[4]，以及集成感知、通信与无线传能的三功能一体化方案[5]。然而需要指出的是，现有研究主要聚焦于地面无线网络中接入点的发射端设计，这种架构在实际部署中可能面临感知范围受限和通信覆盖不足的挑战。

近年来，基于无人机平台和低轨卫星的天基基站技术为拓展通感一体化服务覆盖提供了创新性解决方案[9]。这类平台凭借其独特的空间优势，能够与地面用户建立高概率视距传输链路，具备三维立体覆盖能力[10-12]。相较于传统地面通感一体化系统易受建筑物、地形等障碍物影响而导致覆盖范围受限的缺陷，这种空对地通感一体化架构能够通过建立视距链路有效保证通信和感知性能。

现有研究已对无人机使能通感一体化系统进行了开创性探索[13-17]。文献[13]~文献[15]对无人机系统波束成形优化问题展开研究，在满足感知性能要求的前提下最大化用户可达速率。针对单无人机在尺寸、重量和功率方面的固有局限[16]，文献[17]创新性地研究了多无人机协作通感一体化系统，通过联合优化无人机部署和功率分配策略，在保证通信质量的同时最大化目标区域的最小检测概率。尽管无人机网络具备快速响应和灵活部署的特点，但其有限的续航能力和覆盖范围仍然制约着实际应用效果。

相较于无人机网络，卫星星座可以对全球三维空间实现无缝覆盖，并具有更长的工作时间，卫星通感一体化系统目前得到了广泛关注[17-21]。其中，文献[17]和文献[18]对卫星技术和6G天地一体化发展进行了总结，并对卫星通感一体化方案、波形设计等技术进行了讨论和展望。文献[19]则更关注卫星使能的通感一体化系统的架构和性能指标，并对其进行了详细阐述。文献[20]和文献[21]都对卫星使能的通感一体化系统波束成形进行了优化。其中文献[20]采用分式规划和块坐标下降算法对子问题进行优化选星和信道分配及功率联合优化。文献[21]则考虑使用联邦学习算法，以最大化通信信噪比为目标进行波束成形优化。然而，当前的文献大多关注单颗卫星的性能优化，或是存在算法复杂度较高的问题。随着未来大规模卫星星座的部署，对低复杂度以及多卫星协作的需求将极大增加。

为了解决这一问题，本文研究了一种多低轨卫星使能通感一体化场景，其中每颗卫星均配备垂直定向的均匀线性阵列多天线。这些低轨卫星同时传输单独的消息与各自的地面用户通信，并协作利用信息信号检测感兴趣区域内的地面目标。在此配置下，本文的目标是通过联合设计这些卫星的发射波束成形，最大化目标区域内的最小检测概率，同时确保地面用户的最小信干噪比约束以及卫星的最大发射功率约束。由于卫星的均匀线性阵列多天线配置以及发射波束成形所带来的高度非凸性，该问题难以进行直接求解。为了解决上述问题，本文提出了一种基于半正定松弛的优化算法，以获得高质量的解。最后，本文通过数值结果验证了所提设计相对于其他基准方案的有效性。结果表明，本文提出的联合发射波束成形设计有效平衡了通信与感知性能之间的权衡。

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作者信息：

常俊德，丁伟航，余龙丹，李鑫，邢斯瑞

（长光卫星技术股份有限公司，吉林 长春 130102）