三維可視化月表電波傳播預測軟件設計與實現

摘 要： 建立了月表環境下無線電波傳播路徑損耗的分段預測模型，并基于NI公司LabWindows/CVI軟件平臺開發了一套月表電波損耗可視化預測軟件。該軟件可實現三維的月表數字地形及收發信機位置實時顯示，無線電波傳播損耗動態預測，以及預測參數及結果的靈活管理。實測結果表明，該軟件預測結果與實測數據吻合，操作簡便且運行穩定，可用于輔助我國探月工程中月表通信系統的參數設計和性能評估，對于深空探測系統設計也具有一定的參考價值。

關鍵詞： 月表環境； 電波傳播； 預測軟件； 三維地形； LabWindows/CVI

中圖分類號： TN919?34； V448.25+3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0045?04

0 引 言

目前各國的航天事業迅速發展，紛紛加入到登月，登火星甚至其他行星的行列中，而我國嫦娥三號落月工程也已經啟動。月表和地球無線通信環境具有非常大的差異，如何實現宇航員和著陸器之間的可靠通信，是未來“落月”工程亟需解決的關鍵問題之一。國內外科研機構對月表環境下電波損耗預測模型及理論進行了研究，但針對月表電波傳播損耗預測的應用軟件尚未見公開報道。美國國家航天局公布的“阿波羅”技術報告[1?2]，給出了較為詳細的月表視距范圍內無線信號功率損耗的理論分析方法；文獻[3]通過修正環境參數，將不規則地面電波傳播預測模型（ITM）推廣至月表場景；國內的國防科技大學和南京航空航天大學等科研單位也進行了相關研究[4?6]。

本文在上述理論研究基礎上設計了一款基于LabWindows/CVI軟件平臺的三維可視化月表電波傳播預測軟件，該軟件利用電磁波分段幾何傳播模型預測無線信號傳波損耗，并應用LabWindows/CVI軟件平臺實現人機交互可視化計算以及對參數、預測結果的管理，同時逼真的模擬月表三維地形信息。

1 電波傳播損耗預測算法與流程

項目組前期經過大量的研究，提出了一種針對月表相對平坦區域的無線信號路徑損耗預測模型，該模型中路徑損耗可表示為傳播距離的分段函數，根據收發端距離的不同分為自由空間模型、地面反射模型和球面繞射模型。本軟件利用該分段模型來預測電波傳播損耗，算法流程圖如圖1所示。

當收發端距離很近時（二十幾米范圍內），電波在真空狀態下的月表傳播可近似為自由空間傳播，路徑損耗可表示為：

[L=LF=32.44+20log（f106）+20log（d103）]

式中[f]為電波頻率；[d]為收發端距離。

當收發端距離增加，月表面的反射信號不可忽略，此時路徑損耗可以表示為自由傳播路徑損耗與地面反射產生的額外損耗之和，即：

[L=LF+LR]

式中[LR]為地面反射導致的額外損耗，且為：

[LR=-10lgEE02=-10lg1+R2F-2RFcos（Δφ）]

式中：[RF]為等效反射系數；[Δφ]為直射和反射信號的相位差。

當收發端距離較遠時，不存在反射路徑，但月球弧面將截斷收發端的直視路徑，此時傳播損耗以球面繞射損耗為主。路徑損耗可以表示為：

[L=LF+LD]

式中[LD]表示球面繞射損耗且為：

[LD=F[X（P）]+G[Y（t，P）]+G[Y（r，P）]]

式中：[F[X（P）]]表示與距離相關的損耗；[G[Y（t，P）]]和[G[Y（r，P）]]則分別對應收發天線高度相關損耗。

當傳輸距離較近時，還需要考慮級數的其他項，此時繞射影響可表示為內插形式：

[LD=1-h0.552F1LD，h]

式中：[h]為電路余隙；[F1]為第一費涅爾半徑；[LD，h]為視距臨界點的參考損耗。

2 三維可視化預測軟件設計與實現

2.1 軟件功能和設計流程

本軟件采用NI公司的LabWindows/CVI作為開發平臺，該平臺將功能強大、使用靈活的C 語言平臺與用于數據采集分析和顯示的測控專業工具有機地結合起來，是熟悉C 語言開發設計人員理想的軟件開發環境。

該軟件實現的主要功能包括動態載入和顯示月表三維地形以及宇航員和著陸器的位置，對月表無線電波傳播損耗預測以及保存參數和預測結果。系統軟件設計流程如圖2所示，用戶進入軟件系統后，可通過“載入配置參數”一次性載入預測所需的參數，也可以根據自己的實際需求修改參數并將之保存成ini格式的配置文件供以后調用。用戶可以從外部導入待預測月表場景的三維地形數據，由軟件顯示出三維地形。軟件提供A、B兩種預測模式，A模式為用戶輸入發射、接收天線位置坐標，系統計算顯示發射點與接收點直接各個位置的信號損耗值，B模式為用戶輸入信號損耗值的下限，系統顯示小于這一損耗值的區域（即宇航員的安全區域）。軟件可以按所選擇的模式進行仿真計算和畫圖，用戶可以將所有參數及計算結果以Excel表格的形式保存[8]。

2.2 系統參數載入和保存

月表無線電波傳播損耗涉及的參數很多，手動輸入比較繁瑣，而ini格式文件存儲量大、操作簡單已被廣泛應用于軟件參數配置。為了提高人機交互性能，我們將常用參數以ini格式的系統配置文件形式進行管理（如圖3所示），實現參數的導入和保存功能，同時也方便了用戶對參數的調用和修改。

自動載入配置文件主要有3個步驟，即獲得文件路徑、獲得文件名以及讀入數據，實現該功能的代碼如下：

GetProjectDir（LastTimeDataDefaultPath）；

strcat（LastTimeDataDefaultPath，

\"＼＼LastTimeData.ini\"）；

status=Readiniword（LastTimeDataDefaultPath）；

if（！status）

{

SetCtrlVal（panelHandle，PANEL_MOON_RADIUS，iniReaderParameter.Symbol1）；

SetCtrlVal（panelHandle，PANEL_PERMITTIVITY，iniReaderParameter.Symbol2）；

……

}

用戶完成電波損耗預測后，可以將與本次預測場景相對應的所有參數保存為ini格式的配置文件，主要代碼如下：

GetProjectDir（defaultPath）；

FileSelectPopup （defaultPath， \"*.ini\"， \"\"， \"打開配置文件“word”\"， VAL_OK_BUTTON， 0， 0， 1， 0， sConfigureFilePath）； //用戶選擇配置文件

status = Readiniword（sConfigureFilePath）； //讀配置文件

if（！status）

{

SetCtrlVal（panelHandle，PANEL_MOON_RADIUS， iniReaderParameter.Symbol1）；

SetCtrlVal（panelHandle，PANEL_PERMITTIVITY， iniReaderParameter.Symbol2）；

…

MessagePopup（\"提示\"，\"成功讀取配置文件\"）；

}

2.3 月表三維地圖顯示

為了直觀的展示月表地形以及發射接收點的同步顯示，利用Labwindows/VCI軟件提供的Toolslib擴展控件中的3Dgraph控件來實現三維月表地形的顯示[7]，如圖4所示。軟件需要獲得3Dgraph控件顯示所需的二維地形數據，如果用逐個讀取方式將文件中的二維地形數據存入軟件內的二維數組，需要極大的時間開銷。本文利用matlab軟件將txt文件中的二維數據轉化為一列，然后用labwindows軟件自帶的FileToArray（）函數直接將轉化后txt文件中的數據存入一個一維數組，然后將一維數組轉化為3Dgraph控件所需的二維數組。這樣只需要一句代碼，很大程度上縮減了時間開銷，同時也提高了程序的穩定性。

if （FileSelectPopup （\"\"， \"*.dat\"， \"*.dat\"， \"Name of File to Read\"，VAL_OK_BUTTON， 0， 1， 1， 0，pathname） > 0）

{

FileToArray（pathname，mf，VAL_DOUBLE，

1000，1，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_

AS_COLUMNS，VAL_ASCII）；

}

3 軟件測試及驗證

3.1 用戶界面

友好的用戶界面設計可以方便用戶操作，本軟件用戶界面如圖5所示，它包括3個部分：顯示模塊、參數設置模塊和操作命令模塊。顯示模塊用于展示月表地形三維模擬圖和月表信號傳播損耗預測結果；參數設置模塊包含發射接收端位置、損耗值、環境參數、系統參數，其中環境參數包括月球半徑、介電常數、地形起伏、電導率這幾個重要的參數，而系統參數主要為發射、接收天線高度以及極化方式；操作命令模塊即數據載入、參數保存、計算等幾個控制命令。

3.2 預測結果及分析

圖6給出了圖5所示系統參數條件下該軟件對不同頻率電波傳播損耗的預測結果，該結果與前期利用Matlab軟件對分段預測模型的計算結果一致。同時，由圖還可看出：

（1）信號傳播損耗值隨距離增加而增大，隨信號頻率增加而增加；

（2）當通信距離比較近時，傳播損耗與自由空間的傳播損耗基本一致，即與距離二次方成反比關系；

（3）當通信距離增大時，傳播損耗迅速下降且與距離四次方衰減曲線基本吻合。

4 結 語

月表無線信號損耗預測對月表通信系統的參數設計和性能評估具有重要的作用，本文以較為精確的月表無線電波傳播損耗分段模型為算法基礎，在LabWindows/CVI軟件平臺上，開發了一套月表無線電波傳播損耗動態三維可視化預測軟件。該軟件具有友好的用戶界面，能夠實現配置參數的自動加載和簡便管理，并提供了預測場景的三維地形演示，簡便而直觀地實現了月表場景下無線電波損耗的預測。

參考文獻

[1] HUGHLETT J. D. Ground wave propagation on the lunar surface for a lunar mobile laboratory [R]. USA： NASA， 1964.

[2] LINDSEY J. F. An analysis of point?to?point communication for application to the lunar flyer program， MSC?EE?R?68?15 [R]. USA： NASA， 1970.

[3] FOORE Larry， IDA Nathan. Path loss prediction over the lunar surface utilizing a modified longley?rice irregular terrain model， TM214825 [R]. USA： NASA， 2007.

[4] ZHU Qiu?ming， WANG Chen?hua， CHEN Xue?qiang， et al. Path loss prediction model of radio propagation over lunar surface [J]. Communications in Computer and Information Science， 2011， 163： 556?562.

[5] 董海，張斌.月表視距無線信道仿真[J].科技信息，2008（3）：31?32.

[6] 董海，王瑩，高凱.月表無線信道仿真[J].信號處理，2009（13）：66?68.

[7] 王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2011.

[8] 陳穎麗，劉繁明，王建敏.LabWindows/CVI中基于ActiveX技術的Excel訪問[J].測控技術，2008，6（27）：62?64.