基于射線追蹤法的航空多徑信道建模與仿真

張 薇

(航天恒星科技有限公司，北京100086)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技與軍事力量的發(fā)展，航空通信系統(tǒng)包含的范圍越來(lái)越廣，例如導(dǎo)彈與載機(jī)之間的通信、飛機(jī)與地面測(cè)控站之間的通信等等。由于航空飛行器的飛行高度較低，地面復(fù)雜的地形環(huán)境會(huì)引入嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)誤碼率提高、鏈路通信質(zhì)量下降甚至中斷。因此研究航空通信中多徑信道的建模與仿真具有重要意義［1，2］。多徑信道的建模方法主要包括2種:①基于大量的測(cè)試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式建立的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，該模型常用于通信環(huán)境比較固定的移動(dòng)通信系統(tǒng)中;② 射線追蹤法，它是基于幾何光學(xué)的原理，通過(guò)模擬射線的傳播路徑來(lái)確定直射徑、反射徑和散射徑等，從而可以精確預(yù)測(cè)接收與發(fā)射之間電磁波傳播的多條路徑［3－5］。航空飛行器的通信環(huán)境具有多樣性，地面環(huán)境復(fù)雜，難以采用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，必須根據(jù)特定的環(huán)境具體建模分析［6－8］。已有的建模分析方法大都是基于統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，不適用于航空通信中特定的、復(fù)雜的環(huán)境［9－12］。本文提出了基于射線追蹤法進(jìn)行航空多徑信道建模與仿真的方法，該方法能根據(jù)具體的復(fù)雜地形環(huán)境進(jìn)行建模，能夠同時(shí)仿真通信中的多條路徑的信號(hào)傳輸情況，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確、真實(shí)地反映航空多徑信道情況。

1 Wireless Insite軟件

Wireless Insite是基于射線追蹤法進(jìn)行無(wú)線信道仿真的工具，采用先進(jìn)的高頻電磁處理方法，使其可以在50 MHz～100 GHz頻段內(nèi)提供精確的計(jì)算結(jié)果。軟件主要用于對(duì)城市、郊區(qū)和室內(nèi)等規(guī)則區(qū)域，山脈和植被區(qū)等非規(guī)則地形，機(jī)場(chǎng)和大型艦船等復(fù)雜平臺(tái)的電磁環(huán)境預(yù)測(cè)分析。該產(chǎn)品基于UTD/GTD理論，采用射線跟蹤方法建立傳播模型，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)圖形的方法加速模型的建立和處理。軟件所采用的算法當(dāng)中包括2D、3D以及快速3D的算法，根據(jù)繞射的特性以及跟物體相關(guān)的反射和透射系數(shù)評(píng)估電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并通過(guò)將電場(chǎng)與具體的天線模式相結(jié)合來(lái)計(jì)算路徑損耗、接收功率、到達(dá)時(shí)間以及到達(dá)角度等。

2 模型建立與仿真

以航空飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)著陸段與地面測(cè)控站通信過(guò)程中的多徑電磁環(huán)境分析為例，對(duì)模型的建立與仿真的方法過(guò)程進(jìn)行介紹。

2．1 仿真區(qū)域地形環(huán)境設(shè)置

根據(jù)項(xiàng)目中的飛機(jī)飛行軌跡及地面測(cè)控站所在的機(jī)場(chǎng)區(qū)域，設(shè)置模型中的地形環(huán)境(terrain)的經(jīng)緯度范圍及高度。機(jī)場(chǎng)的地面材料設(shè)置為混凝土材料(concrete)，相對(duì)介電常數(shù) 15．0。

在某些項(xiàng)目中，飛行器飛行的地面環(huán)境為野外的不規(guī)則地形，此時(shí)的地形環(huán)境可以通過(guò)直接導(dǎo)入數(shù)字高層地圖的方式設(shè)置。

2．2 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)設(shè)置

這里發(fā)射機(jī)是指飛機(jī)，接收機(jī)是指地面測(cè)控站。

①發(fā)射機(jī)與接收機(jī)位置設(shè)置:根據(jù)飛機(jī)的飛行軌跡和地面測(cè)控站的位置對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置進(jìn)行設(shè)置。

②發(fā)射機(jī)與接收機(jī)姿態(tài)設(shè)置:飛機(jī)飛行過(guò)程中，姿態(tài)(橫滾角、偏航角和俯仰角)在不斷變化，導(dǎo)致機(jī)上天線的波束指向在變化，根據(jù)飛機(jī)的飛行姿態(tài)對(duì)發(fā)射機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于接收機(jī)，地面測(cè)控站的天線是實(shí)時(shí)指向飛機(jī)的，因此也是隨著飛機(jī)軌跡位置在實(shí)時(shí)調(diào)整。根據(jù)飛機(jī)與地面測(cè)控和站的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)接收機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)置，保證地面測(cè)控站的天線是實(shí)時(shí)指向飛機(jī)。

③發(fā)射機(jī)天線與接收機(jī)天線設(shè)置:根據(jù)實(shí)際情況，導(dǎo)入發(fā)射機(jī)天線與接收機(jī)天線的仿真的增益方向圖。

④發(fā)射機(jī)發(fā)射功率設(shè)置:根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)置。

2．3 仿真設(shè)置

仿真設(shè)置包括:① 仿真頻率設(shè)置;②研究區(qū)域設(shè)置:研究區(qū)域(Study Area)為軟件實(shí)際計(jì)算的區(qū)域，應(yīng)為包含了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置的區(qū)域;③ 求解設(shè)置:采用Vertical plane模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算反射徑數(shù)目設(shè)為6條，散射徑數(shù)目設(shè)為1條。當(dāng)然，也可根據(jù)需要更改反射徑和散射徑數(shù)目，數(shù)目越多，結(jié)果越準(zhǔn)確，仿真時(shí)間越長(zhǎng)。

2．4 仿真結(jié)果及分析

2．4．1 電磁波傳播的多徑情況

本項(xiàng)目中，地形為平坦的地面，因此實(shí)際到達(dá)接收機(jī)的路徑只有直射徑和反射徑，沒(méi)有散射徑，多徑情況較為簡(jiǎn)單。接收天線的接收功率門(mén)限值設(shè)置為－250 dBm，因此到達(dá)接收機(jī)的功率低于－250 dBm的路徑將被舍棄。仿真的多徑情況如圖1所示。

從仿真結(jié)果中可以看出，在飛行軌跡初期段，接收路徑為1條直射徑和1條反射徑，到后段變?yōu)?條直射徑和2條反射徑，到末段只剩下1條直射徑。這跟發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的位置姿態(tài)及地形環(huán)境都有關(guān)。

2．4．2 接收機(jī)的接收功率

仿真的總接收功率、直射徑接收功率和主反射徑接收功率如圖2所示。其中，總接收功率指的是所有路徑合成的總接收功率，主反射徑接收功率指的是反射徑中接收功率最大的路徑的接收功率。

圖1 仿真的多徑情況

圖2 接收機(jī)的接收功率

從仿真結(jié)果中可以看到，由于多徑的影響導(dǎo)致總接收功率有一定的起伏。在470～500 s時(shí)間段，飛機(jī)飛行軌跡有個(gè)迅速的轉(zhuǎn)彎，天線指向發(fā)生偏離，導(dǎo)致接收功率快速下降。在飛行末段，飛機(jī)快速靠近地面站，導(dǎo)致接收功率快速增大，由于飛機(jī)與地面站位置較近，反射徑接收功率變化劇烈，對(duì)總接收功率的影響減小。總得來(lái)說(shuō)，由于機(jī)場(chǎng)地面環(huán)境平坦，因此多徑影響不大。

2．4．3 接收路徑延時(shí)

接收路徑延時(shí)指的是發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳輸延時(shí)。仿真的直射徑延時(shí)、主反射徑延時(shí)以及直射徑與主反射徑延時(shí)的差值如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看到，直射徑與主反射徑的延時(shí)在10－4量級(jí)，并且隨著飛機(jī)逐漸靠近地面站，延時(shí)逐漸減小;直射徑與主反射徑的延時(shí)差值在10－6量級(jí)。隨著飛機(jī)逐漸靠近地面站，延時(shí)差值開(kāi)始緩慢變大，而到末段延時(shí)迅速變大，這也是跟發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系相關(guān)。

3 結(jié)束語(yǔ)

給出了基于射線追蹤法的航空多徑信道建模與仿真的方法，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)航空多徑信道建模與仿真的方法及過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。仿真結(jié)果真實(shí)地反映了航空多徑信道情況，從而表明該仿真方法適用于航空通信系統(tǒng)中多徑信道的分析，能夠?yàn)楹娇胀ㄐ畔到y(tǒng)的研制提供指導(dǎo)意義。

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