無人機測控與通信系統信道傳輸特性研究

陳遠友

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在現有的無人機系統中，地空視距鏈路承擔著測控與通信系統的重要作用，為了延伸作用距離，視距鏈路大多在遠距離低仰角情況下進行移動通信，受到多種因素的影響［1］，電波傳播環境十分復雜。

國內外有較多的文獻［2-13］研究地空鏈路的傳輸特性。文獻［3-5］基于文獻［2］提出的WSSUS隨機時變線性信道進行了特性研究和建模分析。ITU-R有大量文獻研究無線電波的傳輸特性并指導如何構建移動衛星通信系統。國內針對無人機地空視距鏈路傳輸特性研究的文獻也比較豐富，既有對信道統計特性和模型的研究［6-11］，也有針對具體應用情況的仿真和分析［11-13］，對工程實踐有一定的參考價值。

鑒于無人機測控與通信地空視距鏈路在低仰角移動通信信道的復雜性，針對該種信道的多徑效應、陰影效應和多普勒效應綜合影響研究的文獻較少，本文從統計學的角度對無人機測控信道進行分析并建立模型，描述其信道傳播特性。

1 信道分析模型

1.1 信道特性分析

大多數中小型無人機由于受自身資源的限制，主要依靠地空視距鏈路傳輸測控和任務載荷信息。在無人機升限受限的情況下，為了發揮系統的最大效能，可能要求延伸作戰半徑至無線電通視距離的極限值，無人機在任務區和大部分飛行途中相對于地面控制站可能處于接近0°的低仰角狀態。

由于在任務前需要對飛行路徑、作業區域和方向、地面控制站的位置及行進路線等精心規劃，使得無人機出航后盡量和地面控制站保持無線電通視，即無線電信號一般存在直射分量。

在低仰角環境下，無線電波除了自由空間的傳輸損耗外，大氣層中的降雨、云、霧、水蒸氣和氧氣等會吸收無線電波;由對流層湍流以及電離層閃爍引起的折射率的變化將使傳輸信號的幅度和相位發生波動，對信號產生隨機調制效應，建筑物、山脈、樹林等障礙物會引起信號的阻斷和陰影效應，這些因素引起信號衰落的重要特點是慢變，信道在一定時間內可以認為是緩變的。這種表征信號在比較大的傳輸距離上平均功率的衰減稱為大尺度衰落。

相對于大尺度衰落，還有一些因素導致信號強度和相位在短距離或短時間內的快速變化。地面復雜環境所造成的反射、散射和繞射會帶來多徑效應;無人機和地面控制站的相對運動會產生多普勒效應。多徑效應以及多普勒效應疊加在一起造成信號的小尺度衰落。小尺度衰落表征著信道的時變特性，會對整個系統的性能產生很大的影響。

1.2 信道建模

在研究無線傳輸信道特性方面廣泛采用的概率分布模型中，有單狀態Markov模型和多狀態Markov模型，由于單狀態模型難以準確描述無人機在整個任務期間信道的動態變化特性，因此人們關注更多的是多狀態模型，比如三狀態Markov模型。如果想要更加準確地表征在低仰角情況下的信道衰落特性，則通常需要根據低仰角情況下的真實信道環境(反射、建筑物阻擋情況等)來分析多徑延時分量和陰影效應，從而更加合理地描述無人機低仰角測控與通信系統的各種因素的影響。

C．Loo 模型［14］、Corazza 模型［15］和 Lutz 模型［16］是國內外比較常用的陸地移動衛星 (Land Mobile Satellite，LMS)無線通信信道統計模型。文獻［5］提出了一種航空寬帶信道模型，按照飛行途中、起降、滑跑、泊機等不同階段分別建立模型和分析，文獻［6］對無人機不同任務階段的信道特性進行了分析，建立了由直射分量、地面反射分量和多徑分量構成的信道模型，并進行了仿真。文獻［4，17］對LMS信道特性進行了統計分析和建模。

試驗統計和分析表明，在整個任務剖面無人機測控與通信系統視距鏈路信道的衰落特性不能用單一的概率分布函數來描述，尤其在低仰角工作期間信道特性非常復雜。無人機和地面控制站間的相對運動可能較大，信道環境存在較大的時變性，信號呈現高動態特性。因此，使用多個信道狀態和多種概率分布函數的組合來描述無人機無線信道。狀態個數的選取與接收信號的動態范圍直接相關，當動態范圍很大時，狀態個數越多越能細膩刻畫信號的慢變化特性，但系統復雜度增加，結合工程實踐并參考文獻［4，17］及ITU-R的其他文獻，采用狀態數為3的高動態Markov信道模型進行描述。

無人機測控與通信系統視距鏈路屬于地空鏈路，依據其特性，考慮多徑效應、陰影效應后的完整Corazza信道仿真模型如圖1所示。

圖1 無人機測控與通信系統信道仿真模型

上述分析表明，無人機視距空間鏈路一般認為是通視的，產生多徑效應和陰影衰落的原因主要在于地表面起伏、建筑物或者植被覆蓋。據此定義3種信道狀態:①無陰影狀態S1，直射信號、多徑信號均不受陰影遮蔽影響;②中度陰影狀態S2，直射信號受陰影遮蔽影響，多徑信號不受陰影遮蔽影響;③完全陰影狀態S3，直射信號、多徑信號均受陰影遮蔽影響。

在此基礎上建立三狀態Markov信道模型，此時無人機測控信道服從上述3種狀態分布，狀態①發生的概率要大一些。根據ITU-R定義的衰落時間分布:在無陰影狀態下，衰落持續時間服從指數分布;中度陰影狀態和完全陰影狀態下，衰落持續時間均服從對數分布。無人機在覆蓋范圍內移動時，信道被等效為馬爾可夫三狀態切換過程，得到其穩態概率矩陣，從而模擬真實信道。各狀態持續時間、狀態轉移概率與任務剖面及環境有關，可參考ITU-R的相關文獻［17］。

Markov鏈狀態轉換圖如圖2所示，Pij表示從狀態Si轉入狀態Sj的概率。

圖2 Markov狀態轉換

2 信道特性仿真

2.1 Rice信道衰落特性仿真

在不考慮陰影效應時，圖1所示的信道模型就簡化成Rice信道;如果進一步將多徑分量簡化，取其最強的一路，則該信道模型簡化成工程中常用的二徑模型。

將直射分量歸一化，表示為實數1，多徑分量產生的復高斯過程除以，使其能量為1/k，與直射分量疊加后，即可產生Rice分布的隨機過程。對萊斯信道進行仿真，結果如圖3所示。

圖3 Rice信道的衰落特性仿真

2.2 三狀態Markov過程衰落特性仿真

對三狀態Markov過程的仿真需要先構建狀態轉移矩陣，狀態轉移矩陣隨地形、季節和任務剖面等變化，文獻［4，17］分別給出了一些試驗數據，參考這些文獻，針對無人機測控與通信信道的具體特性，仿真采用的狀態轉移矩陣為:

為了減小仿真數據量，對應狀態圖2中的3種狀態，選擇 S1，S2，S1，S1，S3，S3，S1，S1進行仿真，每種狀態的持續時間為1 s，仿真結果如圖4所示。

圖4 三狀態Markov過程的衰落特性仿真

從圖4可以看出，在1～2 s時間段內，由于處于輕度陰影狀態，衰落的方差較大;同樣，在4～6 s內，由于處于重度陰影狀態，衰落的方差更大。實際上衰落的均值會隨著陰影的加重而降低(即衰落更嚴重)，仿真的數值結果也證明了這一點。

無人機測控與通信地空視距鏈路的信道傳輸特性不能僅僅考慮多徑和多普勒的影響，而必須綜合考慮多徑、陰影和多普勒的影響，簡化的Rice信道模型可能對那些在復雜環境獲得的試驗數據的分析帶來不利影響。

3 結束語

無人機測控與通信地空視距鏈路由于低仰角移動工作環境，導致信號傳輸過程中可能出現比較嚴重的多徑效應、多普勒效應和陰影效應，不同的環境條件對信號傳輸的影響不同。參考陸地移動衛星通信信道特性的統計分析方法，采用狀態數為3的高動態Markov信道模型描述低仰角狀態下的無人機測控與通信信道傳播特性，建立了仿真模型，并對該模型及其簡化形式(通常采用的Rice模型)進行了仿真分析，分析表明其信道傳輸特性必須綜合考慮多徑、陰影和多普勒的綜合影響。

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