Ka波段臨近空間飛行器的信道誤碼特性

王文政

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

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Ka波段臨近空間飛行器的信道誤碼特性

王文政

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

摘要：實現(xiàn)對臨近空間飛行器的測控通信則是實現(xiàn)情報收集、偵察監(jiān)視、通信中繼、對空對地作戰(zhàn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。針對Ka波段臨近空間飛行器測控通信鏈路的信道特征，建立了包括降雨衰減、多徑衰落和陰影遮蔽等因素的完整信道模型。通過仿真證明了建模的合理性和正確性，結(jié)果可作為臨近空間技術(shù)的理論參考模型。

關(guān)鍵詞：臨近空間飛行器；Ka波段；誤碼特性；降雨衰減；多徑衰落；陰影效應(yīng)

本文引用格式：王文政.Ka波段臨近空間飛行器的信道誤碼特性[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(7):113-117.

Citationformat:WANGWen-zheng.BriefAnalysisofErrorCharacteristicsinKa-BandNearSpaceVehicles[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):113-117.

臨近空間飛行器[1](nearspacevehicles)作為一種新的飛行器平臺越來越受到各國的重視[2]，在天氣預(yù)報、情報收集、偵察監(jiān)視、對空對地作戰(zhàn)等各領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。

掌握臨近空間飛行器的信道特征是實現(xiàn)對其測控和通信的重要基礎(chǔ)之一。通過分析Ka波段臨近空間飛行器的信道特性，建立合適的信道模型成了目前的研究熱點之一[6-8]。

從現(xiàn)有文獻來看，并沒有完整的關(guān)于Ka波段臨近空間飛行器測控通信系統(tǒng)信道模型的資料，已有的文獻主要為針對Ka波段靜止衛(wèi)星星地鏈路的雨衰模型[9-10]，需要對現(xiàn)有模型進行擴展，設(shè)計適合臨近空間的信道模型。由于缺乏實測數(shù)據(jù)的支持，這里只能進行比較粗略的分析和設(shè)計。通過分析發(fā)現(xiàn)：影響Ka波段臨近空間飛行器測控通信信道的主要因素有如下幾個方面[8,11-12]：Ka波段的雨衰，飛行器移動帶來的多普勒頻移，信號反射、散射、繞射造成的多徑效應(yīng)，以及飛行器高速運動造成的等離子鞘套的影響。本研究將比較詳細地分析以上各種因素對信道的影響，并建立適合Ka波段臨近空間飛行器的測控通信信道模型，最后通過仿真證明建模的合理性和正確性，結(jié)果可作為臨近空間技術(shù)的理論參考模型。

1Ka波段臨近空間飛行器的信道特征

從大氣的電磁特性來看，臨近空間跨越了非電離層(高度<60km)和電離層(高度60～2 000km)兩部分。非電離層主要由均質(zhì)中性大氣分子組成；而電離層的主要成分則是自由電子、離子和中性粒子構(gòu)成的能量很低的準中性等離子體。其中電離層對頻率高于10GHz的電磁波幾乎不造成任何影響，可近似認為是自由空間環(huán)境[9]。因而傳回地面的信號至少經(jīng)歷了以下幾個過程：自由空間衰落、大氣衰減、地面反射體和云層產(chǎn)生的多徑效應(yīng)、地面端受到的陰影遮蔽以及系統(tǒng)的熱噪聲。

通過分析發(fā)現(xiàn)上面幾個因素可視為相互獨立的。研究與統(tǒng)計表明[10]：多徑干擾、陰影遮蔽和雨衰可近似視為乘性衰落，而高斯白噪聲則是加性的，于是可以定性地構(gòu)造臨近空間測控通信系統(tǒng)的信道模型如圖1所示。

圖1　臨近空間測控通信系統(tǒng)的信道模型

2完整信道模型的建立

2.1雨衰的建模

相對于Ku頻段和C頻段，Ka頻段受到的降雨衰減非常嚴重。例如在降雨率為22.4mm/h且地面站對衛(wèi)星的仰角為40°的情況下，C頻段的雨衰僅為0.1dB，可以忽略；Ku頻段的雨衰為4.5dB；而Ka頻段的下行鏈路頻率為20GHz時，雨衰為12.2dB，而上行鏈路頻率為30GHz時，雨衰則高達23.5dB。因而必須考慮雨衰對Ka頻段測控通信系統(tǒng)造成的影響[13]。

2.1.1雨衰的影響和建模

(1)

根據(jù)對臨近空間通信平臺的分析，在Ka波段降雨對臨近空間信道和衛(wèi)星信道的影響是一致的。因此采用ChunLoo依據(jù)Olympus衛(wèi)星、Italsat衛(wèi)星和ACTS衛(wèi)星作了許多傳播特性測量實驗得到的數(shù)據(jù)進行仿真。如表1為根據(jù)ChunLoo的研究，在仰角為14.2°時的Ka波段臨近空間信道在(黑云、雷雨、中雨、小雨)天氣條件下的信號包絡(luò)和相位的概率分布參數(shù)。

表1　仰角為14.2°下Ka靜止信道包絡(luò)和相位參數(shù)

根據(jù)上述概率分布，可以建立Ka頻段雨衰的數(shù)學(xué)模型為

表1中給出的參數(shù)只適用于測控站在仰角為14.2°通信時的情況，對于靜止衛(wèi)星而言，由于其與地面站的位置相對靜止，通信鏈路的仰角也是固定的。而在本課題中，飛行器處于超高聲速運動狀態(tài)，其與地面站的位置隨時都在變化，當(dāng)通信鏈路仰角不同時，其穿越雨區(qū)的路徑長度也不同，受到的雨衰也有差異，因而有必要加入仰角對雨衰影響，從而進一步精確地選擇合適的雨衰參數(shù)。

2.1.2雨衰模型參數(shù)的確定

除了降雨量外，測控站和飛行器之間的仰角也對雨衰大小有著直接的影響。如圖2所示，對地面測控站而言，其位置不同，仰角就不一樣。不同的仰角，電波穿過雨層的長度不同，受到的衰減不同。對于臨近空間的統(tǒng)計信道，不同的仰角就會影響到模型中包絡(luò)和相位的均值及方差的參數(shù)值。

河口內(nèi)測點含沙量無論大小潮均遠大于外海測點含沙量，平均含沙量分別為0.07～0.1kg/m3（河口內(nèi)）和0.004～0.04 kg/m3（外海）。

圖2　臨近空間平臺對地傳輸示意圖

雨層高度hR通常簡稱為雨高，雨高主要與地球站的緯度有關(guān)，根據(jù)ITU-R第三工作組會議對地空電路雨衰減模型的修改

(3)

式中φ為地球緯度。

此時，測控通信鏈路穿越雨區(qū)的斜路徑長度L0為

(4)

其中通常認為雨衰可以由下式計算

(5)

式中：L0為通信鏈路在降雨區(qū)的等效傾斜路徑長度； rr(r)為降雨衰減率。

在處理過程中，一般需要將降雨的非均勻性進行均勻化，引進能起等效作用的縮短因子來確定雨區(qū)對電波傳播的實際作用路徑長度，從而利用等效路徑長度乘以單位路徑衰減率得到實際測量的雨衰減。等效降雨路徑長度的確定需要計算雨層高度hR、雨高下的斜路徑長度L0以及0.01%時間的降雨衰減率rr。

經(jīng)過上述處理之后，可以變?yōu)?/p>

(6)

此時相當(dāng)于認為在給定降雨量時，雨衰的大小正比于通信鏈路穿越雨區(qū)的斜路徑長度L0。統(tǒng)計模型中，包絡(luò)的均值代表信號的能量，方差代表信號受到的干擾，方差越小，信道質(zhì)量越好；相位的均值代表降雨對信號的去極化作用，方差代表信號相位上受到的干擾，方差越小，信道質(zhì)量越好[13]。

包絡(luò)的幅度平方與信號能量成正比，而同一天氣狀況下，雨衰量與穿過雨區(qū)的等效路徑也成正比；相位主要受降雨的去極化作用影響，假定極化面傾角為45°，隨仰角增大，極化干擾減小。因此可以近似地推算出在仰角為14.2～40°的統(tǒng)計信道模型參數(shù)。表 2～表 4中，分別給出了仰角為20°、30°和40°時，雨衰的包絡(luò)相位參數(shù)[14]。對于不同仰角下的情況可以分別利用這些參數(shù)計算。

表2　仰角為20°時的包絡(luò)相位參數(shù)

表3　仰角為30°時的包絡(luò)相位參數(shù)

表4　仰角為40°時的包絡(luò)相位參數(shù)

2.2多徑、陰影效應(yīng)的建模

電波在移動環(huán)境中傳播時，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射,到達接受天線時，已成為通過各個路徑到達的合成波，即多徑傳輸模式。各傳播路徑分量的包絡(luò)和相位各不相同，因此合成信號起伏很大，稱為多徑衰落。在分析衛(wèi)星移動信道傳播特性的概率分布模型時，多徑效應(yīng)主要用瑞利分布描述。信號包絡(luò)r的概率密度函數(shù)為[6]

(7)

當(dāng)電波在傳播路徑上遇到建筑物、樹木、起伏山丘等障礙物的阻擋時，會使電磁波信號產(chǎn)生衰耗，從而造成接收信號電平的下降，這種現(xiàn)象稱為陰影遮蔽。常見的用于描述陰影衰落的概率分布模型為對數(shù)正態(tài)分布。衛(wèi)星與地面站之間的直射信號被路邊的樹木或其他障礙物吸收或散射掉時，陰影效應(yīng)出現(xiàn)。信號包絡(luò)r的概率密度函數(shù)為

(8)

在只考慮多徑和陰影衰落的影響時，臨近空間飛行器的接收信號可用下式表示

(9)

在式(9)中：zsexp(jφs)為陰影衰減下的LOS信號分量，包絡(luò)分量zs服從對數(shù)正態(tài)分布，而wmexp(jφm)為多徑分量，包絡(luò)分量wm服從瑞利分布；相位分量φs和φm均滿足[0,2π]上的均勻分布。

對于臨近空間飛行器信道,由式(7)、式(8)、式(9)可得包絡(luò)r的概率密度函數(shù)

(10)

其中d0和μ分別是對數(shù)正態(tài)分布的標(biāo)準方差和均值，b0代表多徑的平均散射功率，I(·)為零階修正貝塞爾函數(shù)，同樣，接收信號的相位分量θ可以近似滿足高斯分布

(11)

其中mθ和σθ分別為高斯分布的均值和標(biāo)準方差。Chun Loo等在Olympus星實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出了相應(yīng)的模型參數(shù)[10]，如表5所示。

表5　移動衛(wèi)星信道包絡(luò)和相位模型參數(shù)

從以上分析可以看出：建立Ka波段臨近空間信道時，必須綜合考慮多徑衰落、陰影效應(yīng)、天氣因素、通信仰角等因素的影響。不失合理性，本研究假設(shè)信道中臨近空間飛行器到地面部分與地面部分彼此獨立[10]。從前文分析可知，衛(wèi)星到地面部分天氣條件對信道的貢獻(雨衰)可以用高斯分布描述，即aexp(jφ)的包絡(luò)和相位均滿足確定參數(shù)的高斯分布。因此在Ka波段移動衛(wèi)星綜合信道模型中，信號的包絡(luò)和相位可以表示如下：

(12)

(13)

其中，p(a)和pf(rf)分別由式和式給出。相應(yīng)的相位φ和θf分別服從滿足式和式的高斯分布。同樣，φ也滿足高斯分布。

3仿真分析

本節(jié)將通過仿真分析Ka波段臨近空間飛行器的信道誤碼特性，其中仿真所用參數(shù)均來自表1～表 5。

圖3分析了雨衰對信道的影響，仿真條件為輕度陰影，通信仰角為14.2°時?？梢钥闯觯涸谡`碼要求較高的條件下(如小于10-4時)，小雨天氣下的誤碼特性最好，中雨次之，而在雷雨天氣下必須采用補償措施，或降低傳輸速率，才能進行信息傳輸。

圖3　輕度陰影下仰角為14.2°時不同天氣下的誤碼特性

圖4則分析了仰角對信道誤碼特性的影響。這里選取了小雨天氣，環(huán)境衰落為輕度陰影的條件作為仿真環(huán)境。仿真結(jié)果表明隨著仰角的增加，信道的誤碼特性會逐漸變好，這和實際情況是一致的，也從側(cè)面印證了所建立的信道模型的合理性。

圖4　小雨中輕度陰影條件下不同仰角時信道的誤碼特性

圖5給出了14.2°仰角、小雨天氣時，信道誤碼特性與地面站周圍陰影遮蔽情況之間的關(guān)系，可以看出陰影對于信道誤碼特性的影響非常巨大。在中度和嚴重陰影時，Ka波段的測控通信鏈路將面臨中斷的危險。

圖5　陰影對信道誤碼特性的影響

圖3～圖5分別考慮了雨衰、仰角和陰影對Ka波段的信道誤碼特性的影響，當(dāng)單獨考慮上述3個因素對誤碼特性的影響時，得到的仿真結(jié)果和現(xiàn)實情況比較吻合，因而也從側(cè)面證實了本研究所建立模型的合理性。

4結(jié)束語

本文對臨近空間飛行器Ka頻段的測控通信鏈路進行了建模，分析了各種天氣、不同通信仰角、不同陰影遮蔽下對信道誤碼特性的影響，給出了Ka波段在臨近空間飛行器的信道模型。通過仿真分析了雨衰、仰角和陰影對Ka波段的信道誤碼特性的影響，證明了該模型的合理性和正確性。其結(jié)果可作為臨近空間技術(shù)的理論參考模型。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-19；修回日期：2016-02-15

作者簡介：王文政(1974—),男，碩士，工程師，主要從事航天器測控通信技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.025

中圖分類號：TN929

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0113-05

BriefAnalysisofErrorCharacteristicsinKa-BandNearSpaceVehicles

WANGWen-zheng

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Abstract:One of the fundamental conditions for near space vehicles practical application in the broad application prospects for near space vehicles, such as information collection, reconnaissance-and-surveillance, communication relay and to-air or to-ground strike, near space vehicles is TT&C (Tracking Telemetering and Command) communication support. In view of channel characteristics of TT&C communication links of Ka-band near space vehicles, rain attenuation, multi-path fading and shadowing effect were taken into consideration to establish a complete channel model. The rationality and correctness of the model were proved by simulations, and the results can be used as theory reference models in near space technology.

Key words:near space vehicle; Ka-band; error characteristic; rain attenuation; multi-path fading; shadowing effect

【信息科學(xué)與控制工程】