無人升空平臺地空鏈路系統中無線電波干涉效應影響分析

郭道通 柯宏發 馮建鋒

摘要：分析了無人升空平臺鏈路受到干擾作用距離下降的原因，闡述了無線電波干涉效應的基本原理，基于電波二徑傳播理論，建立了無線電波干涉效應對無人升空平臺地空鏈路作用距離影響的模型，利用此模型計算了無人升空平臺飛行過程中出現的干涉效應衰減值和信號衰落的分布情況，并利用Matlab仿真工具對模型進行了仿真分析，通過分析，得出了無人升空平臺飛行高度、地面測控站天線高度、工作頻率與電波衰減之間函數關系，驗證了地空鏈路作用距離計算中電波二徑傳播模型對電波干涉效應衰減值的影響。

關鍵詞：電波干涉效應;二徑傳播;作用距離

在無人升空平臺執行任務過程中，偶爾會遇到無人升空平臺鏈路受到干擾的現象，主要表現為，在經過某一地域上空飛行時，通信鏈路顯示誤碼率明顯增加，甚至會出現通信狀態失鎖的現象，這種現象的出現，對無人升空平臺通信鏈路的可靠性產生了嚴重影響，使得無人升空平臺地空通信鏈路系統的作用距離明顯下降。這是一種電波傳輸弱區現象，造成這種現象的主要因素是無人升空平臺在該區域接收信號電平受到了干涉型衰落。

這種由無線電波的多徑傳輸引起的干涉型衰落現象，在無人升空平臺的保障中經常出現。由于在無人升空平臺保障中，平臺和地面控制站之間傳輸信號的途徑有很多條，而每條傳輸路徑的傳輸媒質的不同和各種媒質傳輸速率的不同，使得從信號發出點到接收點之間的出現時延現象，在接收機接收到信號后，會對各信號進行合成處理，由于信號的時延，信號的幅度和相位在合成后會出現隨機起伏，從而產生了影響地空通信鏈路作用效果和距離的現象。

本文針對這種情況，對無人升空平臺地空鏈路系統中無線電波干涉效應進行了分析，并著重對這種效應對作用距離的影響進行了研究。

1 無線電波干涉效應的理論分析

在無人升空平臺的地空鏈路通信中，無線電波的傳輸不可避免地受到周圍的地形地貌和氣候環境的影響。由于地物的反射和折射，使得無人升空平臺接收到許多不同路徑傳輸過來的信號。這種多徑傳輸和反射條件引起的相位差和幅度差，多徑衰落現象在這種條件下出現。多徑衰落引起接收端信號電平波動，從而影響了無人升空平臺的測控距離。無人升空平臺地空鏈路使用的信號波長較短，路徑引起的相位差就會比較大，因此無線電波的干涉效應的效果影響明顯。

根據無人升空平臺地空鏈路系統的信道特點和實際情況，可以通過建立電波二徑傳播模型，計算衰減值來確定地空鏈路系統電波的干涉效應。為了完成模型的建立，需要進行基于以下的假設。

（1）無人升空平臺與地面站之間可以直接通視，接收信號主要來自直射波。

（2）無線電波傳播時發生鏡面反射的條件是遇到兩種不同介質的平滑界面。

（3）無人升空平臺在離反射區較遠飛行時，平面波是到達反射區的主要無線電波，按照平面波的反射定律來計算。

（4）多徑的路徑數量較少。當遙控站附近的強反射體較少，無人升空平臺又在較高的空域飛行時，主要由地表特殊的地形產生反射。

2 無線電波二徑傳播模型

本文選擇地空鏈路系統中一條直射波和一條反射波兩條比較具有代表性的多徑傳輸路徑進行分析。假設如圖1中無人升空平臺位于A點，地面控制站天線位于B點，反射點是P點。無人升空平臺在高度為h1的上空飛行，地面控制站天線高度為h2，直射波為r1，反射波為r2，無人升空平臺地面控制站的作用距離為d。

由于地空鏈路作用距離d>>h1，h2，地面站接收電波的仰角很小，接收點場強可以表示為：

E=2E1sin2πh2h1dλ（1）

其中，直射波場強的有效值是E1=173PTGT/d（mV/m），這也是電波在自由空間傳播時的場強值E0，地面天線發射功率和功率增益分別為PT，GT。

我們將地空鏈路系統中電波二徑傳播模型的總場強和直射波場強之比定義為深衰落強度F：

F=EE0=2sin2πh2h1dλ（2）

電波在自由空間傳輸中的損耗為：

Lbf=32.45+20logf（MHz）+20logd（Km）（dB）（3）

其中，f為無線電波的工作頻率，d為作用距離，所以在電波二徑傳播模型中無人升空平臺地空鏈路系統的空間損耗L1為：

L1=Lbf+10logF（4）

通過對上述內容的分析，從中可以看出一些電波二徑傳播模型的基本特征：

（1）接收點場強隨地面測控站天線高度變化和作用距離的增大而呈現波動變化。接收點場強迭加了直射波和反射波，直射波和反射波在接收點處，兩者相位相同則場強最大值。反之相位相反時，場強最小。如果天線高度發生變化，則反射點的位置也就變化了，從而使得直射波和反射波的波程差出現了變化，兩者的相位差也隨之而變。而隨著作用距離的增大，引起了直射波和反射波的波程差Δr的變化，當這個變化達到半個波長的差異時，接收點場強就有可能會出現從極大值變為極小值這種波動變化。

（2）在無人升空平臺地面測控站作用距離和天線高度不變時，通過改變無線電波的波長也會出現相似的變化。也就是接收點場強會在在某些波長上達到最大值，又在另外一些波長上出現最小值。這是因為波程差Δr雖然不變，但對不同的波長卻產生了不同的相位差，從而產生了不同幅度的干涉場強。

3 仿真分析

為了驗證地空鏈路作用距離計算中電波二徑傳播模型對電波干涉效應衰減值的影響，本節采用Matlab仿真工具對此模型進行分析。

仿真條件一：無人升空平臺飛行高度h1=1000m，地面發射天線高度h2=4m和5m，無線電波頻率f=2350MHz。仿真結果如圖2a所示

仿真條件二：無人升空平臺飛行高度h1=2000m，地面發射天線高度h2=4m，無線電波頻率f=2350MHz。仿真結果如圖2b所示。

仿真條件三：無人升空平臺飛行高度h1=1000m，地面發射天線高度h2=4m，無線電波頻率f=740MHz。仿真結果如圖2c所示。

從以上圖中可以看出：

（1）電波二徑傳播模型中無人升空平臺飛行過程中地空鏈路作用距離會存在不同程度的電波衰減。

（2）無線電波干涉效應的不能因為改變地面發射天線高度和無人升空平臺飛行高度而避免，這些改變只能引起無線電波的干涉衰減位置的改變。

（3）工作頻率越低，無線電波干涉衰減隨著工作頻率的增大而增大，并且電波干涉衰減區域也明顯增多。

4 小結

本文主要討論了無人升空平臺地空鏈路信號傳播的干涉效應，建立了電波二徑傳播模型，并利用此模型計算了無人升空平臺飛行過程中出現的干涉效應衰減值和信號衰落的分布情況，并通過推導計算，得出了無人升空平臺飛行高度、地面測控站天線高度與工作頻率和電波衰減之間的函數關系，并對此進行了仿真，仿真結果論證了二徑傳播模型在無人升空平臺地空鏈路系統中分析遙測遙控作用距離的可行性。

參考文獻：

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[4]肖景明，王元坤.電波傳播工程計算[M].西安電子科技大學出版社，1989.

作者簡介：郭道通（1981），男，河南洛陽人，工程師。