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)包含的范圍越來越廣，例如導彈與載機之間的通信、飛機與地面測控站之間的通信等等。由于航空飛行器的飛行高度較低，地面復雜的地形環(huán)境會引入嚴重的多徑效應，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基于大量的測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式建立的統(tǒng)計預測模型，該模型常用于通信環(huán)境比較固定的移動通信系統(tǒng)中;② 射線追蹤法，它是基于幾何光學的原理，通過模擬射線的傳播路徑來確定直射徑、反射徑和散射徑等，從而可以精確預測接收與發(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)境復雜，難以采用統(tǒng)計模型進行預測分析，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)計預測模型，不適用于航空通信中特定的、復雜的環(huán)境［9－12］。本文提出了基于射線追蹤法進行航空多徑信道建模與仿真的方法，該方法能根據(jù)具體的復雜地形環(huán)境進行建模，能夠同時仿真通信中的多條路徑的信號傳輸情況，仿真結(jié)果更加準確、真實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行無線信道仿真的工具，采用先進的高頻電磁處理方法，使其可以在50 MHz～100 GHz頻段內(nèi)提供精確的計算結(jié)果。軟件主要用于對城市、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，機場和大型艦船等復雜平臺的電磁環(huán)境預測分析。該產(chǎn)品基于UTD/GTD理論，采用射線跟蹤方法建立傳播模型，同時使用計算機圖形的方法加速模型的建立和處理。軟件所采用的算法當中包括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的反射和透射系數(shù)評估電場和磁場，并通過將電場與具體的天線模式相結(jié)合來計算路徑損耗、接收功率、到達時間以及到達角度等。

2 模型建立與仿真

以航空飛機在機場著陸段與地面測控站通信過程中的多徑電磁環(huán)境分析為例，對模型的建立與仿真的方法過程進行介紹。

2．1 仿真區(qū)域地形環(huán)境設置

根據(jù)項目中的飛機飛行軌跡及地面測控站所在的機場區(qū)域，設置模型中的地形環(huán)境(terrain)的經(jīng)緯度范圍及高度。機場的地面材料設置為混凝土材料(concrete)，相對介電常數(shù) 15．0。

在某些項目中，飛行器飛行的地面環(huán)境為野外的不規(guī)則地形，此時的地形環(huán)境可以通過直接導入數(shù)字高層地圖的方式設置。

2．2 發(fā)射機與接收機設置

這里發(fā)射機是指飛機，接收機是指地面測控站。

①發(fā)射機與接收機位置設置:根據(jù)飛機的飛行軌跡和地面測控站的位置對發(fā)射機和接收機位置進行設置。

②發(fā)射機與接收機姿態(tài)設置:飛機飛行過程中，姿態(tài)(橫滾角、偏航角和俯仰角)在不斷變化，導致機上天線的波束指向在變化，根據(jù)飛機的飛行姿態(tài)對發(fā)射機的旋轉(zhuǎn)角度進行設置。對于接收機，地面測控站的天線是實時指向飛機的，因此也是隨著飛機軌跡位置在實時調(diào)整。根據(jù)飛機與地面測控和站的相對位置關系對接收機的旋轉(zhuǎn)角度進行設置，保證地面測控站的天線是實時指向飛機。

③發(fā)射機天線與接收機天線設置:根據(jù)實際情況，導入發(fā)射機天線與接收機天線的仿真的增益方向圖。

④發(fā)射機發(fā)射功率設置:根據(jù)項目實際情況，對發(fā)射機的發(fā)射功率進行設置。

2．3 仿真設置

仿真設置包括:① 仿真頻率設置;②研究區(qū)域設置:研究區(qū)域(Study Area)為軟件實際計算的區(qū)域，應為包含了發(fā)射機和接收機位置的區(qū)域;③ 求解設置:采用Vertical plane模型進行計算，計算反射徑數(shù)目設為6條，散射徑數(shù)目設為1條。當然，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)果越準確，仿真時間越長。

2．4 仿真結(jié)果及分析

2．4．1 電磁波傳播的多徑情況

本項目中，地形為平坦的地面，因此實際到達接收機的路徑只有直射徑和反射徑，沒有散射徑，多徑情況較為簡單。接收天線的接收功率門限值設置為－250 dBm，因此到達接收機的功率低于－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)射機與接收機的位置姿態(tài)及地形環(huán)境都有關。

2．4．2 接收機的接收功率

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 接收機的接收功率

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

2．4．3 接收路徑延時

接收路徑延時指的是發(fā)射機到接收機的傳輸延時。仿真的直射徑延時、主反射徑延時以及直射徑與主反射徑延時的差值如圖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在10－4量級，并且隨著飛機逐漸靠近地面站，延時逐漸減小;直射徑與主反射徑的延時差值在10－6量級。隨著飛機逐漸靠近地面站，延時差值開始緩慢變大，而到末段延時迅速變大，這也是跟發(fā)射機與接收機的相對位置關系相關。

3 結(jié)束語

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，并以實際項目為例，對航空多徑信道建模與仿真的方法及過程進行了詳細介紹。仿真結(jié)果真實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，能夠為航空通信系統(tǒng)的研制提供指導意義。

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