系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算方法

劉 焱 蘇東林 張 愷 李堯堯

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191)

飛行器在空中要保持正常的通信，則飛行器必須與其他系統(tǒng)建立可靠的無線數(shù)據(jù)鏈路.實(shí)現(xiàn)空地?zé)o線數(shù)字正常通信的必要條件為:發(fā)射機(jī)發(fā)射功率經(jīng)過空間傳輸后，到達(dá)接收機(jī)的接收端接收到的信號(hào)能量不小于接收機(jī)靈敏度要求［1］.因此評(píng)估鏈路預(yù)算對(duì)保證通信鏈路的可靠是至關(guān)重要的.研究者對(duì)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)鏈作了大量的工作，文獻(xiàn)［2-3］中提到的鏈路方法依賴于簡(jiǎn)單的線性疊加，文獻(xiàn)［1］考慮到了天線的方向性，模型中帶入的是標(biāo)稱的發(fā)射天線增益和接收天線增益以及天線的理論方向函數(shù).然而由于飛行器本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，天線的方向性增益將產(chǎn)生突變，這一突變極有可能造成通信盲區(qū).同時(shí)飛行器還必須具備一定的姿態(tài)要求，如果姿態(tài)不符合要求，天線也可能被遮擋而造成通信盲區(qū).本文提出了一種系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算方法，該方法考慮了飛行器結(jié)構(gòu)、姿態(tài)以及氣候?qū)︽溌奉A(yù)算的影響，對(duì)實(shí)際裝機(jī)后的天線參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘使飛行器在不同姿態(tài)下的鏈路預(yù)算分析更為準(zhǔn)確.

1 空間坐標(biāo)系

如圖1所示，(θR，φR)和(θT，φT)分別為收發(fā)天線方向圖的θ角和φ角，將地面導(dǎo)航站o'作為發(fā)射天線的坐標(biāo)原點(diǎn)，沿著跑道方向作為x軸，垂直于跑道方向?yàn)閥軸，地面的法向方向?yàn)閦軸，飛機(jī)在該坐標(biāo)系下的位置 o為(x，y，z)，計(jì)算(θT，φT)時(shí)以飛機(jī)作為目標(biāo).將飛機(jī)位置o作為接收天線的坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)尾至機(jī)頭取向?yàn)閤軸方向，飛行器側(cè)翼軸線方向?yàn)閥軸方向，飛行器平面的法向軸線為z軸，計(jì)算(θR，φR)時(shí)以地面站作為目標(biāo).飛行器姿態(tài)用 ω，γ，φ 表示，姿態(tài)(0，0，0)是指飛行器水平于地面飛行，飛行軌跡為地面坐標(biāo)系的x軸負(fù)半軸的平行線時(shí)的姿態(tài).以(0，0，0)為基準(zhǔn)，ω為飛行器的翻滾角，繞x軸旋轉(zhuǎn);γ為飛行器的俯仰角，繞y軸旋轉(zhuǎn);φ為飛行器的方位角(偏航角)，繞z軸旋轉(zhuǎn).右手旋為正，左手旋為負(fù).

圖1 飛行器坐標(biāo)示意圖

由幾何關(guān)系，可推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)變換矩陣T［4-5］:

在外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，飛行器都是按固定的航線飛行的，飛行器本身能夠記錄自身的位置和姿態(tài).已知飛行器位置坐標(biāo)(x，y，z)、地面站坐標(biāo)系的(ω，γ，φ)，姿態(tài)改變后，飛行器坐標(biāo)為(x'，y'，z')，則變換矩陣為

2 系統(tǒng)鏈路預(yù)算模型

2.1 極化失配項(xiàng)

極化失配對(duì)鏈路的影響較大，然而其檢測(cè)卻是一個(gè)難點(diǎn)，本文通過商業(yè)軟件仿真出裝機(jī)后天線的軸比AT和AR以及傾角α和β［6］，以文件交互格式導(dǎo)入到運(yùn)算平臺(tái)便可計(jì)算出極化失配項(xiàng).分三種情況計(jì)算［7］:

若發(fā)射和接收天線兩者均為線極化或兩者有一為線極化，極化失配因子可用下式計(jì)算:

2.2 自由空間損耗

設(shè)發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離為d(km)，系統(tǒng)的工作頻率為f(MHz)，則電波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的自由空間損耗為［8］

2.3 鏈路預(yù)算模型

全系統(tǒng)的鏈路余量是考察系統(tǒng)間通信性能的主要指標(biāo)，鏈路單元圖如圖2所示，它取決于收發(fā)天線的參數(shù)、波導(dǎo)損耗和空間損耗.假設(shè)PT是指發(fā)射機(jī)的全向輻射功率，GT和GR分別代表發(fā)射天線和接收天線的方向圖增益，接收機(jī)靈敏度為SR，Lt和Lr是波導(dǎo)損耗，天線極化適配衰減為L(zhǎng)p，自由傳輸空間衰減為L(zhǎng)［8］.則全系統(tǒng)的鏈路余量可表達(dá)如下:

圖2 鏈路單元組成

2.4 系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算方法

系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算方法如圖3所示，具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:

1)利用矩量法計(jì)算出天線裝機(jī)后的方向圖參數(shù)，將其存入數(shù)據(jù)庫.

2)根據(jù)飛行器的飛行路徑推導(dǎo)出θ和φ.

3)將θ和φ作為輸入，在數(shù)據(jù)庫中匹配查找得到相應(yīng)的方向增益和一些有用參數(shù)，從而推導(dǎo)出極化失配項(xiàng)Lp.

4)將運(yùn)算出的所有參數(shù)帶入式(12)導(dǎo)出數(shù)據(jù)鏈路余量.

圖3 系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算方法

3 鏈路預(yù)算實(shí)例

某型飛機(jī)的超短波通信天線與地面站天線之間的鏈路預(yù)算，以及下降過程中航向天線與航向臺(tái)站之間的鏈路預(yù)算，是主機(jī)廠所迫切需要了解的，應(yīng)用2.4節(jié)方法分析如下.

3.1 超短波天線與地面站通信

通信鏈路選取的典型參數(shù)如表1所示.

表1 超短波通信鏈路選取的典型參數(shù)

利用矩量法對(duì)地面站天線和裝機(jī)后的天線進(jìn)行運(yùn)算，地面站天線的方向圖如圖4所示，裝機(jī)后的超短波天線的方向圖如圖5所示.

圖4 地面站天線方向圖

圖5 超短波通信天線畸變方向圖

圖6是該型飛機(jī)在高度為1 km，姿態(tài)為(0，0，0)，平行飛行時(shí)地面站上空周圍100 km范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈路余量的仿真圖.

由淺到深的顏色分別代表鏈路風(fēng)險(xiǎn)逐漸變大，在表1的配置下由運(yùn)算結(jié)果可知在地面站的上空存在著頂空盲區(qū)，離導(dǎo)航站水平距離40 km遠(yuǎn)處，方位角為310°～360°區(qū)域出現(xiàn)了大片通信鏈路盲區(qū)，在規(guī)劃航跡時(shí)可以盡量地避開這些區(qū)域.

3.2 航向天線與航向臺(tái)通信

圖6 飛機(jī)水平直飛時(shí)鏈路的覆蓋情況

ILS(Instrument Landing System)是由航向系統(tǒng)和下滑系統(tǒng)以及一些信標(biāo)組成的，航向信標(biāo)臺(tái)站天線方向圖由兩個(gè)對(duì)稱尖銳的波瓣構(gòu)成，分別用兩個(gè)不同頻率的信號(hào)調(diào)制，接收機(jī)接收到信號(hào)后比較兩個(gè)波瓣的相位大小，達(dá)到指引飛機(jī)向中心線跑道方向飛的目的［9］.

典型的飛機(jī)進(jìn)近線路如圖7所示，可分為起始進(jìn)近航段;飛向程序轉(zhuǎn)彎點(diǎn);持續(xù)下滑階段.在持續(xù)下滑階段飛機(jī)保持7°的俯角向下滑行，分別經(jīng)過中間進(jìn)近點(diǎn)、最后進(jìn)近點(diǎn)和決斷點(diǎn).持續(xù)下滑階段的目的是要讓飛機(jī)持續(xù)下降的同時(shí)對(duì)準(zhǔn)跑道，到達(dá)決斷點(diǎn)后飛行員需要決定是否能目視跑道，若無信心則需加大油門復(fù)飛再進(jìn)近.在持續(xù)下滑階段飛行器姿態(tài)改變，為了評(píng)估該階段鏈路的通信鏈路問題，定義了航向臺(tái)、航向天線以及環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，如表2所示.

圖7 典型的飛機(jī)進(jìn)近示意圖

設(shè)計(jì)了一種航向臺(tái)站天線，該天線是由98個(gè)對(duì)數(shù)周期天線構(gòu)成的一個(gè)天線陣，它可以產(chǎn)生對(duì)稱于跑道的十分尖銳的兩瓣，方向圖如圖8所示.航向天線裝機(jī)后的畸變方向圖如圖9所示.

表2 航向通信鏈路選取的典型參考值

圖8 地面站天線陣方向圖

圖9 航向天線畸變方向圖

飛行器持續(xù)下滑時(shí)飛機(jī)姿態(tài)(ω，γ，φ)為(0，7，φ)，偏航角φ會(huì)在較小的區(qū)域不斷變化，而航向天線的目的是將φ調(diào)整到0°，從而使飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)跑道，分析偏航角φ在(-5，5)度之間變化時(shí)BP(Begin Point)，MP(Middle Point)，F(xiàn)P(Final Point)三處的鏈路余量，如圖10所示.

圖10 關(guān)鍵點(diǎn)處鏈路預(yù)算

由分析結(jié)果可知下滑過程中飛行器航向天線和航向臺(tái)站之間的鏈路余量在飛行器對(duì)準(zhǔn)跑道時(shí)最小，在BP、MP、FP三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處的通信鏈路余量都大于10 dB，所以可以認(rèn)為在飛行器降落時(shí)飛行器姿態(tài)對(duì)航向天線與地面站臺(tái)之間的通信并未造成遮擋，因此在表2的配置下，通信鏈路預(yù)算是夠用的，裝機(jī)可以使用該類航向天線.

4 結(jié)束語

考慮到復(fù)雜飛行器模型以及氣候條件等因素對(duì)天線方向圖的影響，本文提出了實(shí)際應(yīng)用中的飛行器數(shù)據(jù)鏈路預(yù)算模型，并對(duì)模型進(jìn)行了分析，基于該模型提出了預(yù)算分析平臺(tái)，最后應(yīng)用該平臺(tái)分析了某超短波天線與地面站天線之間鏈路的鏈路余量問題，以及飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)階段航向天線與終端區(qū)航向臺(tái)站間的通信鏈路問題，表明該方法能有效地計(jì)算鏈路的通信鏈路效能.通過概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)對(duì)空間衰減、大氣衰減和多徑損耗進(jìn)行鏈路模型的修正，這是本文下一步將研究的內(nèi)容.

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