再入遙測信道建模與分析

曾海彬，孟　瑋，陳　靜，郭肅麗

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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再入遙測信道建模與分析

曾海彬1，孟瑋2，陳靜2，郭肅麗2

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對再入遙測飛行器的測控過程中落區(qū)目標(biāo)飛行器接收信號會出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象，研究再入遙測飛行器的環(huán)境，分析了再入遙測信道的特性，將再入遙測信道建模為時變的二徑萊斯信道，通過建模仿真，模擬目標(biāo)信號經(jīng)過信道后信號功率的變化情況，并從天線架高和載波頻率2個方面分析了其對信道特性的影響，得出結(jié)論表明，降低接收天線架高和采用頻率分集接收的方式是比較有效的對抗多徑效應(yīng)的方法。

再入遙測；二徑信道；信道建模；分集接收

0　引言

再入遙測技術(shù)主要指飛行器在再入大氣層過程中的各種物理參數(shù)進(jìn)行測量的一項專門技術(shù)。在飛行器的整個飛行過程中接收測控通常會在航程中分布多個測站采用接力模式進(jìn)行，而再入遙測落區(qū)飛行器的測控尤其重要，但是通過多次的試驗發(fā)現(xiàn)落區(qū)測站的接收信號通常都非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)信號中斷的情況，因此有必要分析再入遙測信道的特性，得到影響接收信號質(zhì)量的關(guān)鍵因素及改善措施。

由于飛行器的移動，再入遙測信道屬于移動無線信道的一種，另外分析再入遙測飛行器所處環(huán)境，可以發(fā)現(xiàn)再入遙測飛行器一般都會在較為空曠的地區(qū)進(jìn)行飛行，直達(dá)波總是存在，反射波可以只考慮地面反射，因此可以考慮再入遙測信道為時變二徑萊斯信道[1,2]。本文將通過對再入遙測信號建模[3]，分析信道特性的影響因素，研究改善接收信號質(zhì)量的有效手段。

1　再入遙測信道建模

兩徑反射萊斯信道沖激響應(yīng)可以建模為[4-5]：

c(τ,t)=αδ(τ)+βejwcτ0(t)δ(τ-τ0(t))。

式中，α為直射路徑的衰減因子，與路徑損耗有關(guān)[6]；β為反射路徑的衰減因子，與路徑損耗和反射介質(zhì)的反射系數(shù)有關(guān)[7]；wc為載波頻率；τ0(t)為兩徑時延差。由于地面起伏的隨機(jī)性，上述衰減因子和時延差都不是固定值，但是可以用其統(tǒng)計特性來表示，下面的仿真分析中就只考慮其統(tǒng)計均值。

圖1　球面二徑反射模型

根據(jù)上式可以計算出主反射點到通信雙方天線的距離d1和d2，進(jìn)而解算出反射波和直射波的路程差和兩徑反射時延差[10]，模擬得到兩徑反射信道沖激響應(yīng)和再入遙測信道中落區(qū)目標(biāo)信號經(jīng)過信道后功率的變化情況。

2　再入遙測信道分析

根據(jù)上述的信道模型，設(shè)置仿真參數(shù)如下：天線架高5 m，目標(biāo)飛行器初始高度為150 km，水平初始距離為250 km，目標(biāo)直線運動，歷經(jīng)32 s落到地面，落地點距離接收站10 km。由設(shè)置的幾何參數(shù)得到二徑萊斯信道的參數(shù)和沖激響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而可以得到目標(biāo)信號經(jīng)過信道后的功率隨時間的變化情況，如圖2所示。

圖2　接收信號功率隨時間的變化情況

由圖2可以看出，目標(biāo)信號經(jīng)過信道后產(chǎn)生了一系列的深衰落點，衰落的深度與反射介質(zhì)的反射系數(shù)有關(guān)，衰落點的位置由兩徑信號之間相位差決定，當(dāng)相位差為180°時衰落到最深點。

衰落點造成接收信號功率的不穩(wěn)，尤其是在目標(biāo)距離接收站較遠(yuǎn)時，由于路徑的損耗信號電平本來就很低，在衰落點處的信號會低于接收解調(diào)門限，造成接收信號中斷的現(xiàn)象。

在目標(biāo)由遠(yuǎn)至近的運動過程中，由于兩徑時延差的變化變快，導(dǎo)致衰落點的出現(xiàn)頻率變快，但由于目標(biāo)距離變近，自由空間路徑損耗小補(bǔ)償了多徑衰落深度，后期的多徑衰落不會太影響信號的接收。

上述所有的仿真分析結(jié)果都與實際測試中出現(xiàn)的現(xiàn)象能較好的吻合，這也驗證了仿真分析的正確性。

3　信道特性影響因素分析

通過上面的仿真分析可以看出，影響信道特性的關(guān)鍵因素是兩徑之間的相位差wcτ0(t)，如果兩徑信號相位差小于90°，則接收信號功率會增強(qiáng)，反之信號功率會減小，造成信號衰落。其中，wc為載波頻率；而τ0(t)為兩徑時延差，受接收天線架高的影響較大。因此，可以從載波頻率和天線架高2個方面分析其對信道特性的影響。

3.1接收天線架高的影響分析

為了驗證接收天線架高對信道的影響，進(jìn)行如下仿真：假設(shè)接收天線為全向天線，天線布站幾何關(guān)系固定，改變天線的高度得到天線高度分別為10 m、5 m和1 m情況下的接收信號功率變化情況，如圖3所示。

圖3　天線高度對信道特性的影響

由圖3可以看出，在天線較高的情況下接收信號的深衰落點較多，10 m高度時低于-210 dB的衰落點有5個，5 m時有2個，1 m時沒有深衰落點。因此在此情況下，天線架高越低越有利于對抗多徑干擾。

3.2信號載波頻率的影響分析

假設(shè)選取2個不同的載波頻率f1和f1+Δf，兩徑時延差為τ0，如果存在

Δf·τ0=n·0.5,n=1,3,5,…),

則由于多徑時延差造成的兩徑之間的相位差在2個不同的載波頻率上就會產(chǎn)生完全相反的疊加效果。即如果對f1兩徑相位反相疊加出現(xiàn)深衰落，則對f1+Δf會出現(xiàn)兩徑同相疊加增益變大。

由此，當(dāng)合理選取不同頻率的信號進(jìn)行頻率分集傳輸，使2個頻率的信號不會在同一時刻產(chǎn)生深衰落，可以較好地對抗多徑干擾，如圖4所示，載波頻率相差50 MHz的2個頻率分量Δf·τ0≈1.5，得到的接收信號功率出現(xiàn)衰落的時刻幾乎正好相反。

圖4　信號載波頻率對信道特性的影響

4　結(jié)束語

本文分析了再入遙測信道的特性，針對再入遙測的特殊環(huán)境進(jìn)行了信道建模仿真，將再入遙測信道建模為時變的二徑萊斯信道，并仿真了信號經(jīng)過信道后的功率變化情況，仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果有很好的相似性，即在目標(biāo)的運行過程中會出現(xiàn)功率衰落點。分析了影響信道特性的關(guān)鍵因素，認(rèn)為降低接收天線架高和采用頻率分集接收的方式是比較有效的對抗多徑效應(yīng)的方法。上述的仿真分析結(jié)果為工程實現(xiàn)提供了一定的技術(shù)支持，在不改變現(xiàn)有的硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上選用合適的載波頻率和接收天線架高，可以有效地降低多徑干擾帶來的影響。

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[2]謝益溪.無線電波傳播：原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008：49-60.

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[10]梁保衛(wèi),高紅濤.無人機(jī)飛行過程中信號弱區(qū)的分析[J].無線電工程，2006，36(7)：36-38.

曾海彬 女，(1976—)，博士，高級工程師。主要研究方向：無線電遙測遙控技術(shù)。

孟瑋女，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：遙測遙控技術(shù)。

Modeling and Analysis of Reentry Telemetry Channel

ZENG Hai-bin1,MENG Wei2,CHEN Jing2,GUO SU-li2

(1.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

To address the issue of signal reception interruption of the reentry telemetry aircraft,the special environment of reentry telemetry aircraft and the characteristics of reentry telemetry channel are analyzed.The channel can be modeled as a time variable two-ray reflection Rice channel.The signal power of aircraft passed through this channel is simulated,and the impact to the characteristics of channel is analyzed with respect to the height of antenna and the frequency of carrier.And it is concluded that the impact of multi-path effect can be reduced by lowering the height of antenna and using frequency diversity reception.

reentry telemetry;two-ray reflection channel;channel modeling;diversity reception

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.15

2016-05-11

TN914

A

1003-3106(2016)09-0059-02

引用格式：曾海彬,孟瑋,陳 靜,等.再入遙測信道建模與分析[J].無線電工程,2016,46(9):59-60,72.