基于飛行模擬軟件的航空信道通信覆蓋特性研究

盧毅 水宜水 徐林

【摘要】? ? 針對航空信道下的通信覆蓋效果問題，以飛行模擬軟件作為虛擬通信端節(jié)點，綜合考慮飛行狀態(tài)、天線電磁輻射特性及地形環(huán)境對信號傳輸?shù)挠绊懀岢隽艘环N基于飛行模擬軟件的通信覆蓋特性分析方法，通過獲取飛行參數(shù)，建立坐標系統(tǒng)，重構(gòu)信道場景，對飛行平臺與地形因素進行參數(shù)映射，結(jié)合通信端性能，得出實時通信覆蓋效果，可為實際環(huán)境下的通信應用提供有效驗證與支撐。

【關(guān)鍵詞】? ? 通信覆蓋? ? 飛行模擬? ? 坐標系統(tǒng)? ? 參數(shù)映射

引言：

對于具有特定需求的廣域覆蓋通信場景，將基站升空是一種行之有效的通信手段，航空通信覆蓋能力考察的是空中飛行器和地面通信站之間可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲缶嚯x范圍。

目前已有較多專門針對航空信道特性的分析成果，有學者對高空平臺站提出了一種空時信道模型[1]，根據(jù)飛行器的各飛行階段對信道模型進行了分析[2]，基于地形信息對平流層通信系統(tǒng)進行了衰減預測[3]，基于飛行軌跡對無人機動態(tài)信道進行了建模分析[4]。此外，也有學者針對船舶空海通信的具體應用進行了鏈路預算分析[5]，但其未考慮飛行姿態(tài)等影響因素。

本文根據(jù)航空通信應用場景特點，將飛行器及地形因素納入，對通信場景進行重構(gòu)，采用適合于空地通信的信道模型，考察信號衰落情況，基于飛行模擬軟件對空地通信覆蓋特性進行分析，給出了一種實時的仿真方法，為實際通信應用提供了新的驗證思路。

一、航空信道通信場景重構(gòu)與參數(shù)映射

1.1 飛行模擬軟件二次開發(fā)

飛行模擬軟件選用X-Plane進行二次開發(fā)，通過查詢與飛行參數(shù)相對應的變量名，對需要的飛行參數(shù)逐一綁定，設定好定時器，用以確定飛行參數(shù)的下發(fā)周期，并配置好數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ哦丝?，完成所有功能的編碼后進行編譯，生成功能插件。功能插件生成后，動態(tài)加載到飛行模擬軟件中，將自動關(guān)聯(lián)飛行器的飛行位置、海拔、速度、姿態(tài)等飛行參數(shù)，當進入飛行模擬界面時，飛行參數(shù)即可以一定周期實時向指定的目的端口進行下發(fā)。

1.2 坐標系定義

ECEF坐標系：原點與地球質(zhì)心重合，Xe軸指向格林威治平子午面與地球赤道的交點，Ze軸指向地球北極，Ye軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標系;

LLA坐標系：又稱大地坐標系，原點位于參考橢球的中心，與地球的質(zhì)心重合，地面任一點坐標可表示為（λ，， h）。其中，λ為地理經(jīng)度，為地理緯度，h為大地高度。

導航坐標系：又稱東北天坐標系，該坐標系以載體重心為原點，Xg軸指向東，Yg軸指向北，Zg軸指向天頂。

載體坐標系：以載體重心為原點，Xd軸沿載體縱軸向前，Yd軸沿載體橫軸向左，Zd軸沿載體立軸向上。

2.3 地形數(shù)據(jù)調(diào)用

地形數(shù)據(jù)采用地形高程文件，利用Matlab軟件對文件進行數(shù)據(jù)讀取與解析，確定源地形文件對應的經(jīng)緯度范圍、起始經(jīng)緯度、經(jīng)緯度間隔等信息，若目標點的經(jīng)緯度恰與源文件中數(shù)據(jù)點一致，則可直接讀取該點對應的高程信息，否則利用與目標點經(jīng)緯度相鄰的四個點所對應的高程信息，采用雙線性插值法得出目標點對應的高程信息，通過數(shù)據(jù)處理后即可獲得任意經(jīng)緯度下的地形高程信息。

2.4 天線電磁輻射特性參數(shù)映射

天線電磁輻射特性對信號傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在天線增益上。設地球長軸半徑為Re，短軸半徑為Rp，地球橢球第一偏心率為e，發(fā)射端經(jīng)緯度、海拔高度分別為λT、T、hT，接收端經(jīng)緯度、海拔高度分別為λR、R、hR，據(jù)此可得發(fā)射端沿卯酉圈的主曲率半徑，接收端沿卯酉圈的主曲率半徑，將收發(fā)端兩點由LLA坐標系向ECEF坐標系轉(zhuǎn)換，可得在LLA坐標系下發(fā)射端與接收端的坐標如下：

然后將發(fā)射端的ECEF坐標通過轉(zhuǎn)換矩陣向接收端對應的導航坐標系轉(zhuǎn)換，接著將該坐標通過轉(zhuǎn)換矩陣由導航坐標系向接收端對應的載體坐標系轉(zhuǎn)換;設發(fā)射端指向接收端的向量為，則在發(fā)射端載體坐標系下的坐標即為接收端在發(fā)射端載體坐標系下的坐標，通過的坐標得出球坐標下的天頂角與方向角，進而通過方向圖索引出該方向上的發(fā)射天線增益;同理，可得該方向上的接收天線增益。

三、通信覆蓋能力測算

3.1 信道路徑損耗分析

對于空地通信覆蓋應用，采取ITU-528信道模型進行路損計算，ITU-528建議書包含了預測125～15500MHz頻率范圍內(nèi)、收發(fā)距離在1800km以內(nèi)、天線海拔高度不超過20000m范圍內(nèi)的航空和衛(wèi)星業(yè)務基本傳輸損耗的方法。

ITU-528模型給出了距離、收發(fā)天線海拔高度、工作頻率、置信度在某些特定值下的路損標稱值，而全范圍下的路損則需要通過插值的方式得到，通過場景重構(gòu)與參數(shù)映射，以通信雙方經(jīng)緯度為輸入?yún)?shù)，可以方便計算出通信雙方的距離，且收發(fā)端的天線高度是確定的，再設定工作頻率與信道模型置信度，便可對路徑損耗進行計算。

3.2 通信覆蓋計算

通信覆蓋能力計算主要考察接收信噪比（SNR）是否滿足要求，SNR=Pt+Gt+Gr-PL-N0-IL，其中，Pt為發(fā)射功率，Gt、Gr為發(fā)射與接收天線增益，PL為路損，N0為噪聲功率，IL為通信設備總插損。根據(jù)之前所述，PL，N0，IL均易求解，而Gt、Gr可根據(jù)之前所述天線增益參數(shù)映射方法進行計算，故可得SNR。

據(jù)此進一步計算通信覆蓋范圍，結(jié)合某一傳輸方向上對應的收發(fā)天線增益，可得出在該方向上信號正確接收所允許的最大路損，進而可反推出該方向的通信距離，若超出了視距邊界，則將該值限制在邊界，同時，判斷該方向?qū)孛嫔宵c的地形高度是否遮擋收發(fā)點的連線，最終得出考慮天線與地形影響下的有效通信距離。根據(jù)仿真的實時性要求，在實際計算時選取72個方向進行計算，即每個方向角度間隔為5°。

四、通信覆蓋特性仿真

基于飛行模擬軟件的飛行過程動態(tài)模擬，可以對通信覆蓋進行實時仿真。在飛行模擬軟件中選取我國珠三角某一地點作為飛行器所在位置，以此為虛擬的空中基站，升空高度約3000m，假定通信頻率為500MHz，信息速率為512kbps，發(fā)射功率為10W，通信帶寬為1MHz，信號可正確解調(diào)的門限值為10dB，同時，考慮兩種天線輻射特性，如圖1所示。

在兩種天線輻射特性下，啟動飛行模擬軟件，結(jié)合Matlab進行通信計算，分別可得到通信覆蓋情況如圖2、圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，在不同方向上的通信能力受到地形的影響較為明顯，在山區(qū)部分，由于遮擋將降低通信距離，而在靠近平原的地區(qū)，遮擋較少，通信距離較大;同時，不同的天線輻射特性，對應的覆蓋能力不同，第一種天線輻射特性對應的最小覆蓋半徑為114.5km，而第二種天線輻射特性對應的最小覆蓋半徑為107km。

五、結(jié)束語

本文基于飛行模擬軟件，提出了一種實時的航空信道通信覆蓋特性分析方法，飛行模擬軟件的引入使得通信場景可遍歷幾乎全球任何地點與空間，大大提高了通信覆蓋仿真的廣泛性，同時飛行器可模擬不同的飛行狀態(tài)，天線電磁輻射特性可替換，具有很強的擴展性，地形數(shù)據(jù)的調(diào)用亦使得環(huán)境影響更為逼真，實時仿真結(jié)果表明，通信覆蓋能力隨天線與地形的影響而變化，本方法為實際環(huán)境下的通信應用提供了有效的驗證與支撐手段。

參? 考? 文? 獻

[1]李含青， 郭慶， 楊明川. 一種高空平臺站通信系統(tǒng)的空時信道仿真模型研究[J]. 設計與實現(xiàn)， 2008.

[2]劉婷婷. 航空信道的建模及其應用[D]. 杭州電子科技大學， 2009.

[3]李霄翔， 何晨， 諸鴻文. 基于地形信息的平流層通信系統(tǒng)傳播衰減預測[J]. 上海交通大學學報， 2002.

[4]周生奎. 無人機動態(tài)信道建模及硬件實時模擬研究[D]. 南京航空航天大學， 2015.

[5]陳永鋒， 吳波濤， 趙孟軒等. 船舶超短波對空電臺信道分析與使用策略研究[J]. 電子測量技術(shù)， 2019.