系统级链路预算方法

刘 焱 苏东林 张 恺 李尧尧

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191)

飞行器在空中要保持正常的通信，则飞行器必须与其他系统建立可靠的无线数据链路.实现空地无线数字正常通信的必要条件为:发射机发射功率经过空间传输后，到达接收机的接收端接收到的信号能量不小于接收机灵敏度要求［1］.因此评估链路预算对保证通信链路的可靠是至关重要的.研究者对系统间的数据链作了大量的工作，文献［2-3］中提到的链路方法依赖于简单的线性叠加，文献［1］考虑到了天线的方向性，模型中带入的是标称的发射天线增益和接收天线增益以及天线的理论方向函数.然而由于飞行器本身结构的复杂，天线的方向性增益将产生突变，这一突变极有可能造成通信盲区.同时飞行器还必须具备一定的姿态要求，如果姿态不符合要求，天线也可能被遮挡而造成通信盲区.本文提出了一种系统级链路预算方法，该方法考虑了飞行器结构、姿态以及气候对链路预算的影响，对实际装机后的天线参数数据进行挖掘使飞行器在不同姿态下的链路预算分析更为准确.

1 空间坐标系

如图1所示，(θR，φR)和(θT，φT)分别为收发天线方向图的θ角和φ角，将地面导航站o'作为发射天线的坐标原点，沿着跑道方向作为x轴，垂直于跑道方向为y轴，地面的法向方向为z轴，飞机在该坐标系下的位置 o为(x，y，z)，计算(θT，φT)时以飞机作为目标.将飞机位置o作为接收天线的坐标原点，机尾至机头取向为x轴方向，飞行器侧翼轴线方向为y轴方向，飞行器平面的法向轴线为z轴，计算(θR，φR)时以地面站作为目标.飞行器姿态用 ω，γ，φ 表示，姿态(0，0，0)是指飞行器水平于地面飞行，飞行轨迹为地面坐标系的x轴负半轴的平行线时的姿态.以(0，0，0)为基准，ω为飞行器的翻滚角，绕x轴旋转;γ为飞行器的俯仰角，绕y轴旋转;φ为飞行器的方位角(偏航角)，绕z轴旋转.右手旋为正，左手旋为负.

图1 飞行器坐标示意图

由几何关系，可推导出旋转变换矩阵T［4-5］:

在外场测试时，飞行器都是按固定的航线飞行的，飞行器本身能够记录自身的位置和姿态.已知飞行器位置坐标(x，y，z)、地面站坐标系的(ω，γ，φ)，姿态改变后，飞行器坐标为(x'，y'，z')，则变换矩阵为

2 系统链路预算模型

2.1 极化失配项

极化失配对链路的影响较大，然而其检测却是一个难点，本文通过商业软件仿真出装机后天线的轴比AT和AR以及倾角α和β［6］，以文件交互格式导入到运算平台便可计算出极化失配项.分三种情况计算［7］:

若发射和接收天线两者均为线极化或两者有一为线极化，极化失配因子可用下式计算:

2.2 自由空间损耗

设发射机到接收机的距离为d(km)，系统的工作频率为f(MHz)，则电波从发射机到接收机的自由空间损耗为［8］

2.3 链路预算模型

全系统的链路余量是考察系统间通信性能的主要指标，链路单元图如图2所示，它取决于收发天线的参数、波导损耗和空间损耗.假设PT是指发射机的全向辐射功率，GT和GR分别代表发射天线和接收天线的方向图增益，接收机灵敏度为SR，Lt和Lr是波导损耗，天线极化适配衰减为Lp，自由传输空间衰减为L［8］.则全系统的链路余量可表达如下:

图2 链路单元组成

2.4 系统级链路预算方法

系统级链路预算方法如图3所示，具体的实现过程如下:

1)利用矩量法计算出天线装机后的方向图参数，将其存入数据库.

2)根据飞行器的飞行路径推导出θ和φ.

3)将θ和φ作为输入，在数据库中匹配查找得到相应的方向增益和一些有用参数，从而推导出极化失配项Lp.

4)将运算出的所有参数带入式(12)导出数据链路余量.

图3 系统级链路预算方法

3 链路预算实例

某型飞机的超短波通信天线与地面站天线之间的链路预算，以及下降过程中航向天线与航向台站之间的链路预算，是主机厂所迫切需要了解的，应用2.4节方法分析如下.

3.1 超短波天线与地面站通信

通信链路选取的典型参数如表1所示.

表1 超短波通信链路选取的典型参数

利用矩量法对地面站天线和装机后的天线进行运算，地面站天线的方向图如图4所示，装机后的超短波天线的方向图如图5所示.

图4 地面站天线方向图

图5 超短波通信天线畸变方向图

图6是该型飞机在高度为1 km，姿态为(0，0，0)，平行飞行时地面站上空周围100 km范围内的数据链路余量的仿真图.

由浅到深的颜色分别代表链路风险逐渐变大，在表1的配置下由运算结果可知在地面站的上空存在着顶空盲区，离导航站水平距离40 km远处，方位角为310°～360°区域出现了大片通信链路盲区，在规划航迹时可以尽量地避开这些区域.

3.2 航向天线与航向台通信

图6 飞机水平直飞时链路的覆盖情况

ILS(Instrument Landing System)是由航向系统和下滑系统以及一些信标组成的，航向信标台站天线方向图由两个对称尖锐的波瓣构成，分别用两个不同频率的信号调制，接收机接收到信号后比较两个波瓣的相位大小，达到指引飞机向中心线跑道方向飞的目的［9］.

典型的飞机进近线路如图7所示，可分为起始进近航段;飞向程序转弯点;持续下滑阶段.在持续下滑阶段飞机保持7°的俯角向下滑行，分别经过中间进近点、最后进近点和决断点.持续下滑阶段的目的是要让飞机持续下降的同时对准跑道，到达决断点后飞行员需要决定是否能目视跑道，若无信心则需加大油门复飞再进近.在持续下滑阶段飞行器姿态改变，为了评估该阶段链路的通信链路问题，定义了航向台、航向天线以及环境的关键参数，如表2所示.

图7 典型的飞机进近示意图

设计了一种航向台站天线，该天线是由98个对数周期天线构成的一个天线阵，它可以产生对称于跑道的十分尖锐的两瓣，方向图如图8所示.航向天线装机后的畸变方向图如图9所示.

表2 航向通信链路选取的典型参考值

图8 地面站天线阵方向图

图9 航向天线畸变方向图

飞行器持续下滑时飞机姿态(ω，γ，φ)为(0，7，φ)，偏航角φ会在较小的区域不断变化，而航向天线的目的是将φ调整到0°，从而使飞机对准跑道，分析偏航角φ在(-5，5)度之间变化时BP(Begin Point)，MP(Middle Point)，FP(Final Point)三处的链路余量，如图10所示.

图10 关键点处链路预算

由分析结果可知下滑过程中飞行器航向天线和航向台站之间的链路余量在飞行器对准跑道时最小，在BP、MP、FP三个关键点处的通信链路余量都大于10 dB，所以可以认为在飞行器降落时飞行器姿态对航向天线与地面站台之间的通信并未造成遮挡，因此在表2的配置下，通信链路预算是够用的，装机可以使用该类航向天线.

4 结束语

考虑到复杂飞行器模型以及气候条件等因素对天线方向图的影响，本文提出了实际应用中的飞行器数据链路预算模型，并对模型进行了分析，基于该模型提出了预算分析平台，最后应用该平台分析了某超短波天线与地面站天线之间链路的链路余量问题，以及飞机进场阶段航向天线与终端区航向台站间的通信链路问题，表明该方法能有效地计算链路的通信链路效能.通过概率统计知识对空间衰减、大气衰减和多径损耗进行链路模型的修正，这是本文下一步将研究的内容.

References)

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