基于射线追踪法的航空多径信道建模与仿真

张 薇

(航天恒星科技有限公司，北京100086)

0 引言

随着现代科技与军事力量的发展，航空通信系统包含的范围越来越广，例如导弹与载机之间的通信、飞机与地面测控站之间的通信等等。由于航空飞行器的飞行高度较低，地面复杂的地形环境会引入严重的多径效应，主要表现在系统误码率提高、链路通信质量下降甚至中断。因此研究航空通信中多径信道的建模与仿真具有重要意义［1，2］。多径信道的建模方法主要包括2种:①基于大量的测试数据和经验公式建立的统计预测模型，该模型常用于通信环境比较固定的移动通信系统中;② 射线追踪法，它是基于几何光学的原理，通过模拟射线的传播路径来确定直射径、反射径和散射径等，从而可以精确预测接收与发射之间电磁波传播的多条路径［3－5］。航空飞行器的通信环境具有多样性，地面环境复杂，难以采用统计模型进行预测分析，必须根据特定的环境具体建模分析［6－8］。已有的建模分析方法大都是基于统计预测模型，不适用于航空通信中特定的、复杂的环境［9－12］。本文提出了基于射线追踪法进行航空多径信道建模与仿真的方法，该方法能根据具体的复杂地形环境进行建模，能够同时仿真通信中的多条路径的信号传输情况，仿真结果更加准确、真实地反映航空多径信道情况。

1 Wireless Insite软件

Wireless Insite是基于射线追踪法进行无线信道仿真的工具，采用先进的高频电磁处理方法，使其可以在50 MHz～100 GHz频段内提供精确的计算结果。软件主要用于对城市、郊区和室内等规则区域，山脉和植被区等非规则地形，机场和大型舰船等复杂平台的电磁环境预测分析。该产品基于UTD/GTD理论，采用射线跟踪方法建立传播模型，同时使用计算机图形的方法加速模型的建立和处理。软件所采用的算法当中包括2D、3D以及快速3D的算法，根据绕射的特性以及跟物体相关的反射和透射系数评估电场和磁场，并通过将电场与具体的天线模式相结合来计算路径损耗、接收功率、到达时间以及到达角度等。

2 模型建立与仿真

以航空飞机在机场着陆段与地面测控站通信过程中的多径电磁环境分析为例，对模型的建立与仿真的方法过程进行介绍。

2．1 仿真区域地形环境设置

根据项目中的飞机飞行轨迹及地面测控站所在的机场区域，设置模型中的地形环境(terrain)的经纬度范围及高度。机场的地面材料设置为混凝土材料(concrete)，相对介电常数 15．0。

在某些项目中，飞行器飞行的地面环境为野外的不规则地形，此时的地形环境可以通过直接导入数字高层地图的方式设置。

2．2 发射机与接收机设置

这里发射机是指飞机，接收机是指地面测控站。

①发射机与接收机位置设置:根据飞机的飞行轨迹和地面测控站的位置对发射机和接收机位置进行设置。

②发射机与接收机姿态设置:飞机飞行过程中，姿态(横滚角、偏航角和俯仰角)在不断变化，导致机上天线的波束指向在变化，根据飞机的飞行姿态对发射机的旋转角度进行设置。对于接收机，地面测控站的天线是实时指向飞机的，因此也是随着飞机轨迹位置在实时调整。根据飞机与地面测控和站的相对位置关系对接收机的旋转角度进行设置，保证地面测控站的天线是实时指向飞机。

③发射机天线与接收机天线设置:根据实际情况，导入发射机天线与接收机天线的仿真的增益方向图。

④发射机发射功率设置:根据项目实际情况，对发射机的发射功率进行设置。

2．3 仿真设置

仿真设置包括:① 仿真频率设置;②研究区域设置:研究区域(Study Area)为软件实际计算的区域，应为包含了发射机和接收机位置的区域;③ 求解设置:采用Vertical plane模型进行计算，计算反射径数目设为6条，散射径数目设为1条。当然，也可根据需要更改反射径和散射径数目，数目越多，结果越准确，仿真时间越长。

2．4 仿真结果及分析

2．4．1 电磁波传播的多径情况

本项目中，地形为平坦的地面，因此实际到达接收机的路径只有直射径和反射径，没有散射径，多径情况较为简单。接收天线的接收功率门限值设置为－250 dBm，因此到达接收机的功率低于－250 dBm的路径将被舍弃。仿真的多径情况如图1所示。

从仿真结果中可以看出，在飞行轨迹初期段，接收路径为1条直射径和1条反射径，到后段变为1条直射径和2条反射径，到末段只剩下1条直射径。这跟发射机与接收机的位置姿态及地形环境都有关。

2．4．2 接收机的接收功率

仿真的总接收功率、直射径接收功率和主反射径接收功率如图2所示。其中，总接收功率指的是所有路径合成的总接收功率，主反射径接收功率指的是反射径中接收功率最大的路径的接收功率。

图1 仿真的多径情况

图2 接收机的接收功率

从仿真结果中可以看到，由于多径的影响导致总接收功率有一定的起伏。在470～500 s时间段，飞机飞行轨迹有个迅速的转弯，天线指向发生偏离，导致接收功率快速下降。在飞行末段，飞机快速靠近地面站，导致接收功率快速增大，由于飞机与地面站位置较近，反射径接收功率变化剧烈，对总接收功率的影响减小。总得来说，由于机场地面环境平坦，因此多径影响不大。

2．4．3 接收路径延时

接收路径延时指的是发射机到接收机的传输延时。仿真的直射径延时、主反射径延时以及直射径与主反射径延时的差值如图3所示。

图3 仿真结果

从仿真结果可以看到，直射径与主反射径的延时在10－4量级，并且随着飞机逐渐靠近地面站，延时逐渐减小;直射径与主反射径的延时差值在10－6量级。随着飞机逐渐靠近地面站，延时差值开始缓慢变大，而到末段延时迅速变大，这也是跟发射机与接收机的相对位置关系相关。

3 结束语

给出了基于射线追踪法的航空多径信道建模与仿真的方法，并以实际项目为例，对航空多径信道建模与仿真的方法及过程进行了详细介绍。仿真结果真实地反映了航空多径信道情况，从而表明该仿真方法适用于航空通信系统中多径信道的分析，能够为航空通信系统的研制提供指导意义。

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