Ka波段临近空间飞行器的信道误码特性

王文政

(中国西南电子技术研究所，成都　610036)



Ka波段临近空间飞行器的信道误码特性

王文政

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

摘要：实现对临近空间飞行器的测控通信则是实现情报收集、侦察监视、通信中继、对空对地作战等领域的广泛应用的重要基础之一。针对Ka波段临近空间飞行器测控通信链路的信道特征，建立了包括降雨衰减、多径衰落和阴影遮蔽等因素的完整信道模型。通过仿真证明了建模的合理性和正确性，结果可作为临近空间技术的理论参考模型。

关键词：临近空间飞行器；Ka波段；误码特性；降雨衰减；多径衰落；阴影效应

本文引用格式：王文政.Ka波段临近空间飞行器的信道误码特性[J].兵器装备工程学报，2016(7):113-117.

Citationformat:WANGWen-zheng.BriefAnalysisofErrorCharacteristicsinKa-BandNearSpaceVehicles[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):113-117.

临近空间飞行器[1](nearspacevehicles)作为一种新的飞行器平台越来越受到各国的重视[2]，在天气预报、情报收集、侦察监视、对空对地作战等各领域都具有广泛的应用前景[3-5]。

掌握临近空间飞行器的信道特征是实现对其测控和通信的重要基础之一。通过分析Ka波段临近空间飞行器的信道特性，建立合适的信道模型成了目前的研究热点之一[6-8]。

从现有文献来看，并没有完整的关于Ka波段临近空间飞行器测控通信系统信道模型的资料，已有的文献主要为针对Ka波段静止卫星星地链路的雨衰模型[9-10]，需要对现有模型进行扩展，设计适合临近空间的信道模型。由于缺乏实测数据的支持，这里只能进行比较粗略的分析和设计。通过分析发现：影响Ka波段临近空间飞行器测控通信信道的主要因素有如下几个方面[8,11-12]：Ka波段的雨衰，飞行器移动带来的多普勒频移，信号反射、散射、绕射造成的多径效应，以及飞行器高速运动造成的等离子鞘套的影响。本研究将比较详细地分析以上各种因素对信道的影响，并建立适合Ka波段临近空间飞行器的测控通信信道模型，最后通过仿真证明建模的合理性和正确性，结果可作为临近空间技术的理论参考模型。

1Ka波段临近空间飞行器的信道特征

从大气的电磁特性来看，临近空间跨越了非电离层(高度<60km)和电离层(高度60～2 000km)两部分。非电离层主要由均质中性大气分子组成；而电离层的主要成分则是自由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体。其中电离层对频率高于10GHz的电磁波几乎不造成任何影响，可近似认为是自由空间环境[9]。因而传回地面的信号至少经历了以下几个过程：自由空间衰落、大气衰减、地面反射体和云层产生的多径效应、地面端受到的阴影遮蔽以及系统的热噪声。

通过分析发现上面几个因素可视为相互独立的。研究与统计表明[10]：多径干扰、阴影遮蔽和雨衰可近似视为乘性衰落，而高斯白噪声则是加性的，于是可以定性地构造临近空间测控通信系统的信道模型如图1所示。

图1　临近空间测控通信系统的信道模型

2完整信道模型的建立

2.1雨衰的建模

相对于Ku频段和C频段，Ka频段受到的降雨衰减非常严重。例如在降雨率为22.4mm/h且地面站对卫星的仰角为40°的情况下，C频段的雨衰仅为0.1dB，可以忽略；Ku频段的雨衰为4.5dB；而Ka频段的下行链路频率为20GHz时，雨衰为12.2dB，而上行链路频率为30GHz时，雨衰则高达23.5dB。因而必须考虑雨衰对Ka频段测控通信系统造成的影响[13]。

2.1.1雨衰的影响和建模

(1)

根据对临近空间通信平台的分析，在Ka波段降雨对临近空间信道和卫星信道的影响是一致的。因此采用ChunLoo依据Olympus卫星、Italsat卫星和ACTS卫星作了许多传播特性测量实验得到的数据进行仿真。如表1为根据ChunLoo的研究，在仰角为14.2°时的Ka波段临近空间信道在(黑云、雷雨、中雨、小雨)天气条件下的信号包络和相位的概率分布参数。

表1　仰角为14.2°下Ka静止信道包络和相位参数

根据上述概率分布，可以建立Ka频段雨衰的数学模型为

表1中给出的参数只适用于测控站在仰角为14.2°通信时的情况，对于静止卫星而言，由于其与地面站的位置相对静止，通信链路的仰角也是固定的。而在本课题中，飞行器处于超高声速运动状态，其与地面站的位置随时都在变化，当通信链路仰角不同时，其穿越雨区的路径长度也不同，受到的雨衰也有差异，因而有必要加入仰角对雨衰影响，从而进一步精确地选择合适的雨衰参数。

2.1.2雨衰模型参数的确定

除了降雨量外，测控站和飞行器之间的仰角也对雨衰大小有着直接的影响。如图2所示，对地面测控站而言，其位置不同，仰角就不一样。不同的仰角，电波穿过雨层的长度不同，受到的衰减不同。对于临近空间的统计信道，不同的仰角就会影响到模型中包络和相位的均值及方差的参数值。

河口内测点含沙量无论大小潮均远大于外海测点含沙量，平均含沙量分别为0.07～0.1kg/m3（河口内）和0.004～0.04 kg/m3（外海）。

图2　临近空间平台对地传输示意图

雨层高度hR通常简称为雨高，雨高主要与地球站的纬度有关，根据ITU-R第三工作组会议对地空电路雨衰减模型的修改

(3)

式中φ为地球纬度。

此时，测控通信链路穿越雨区的斜路径长度L0为

(4)

其中通常认为雨衰可以由下式计算

(5)

式中：L0为通信链路在降雨区的等效倾斜路径长度； rr(r)为降雨衰减率。

在处理过程中，一般需要将降雨的非均匀性进行均匀化，引进能起等效作用的缩短因子来确定雨区对电波传播的实际作用路径长度，从而利用等效路径长度乘以单位路径衰减率得到实际测量的雨衰减。等效降雨路径长度的确定需要计算雨层高度hR、雨高下的斜路径长度L0以及0.01%时间的降雨衰减率rr。

经过上述处理之后，可以变为

(6)

此时相当于认为在给定降雨量时，雨衰的大小正比于通信链路穿越雨区的斜路径长度L0。统计模型中，包络的均值代表信号的能量，方差代表信号受到的干扰，方差越小，信道质量越好；相位的均值代表降雨对信号的去极化作用，方差代表信号相位上受到的干扰，方差越小，信道质量越好[13]。

包络的幅度平方与信号能量成正比，而同一天气状况下，雨衰量与穿过雨区的等效路径也成正比；相位主要受降雨的去极化作用影响，假定极化面倾角为45°，随仰角增大，极化干扰减小。因此可以近似地推算出在仰角为14.2～40°的统计信道模型参数。表 2～表 4中，分别给出了仰角为20°、30°和40°时，雨衰的包络相位参数[14]。对于不同仰角下的情况可以分别利用这些参数计算。

表2　仰角为20°时的包络相位参数

表3　仰角为30°时的包络相位参数

表4　仰角为40°时的包络相位参数

2.2多径、阴影效应的建模

电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射,到达接受天线时，已成为通过各个路径到达的合成波，即多径传输模式。各传播路径分量的包络和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。在分析卫星移动信道传播特性的概率分布模型时，多径效应主要用瑞利分布描述。信号包络r的概率密度函数为[6]

(7)

当电波在传播路径上遇到建筑物、树木、起伏山丘等障碍物的阻挡时，会使电磁波信号产生衰耗，从而造成接收信号电平的下降，这种现象称为阴影遮蔽。常见的用于描述阴影衰落的概率分布模型为对数正态分布。卫星与地面站之间的直射信号被路边的树木或其他障碍物吸收或散射掉时，阴影效应出现。信号包络r的概率密度函数为

(8)

在只考虑多径和阴影衰落的影响时，临近空间飞行器的接收信号可用下式表示

(9)

在式(9)中：zsexp(jφs)为阴影衰减下的LOS信号分量，包络分量zs服从对数正态分布，而wmexp(jφm)为多径分量，包络分量wm服从瑞利分布；相位分量φs和φm均满足[0,2π]上的均匀分布。

对于临近空间飞行器信道,由式(7)、式(8)、式(9)可得包络r的概率密度函数

(10)

其中d0和μ分别是对数正态分布的标准方差和均值，b0代表多径的平均散射功率，I(·)为零阶修正贝塞尔函数，同样，接收信号的相位分量θ可以近似满足高斯分布

(11)

其中mθ和σθ分别为高斯分布的均值和标准方差。Chun Loo等在Olympus星实测数据的基础上，给出了相应的模型参数[10]，如表5所示。

表5　移动卫星信道包络和相位模型参数

从以上分析可以看出：建立Ka波段临近空间信道时，必须综合考虑多径衰落、阴影效应、天气因素、通信仰角等因素的影响。不失合理性，本研究假设信道中临近空间飞行器到地面部分与地面部分彼此独立[10]。从前文分析可知，卫星到地面部分天气条件对信道的贡献(雨衰)可以用高斯分布描述，即aexp(jφ)的包络和相位均满足确定参数的高斯分布。因此在Ka波段移动卫星综合信道模型中，信号的包络和相位可以表示如下：

(12)

(13)

其中，p(a)和pf(rf)分别由式和式给出。相应的相位φ和θf分别服从满足式和式的高斯分布。同样，φ也满足高斯分布。

3仿真分析

本节将通过仿真分析Ka波段临近空间飞行器的信道误码特性，其中仿真所用参数均来自表1～表 5。

图3分析了雨衰对信道的影响，仿真条件为轻度阴影，通信仰角为14.2°时。可以看出：在误码要求较高的条件下(如小于10-4时)，小雨天气下的误码特性最好，中雨次之，而在雷雨天气下必须采用补偿措施，或降低传输速率，才能进行信息传输。

图3　轻度阴影下仰角为14.2°时不同天气下的误码特性

图4则分析了仰角对信道误码特性的影响。这里选取了小雨天气，环境衰落为轻度阴影的条件作为仿真环境。仿真结果表明随着仰角的增加，信道的误码特性会逐渐变好，这和实际情况是一致的，也从侧面印证了所建立的信道模型的合理性。

图4　小雨中轻度阴影条件下不同仰角时信道的误码特性

图5给出了14.2°仰角、小雨天气时，信道误码特性与地面站周围阴影遮蔽情况之间的关系，可以看出阴影对于信道误码特性的影响非常巨大。在中度和严重阴影时，Ka波段的测控通信链路将面临中断的危险。

图5　阴影对信道误码特性的影响

图3～图5分别考虑了雨衰、仰角和阴影对Ka波段的信道误码特性的影响，当单独考虑上述3个因素对误码特性的影响时，得到的仿真结果和现实情况比较吻合，因而也从侧面证实了本研究所建立模型的合理性。

4结束语

本文对临近空间飞行器Ka频段的测控通信链路进行了建模，分析了各种天气、不同通信仰角、不同阴影遮蔽下对信道误码特性的影响，给出了Ka波段在临近空间飞行器的信道模型。通过仿真分析了雨衰、仰角和阴影对Ka波段的信道误码特性的影响，证明了该模型的合理性和正确性。其结果可作为临近空间技术的理论参考模型。

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-01-19；修回日期：2016-02-15

作者简介：王文政(1974—),男，硕士，工程师，主要从事航天器测控通信技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.025

中图分类号：TN929

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0113-05

BriefAnalysisofErrorCharacteristicsinKa-BandNearSpaceVehicles

WANGWen-zheng

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Abstract:One of the fundamental conditions for near space vehicles practical application in the broad application prospects for near space vehicles, such as information collection, reconnaissance-and-surveillance, communication relay and to-air or to-ground strike, near space vehicles is TT&C (Tracking Telemetering and Command) communication support. In view of channel characteristics of TT&C communication links of Ka-band near space vehicles, rain attenuation, multi-path fading and shadowing effect were taken into consideration to establish a complete channel model. The rationality and correctness of the model were proved by simulations, and the results can be used as theory reference models in near space technology.

Key words:near space vehicle; Ka-band; error characteristic; rain attenuation; multi-path fading; shadowing effect

【信息科学与控制工程】