再入遥测信道建模与分析

曾海彬，孟　玮，陈　静，郭肃丽

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



再入遥测信道建模与分析

曾海彬1，孟玮2，陈静2，郭肃丽2

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对再入遥测飞行器的测控过程中落区目标飞行器接收信号会出现中断的现象，研究再入遥测飞行器的环境，分析了再入遥测信道的特性，将再入遥测信道建模为时变的二径莱斯信道，通过建模仿真，模拟目标信号经过信道后信号功率的变化情况，并从天线架高和载波频率2个方面分析了其对信道特性的影响，得出结论表明，降低接收天线架高和采用频率分集接收的方式是比较有效的对抗多径效应的方法。

再入遥测；二径信道；信道建模；分集接收

0　引言

再入遥测技术主要指飞行器在再入大气层过程中的各种物理参数进行测量的一项专门技术。在飞行器的整个飞行过程中接收测控通常会在航程中分布多个测站采用接力模式进行，而再入遥测落区飞行器的测控尤其重要，但是通过多次的试验发现落区测站的接收信号通常都非常不稳定，出现信号中断的情况，因此有必要分析再入遥测信道的特性，得到影响接收信号质量的关键因素及改善措施。

由于飞行器的移动，再入遥测信道属于移动无线信道的一种，另外分析再入遥测飞行器所处环境，可以发现再入遥测飞行器一般都会在较为空旷的地区进行飞行，直达波总是存在，反射波可以只考虑地面反射，因此可以考虑再入遥测信道为时变二径莱斯信道[1,2]。本文将通过对再入遥测信号建模[3]，分析信道特性的影响因素，研究改善接收信号质量的有效手段。

1　再入遥测信道建模

两径反射莱斯信道冲激响应可以建模为[4-5]：

c(τ,t)=αδ(τ)+βejwcτ0(t)δ(τ-τ0(t))。

式中，α为直射路径的衰减因子，与路径损耗有关[6]；β为反射路径的衰减因子，与路径损耗和反射介质的反射系数有关[7]；wc为载波频率；τ0(t)为两径时延差。由于地面起伏的随机性，上述衰减因子和时延差都不是固定值，但是可以用其统计特性来表示，下面的仿真分析中就只考虑其统计均值。

图1　球面二径反射模型

根据上式可以计算出主反射点到通信双方天线的距离d1和d2，进而解算出反射波和直射波的路程差和两径反射时延差[10]，模拟得到两径反射信道冲激响应和再入遥测信道中落区目标信号经过信道后功率的变化情况。

2　再入遥测信道分析

根据上述的信道模型，设置仿真参数如下：天线架高5 m，目标飞行器初始高度为150 km，水平初始距离为250 km，目标直线运动，历经32 s落到地面，落地点距离接收站10 km。由设置的几何参数得到二径莱斯信道的参数和冲激响应函数，进而可以得到目标信号经过信道后的功率随时间的变化情况，如图2所示。

图2　接收信号功率随时间的变化情况

由图2可以看出，目标信号经过信道后产生了一系列的深衰落点，衰落的深度与反射介质的反射系数有关，衰落点的位置由两径信号之间相位差决定，当相位差为180°时衰落到最深点。

衰落点造成接收信号功率的不稳，尤其是在目标距离接收站较远时，由于路径的损耗信号电平本来就很低，在衰落点处的信号会低于接收解调门限，造成接收信号中断的现象。

在目标由远至近的运动过程中，由于两径时延差的变化变快，导致衰落点的出现频率变快，但由于目标距离变近，自由空间路径损耗小补偿了多径衰落深度，后期的多径衰落不会太影响信号的接收。

上述所有的仿真分析结果都与实际测试中出现的现象能较好的吻合，这也验证了仿真分析的正确性。

3　信道特性影响因素分析

通过上面的仿真分析可以看出，影响信道特性的关键因素是两径之间的相位差wcτ0(t)，如果两径信号相位差小于90°，则接收信号功率会增强，反之信号功率会减小，造成信号衰落。其中，wc为载波频率；而τ0(t)为两径时延差，受接收天线架高的影响较大。因此，可以从载波频率和天线架高2个方面分析其对信道特性的影响。

3.1接收天线架高的影响分析

为了验证接收天线架高对信道的影响，进行如下仿真：假设接收天线为全向天线，天线布站几何关系固定，改变天线的高度得到天线高度分别为10 m、5 m和1 m情况下的接收信号功率变化情况，如图3所示。

图3　天线高度对信道特性的影响

由图3可以看出，在天线较高的情况下接收信号的深衰落点较多，10 m高度时低于-210 dB的衰落点有5个，5 m时有2个，1 m时没有深衰落点。因此在此情况下，天线架高越低越有利于对抗多径干扰。

3.2信号载波频率的影响分析

假设选取2个不同的载波频率f1和f1+Δf，两径时延差为τ0，如果存在

Δf·τ0=n·0.5,n=1,3,5,…),

则由于多径时延差造成的两径之间的相位差在2个不同的载波频率上就会产生完全相反的叠加效果。即如果对f1两径相位反相叠加出现深衰落，则对f1+Δf会出现两径同相叠加增益变大。

由此，当合理选取不同频率的信号进行频率分集传输，使2个频率的信号不会在同一时刻产生深衰落，可以较好地对抗多径干扰，如图4所示，载波频率相差50 MHz的2个频率分量Δf·τ0≈1.5，得到的接收信号功率出现衰落的时刻几乎正好相反。

图4　信号载波频率对信道特性的影响

4　结束语

本文分析了再入遥测信道的特性，针对再入遥测的特殊环境进行了信道建模仿真，将再入遥测信道建模为时变的二径莱斯信道，并仿真了信号经过信道后的功率变化情况，仿真结果与实际测试结果有很好的相似性，即在目标的运行过程中会出现功率衰落点。分析了影响信道特性的关键因素，认为降低接收天线架高和采用频率分集接收的方式是比较有效的对抗多径效应的方法。上述的仿真分析结果为工程实现提供了一定的技术支持，在不改变现有的硬件设备的基础上选用合适的载波频率和接收天线架高，可以有效地降低多径干扰带来的影响。

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[10]梁保卫,高红涛.无人机飞行过程中信号弱区的分析[J].无线电工程，2006，36(7)：36-38.

曾海彬 女，(1976—)，博士，高级工程师。主要研究方向：无线电遥测遥控技术。

孟玮女，(1982—)，硕士，工程师。主要研究方向：遥测遥控技术。

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,孟玮,陈 静,等.再入遥测信道建模与分析[J].无线电工程,2016,46(9):59-60,72.