无人升空平台地空链路系统中无线电波干涉效应影响分析

郭道通 柯宏发 冯建锋

摘要：分析了无人升空平台链路受到干扰作用距離下降的原因，阐述了无线电波干涉效应的基本原理，基于电波二径传播理论，建立了无线电波干涉效应对无人升空平台地空链路作用距离影响的模型，利用此模型计算了无人升空平台飞行过程中出现的干涉效应衰减值和信号衰落的分布情况，并利用Matlab仿真工具对模型进行了仿真分析，通过分析，得出了无人升空平台飞行高度、地面测控站天线高度、工作频率与电波衰减之间函数关系，验证了地空链路作用距离计算中电波二径传播模型对电波干涉效应衰减值的影响。

关键词：电波干涉效应;二径传播;作用距离

在无人升空平台执行任务过程中，偶尔会遇到无人升空平台链路受到干扰的现象，主要表现为，在经过某一地域上空飞行时，通信链路显示误码率明显增加，甚至会出现通信状态失锁的现象，这种现象的出现，对无人升空平台通信链路的可靠性产生了严重影响，使得无人升空平台地空通信链路系统的作用距离明显下降。这是一种电波传输弱区现象，造成这种现象的主要因素是无人升空平台在该区域接收信号电平受到了干涉型衰落。

这种由无线电波的多径传输引起的干涉型衰落现象，在无人升空平台的保障中经常出现。由于在无人升空平台保障中，平台和地面控制站之间传输信号的途径有很多条，而每条传输路径的传输媒质的不同和各种媒质传输速率的不同，使得从信号发出点到接收点之间的出现时延现象，在接收机接收到信号后，会对各信号进行合成处理，由于信号的时延，信号的幅度和相位在合成后会出现随机起伏，从而产生了影响地空通信链路作用效果和距离的现象。

本文针对这种情况，对无人升空平台地空链路系统中无线电波干涉效应进行了分析，并着重对这种效应对作用距离的影响进行了研究。

1 无线电波干涉效应的理论分析

在无人升空平台的地空链路通信中，无线电波的传输不可避免地受到周围的地形地貌和气候环境的影响。由于地物的反射和折射，使得无人升空平台接收到许多不同路径传输过来的信号。这种多径传输和反射条件引起的相位差和幅度差，多径衰落现象在这种条件下出现。多径衰落引起接收端信号电平波动，从而影响了无人升空平台的测控距离。无人升空平台地空链路使用的信号波长较短，路径引起的相位差就会比较大，因此无线电波的干涉效应的效果影响明显。

根据无人升空平台地空链路系统的信道特点和实际情况，可以通过建立电波二径传播模型，计算衰减值来确定地空链路系统电波的干涉效应。为了完成模型的建立，需要进行基于以下的假设。

（1）无人升空平台与地面站之间可以直接通视，接收信号主要来自直射波。

（2）无线电波传播时发生镜面反射的条件是遇到两种不同介质的平滑界面。

（3）无人升空平台在离反射区较远飞行时，平面波是到达反射区的主要无线电波，按照平面波的反射定律来计算。

（4）多径的路径数量较少。当遥控站附近的强反射体较少，无人升空平台又在较高的空域飞行时，主要由地表特殊的地形产生反射。

2 无线电波二径传播模型

本文选择地空链路系统中一条直射波和一条反射波两条比较具有代表性的多径传输路径进行分析。假设如图1中无人升空平台位于A点，地面控制站天线位于B点，反射点是P点。无人升空平台在高度为h1的上空飞行，地面控制站天线高度为h2，直射波为r1，反射波为r2，无人升空平台地面控制站的作用距离为d。

由于地空链路作用距离d>>h1，h2，地面站接收电波的仰角很小，接收点场强可以表示为：

E=2E1sin2πh2h1dλ（1）

其中，直射波场强的有效值是E1=173PTGT/d（mV/m），这也是电波在自由空间传播时的场强值E0，地面天线发射功率和功率增益分别为PT，GT。

我们将地空链路系统中电波二径传播模型的总场强和直射波场强之比定义为深衰落强度F：

F=EE0=2sin2πh2h1dλ（2）

电波在自由空间传输中的损耗为：

Lbf=32.45+20logf（MHz）+20logd（Km）（dB）（3）

其中，f为无线电波的工作频率，d为作用距离，所以在电波二径传播模型中无人升空平台地空链路系统的空间损耗L1为：

L1=Lbf+10logF（4）

通过对上述内容的分析，从中可以看出一些电波二径传播模型的基本特征：

（1）接收点场强随地面测控站天线高度变化和作用距离的增大而呈现波动变化。接收点场强迭加了直射波和反射波，直射波和反射波在接收点处，两者相位相同则场强最大值。反之相位相反时，场强最小。如果天线高度发生变化，则反射点的位置也就变化了，从而使得直射波和反射波的波程差出现了变化，两者的相位差也随之而变。而随着作用距离的增大，引起了直射波和反射波的波程差Δr的变化，当这个变化达到半个波长的差异时，接收点场强就有可能会出现从极大值变为极小值这种波动变化。

（2）在无人升空平台地面测控站作用距离和天线高度不变时，通过改变无线电波的波长也会出现相似的变化。也就是接收点场强会在在某些波长上达到最大值，又在另外一些波长上出现最小值。这是因为波程差Δr虽然不变，但对不同的波长却产生了不同的相位差，从而产生了不同幅度的干涉场强。

3 仿真分析

为了验证地空链路作用距离计算中电波二径传播模型对电波干涉效应衰减值的影响，本节采用Matlab仿真工具对此模型进行分析。

仿真条件一：无人升空平台飞行高度h1=1000m，地面发射天线高度h2=4m和5m，无线电波频率f=2350MHz。仿真结果如图2a所示

仿真条件二：无人升空平台飞行高度h1=2000m，地面发射天线高度h2=4m，无线电波频率f=2350MHz。仿真结果如图2b所示。

仿真条件三：无人升空平台飞行高度h1=1000m，地面发射天线高度h2=4m，无线电波频率f=740MHz。仿真结果如图2c所示。

从以上图中可以看出：

（1）电波二径传播模型中无人升空平台飞行过程中地空链路作用距离会存在不同程度的电波衰减。

（2）无线电波干涉效应的不能因为改变地面发射天线高度和无人升空平台飞行高度而避免，这些改变只能引起无线电波的干涉衰减位置的改变。

（3）工作频率越低，无线电波干涉衰减随着工作频率的增大而增大，并且电波干涉衰减区域也明显增多。

4 小结

本文主要讨论了无人升空平台地空链路信号传播的干涉效应，建立了电波二径传播模型，并利用此模型计算了无人升空平台飞行过程中出现的干涉效应衰减值和信号衰落的分布情况，并通过推导计算，得出了无人升空平台飞行高度、地面测控站天线高度与工作频率和电波衰减之间的函数关系，并对此进行了仿真，仿真结果论证了二径传播模型在无人升空平台地空链路系统中分析遥测遥控作用距离的可行性。

参考文献：

[1]李万山，袁嗣杰.遥测遥控技术[M].北京：装备指挥技术学院，2000.

[2]牛忠霞，等.现代通信系统[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3]吴大正.信号与线性系统分析[M].高等教育出版社，1998.

[4]肖景明，王元坤.电波传播工程计算[M].西安电子科技大学出版社，1989.

作者简介：郭道通（1981），男，河南洛阳人，工程师。