基于镜面反射模型的飞行器间数据链多径效应研究

吴敏 许仙明 黄灿英 吴静进

摘  要： 为了探究多飞行器间的多径效应对其通信数据链的影響，优化多飞行器间的通信，文中以镜面反射模型为基础，建立镜面反射多径效应模型，并分析计算接收天线的功率。在此基础上，建立多飞行器间通信数据链多径模型，引进飞行器机身反射波，并计算接收机功率。通过莱斯因子与误码率、信噪比的关系得出低莱斯因子信号在低误码率要求下需要满足更大的Eb/B0。最后，提出通过扩频调制来实现信号的抗多径衰弱能力。

关键词： 多径效应; 镜面反射模型; 数据链; 飞行器; 天线功率计算; 扩频调制

中图分类号： TN820.8+4?34; TP393                   文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2019）20?0116?03

Research on multipath effect of data link among aircrafts based on

mirror reflection model

WU Min， XU Xianming， HUANG Canying， WU Jingjin

（School of Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330029， China）

Abstract： In order to explore the influence of multipath effect among multiple aircrafts on its communication data link and optimize the communication among multiple aircrafts， a mirror reflection multipath effect model is established based on the mirror reflection model， and the power of the receiving antenna is analysed and calculated. On this basis， the multi?path model of the communication data link among multiple aircrafts is established， the reflected wave of the aircraft fuselage is introduced， and the power of the receiver is calculated. On the basis of the relationship between Rice factor， bit error rate and signal?to?noise ratio， a conclusion that the signal with low Rice factor needs to satisfy the requirement of larger Eb/B0 in low bit error rate has been obtained. Finally， the anti?multipath fading ability of the signal is realized by spreading spectrum modulation.

Keywords： multipath effect; mirror reflection model; data link; aircraft; antenna power calculation; spread spectrum modulation

当两个物体间发生无线通信时，一方发向另一方的电磁波经过不同的路径传播到另一方时，各分量信号电磁波到达接收端的时间不同。且各分量信号按照自身的相位进行叠加，从而使原来的各分量信号对彼此产生干扰，最终造成通信信号失真。例如，两信号分量到达信号接收端的距离差为半个波长，则最终两路信号到达信号接收端时相互抵消。这种由于信号沿多条路径传播而造成信号干扰失真的现象，即是多径效应[1?4]。而飞行器体积相对较小，且采用全向天线，其发射信号会由于多径效应而衰落，最终造成数据的丢失或者失去跟踪。因此，飞行器的多径效应研究极其重要。

目前在飞行器的多径效应研究中，主要集中在飞行器与地面站之间的多径效应方面，而两飞行器间的多径效应则相对较少。本文以镜面反射机理为基础，建立了两飞行器间通信数据链的多径效应模型，并提出了多径效应改善的方法。

1  镜面反射多径效应模型

飞行器间通信的多径效应主要是由于地面信号反射造成的。一般而言，当信号从发射端发送到另一个飞行器的信号接收端时，信号首先从发射端发送至接收端。然而，由于地球表面可以等效为一个光滑平面，而飞行器从发射端发送至接收端的信号，由于飞行器的全向天线，因而也会到达地面。此时地面如同一个镜面，将到达地面的信号分量反射出去，最终发送至飞行器的接收端。因此，信号从发射端到接收端之间会有分量，即直射波、反射波[5?7]。其中，反射波是由于地面的镜面反射而生成的。镜面反射模型如图1所示。其中，hf为发射天线与地面的高度，hj为接收天线与地面的高度，l为发射天线与接收天线之间的水平距离，l1为直射波行程长度，l2为反射波行程长度。

2  多飞行器数据链多径模型建立

对于多飞行器数据链的多径模型，与只考虑镜像反射波的双路径效应模型不同的是，本文还考虑了飞行器的发射信号在另一个飞行器的机体上反射到达飞行器接收机的路径。此时飞行器的接收机不再认为是一个简单的点，因此信号到达飞行器机体时，也会产生反射波[8?9]。所以，两飞行器间的通信数据链多径模型包括直射波、来自于地面的反射波以及来自于飞行器机身的反射波，如图2所示。其中，A为飞行器发射机，E为飞行器接收机。发射机A发出的信号一边通过地面反射点D反射传输至飞行器的接收机E处;同时也通过飞行器机身反射点F反射到达飞行器接收机E处。

3  多径效应改善方法

多径效应由于信号相位干涉的缘故，会造成信号衰减。由于此时飞行器接收到的信号是多个路径信号的合成，因此各分量信号之间会互相影响;且各分量的相对振幅和相位不一致，会产生深浅不同的衰落。而接收信号振幅概率密度服从莱斯分布，这里莱斯因子为直射波与反射波的功率之比。图3为莱斯因子与误码性能的关系曲线。图中，Eb为单位比特数据的能量，N0为单位带宽内噪声的功率。由图3可知，莱斯因子越小，则反射波功率越大，因此信号衰落就越大。在误码率一致的情况下，莱斯因子越大，则[EbN0]越大。因此只有提高莱斯因子的数值，才能满足误码率的要求。

图3  莱斯因子对误码性能影响曲线

常见的抗衰落方法有扩频调制，其是将信号通过高速伪随机序列从窄带高功率密度信息扩展成宽带低功率密度的信号发射出去。接收机接收到信号后，再通过高速伪随机序列将信号恢复为窄带信号接收。其原理见图4。

图4  直接序列扩频通信系统

对信号进行扩频能够增大信号的频带，使信号码元变小，且具有白噪声的特点。飞行器在接收端易于将直射波与反射波分离，实现信号的抗多径衰落。

4  结  论

飞行器间进行通信时，信号由于地面反射或者机身反射会产生多条路径到达接收机。而这会导致不同路径的分信号之间互相对各自产生信号干扰，造成信号衰落，并引发多径效应。本文以镜面反射模型为切入点，建立多飞行器间多径效应模型，并分析计算了接收机的信号功率。同时提出了通过扩频调制来减少信号衰减，提高了信号抗衰落能力。

参考文献

[1] 杨凡.多径效应中雷达反射模型的研究[J].湖北理工学院学报，2016，32（5）：28?32.

YANG Fan. Research on radar reflection model in multipath effect [J]. Journal of Hubei Institute of Technology， 2016， 32（5）： 28?32.

[2] 王淑红.多径衰落的数学模型及分析[J].无线电工程，2010，40（10）：35?37.

WANG Shuhong. Mathematical model and analysis of multipath fading [J]. Radio engineering， 2010， 40（10）： 35?37.

[3] 王江安，庄奕琪，周清军.遗传算法抑制BOC（1，1）信号多径研究[J].电子科技大学学报，2010，39（1）：45?49.

WANG Jiangan， ZHUANG Yiqi， ZHOU Qingjun. Genetic algorithm for suppressing multipath of BOC（1，1） signals [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2010， 39（1）： 45?49.

[4] 张少谦，倪崇，张立，等.连续波比相测距系统的误差因素研究[J].现代电子技术，2010，33（19）：1?4.

ZHANG Shaoqian， NI Chong， ZHANG Li， et al. Study on error factors of CW phase comparison ranging system [J]. Modern electronics technology， 2010， 33（19）： 1?4.

[5] 刘影，谢驰.基于小波时间延迟估计的宽带信号波束形成算法研究[J].电子科技大学学报，2018，47（2）：183?188.

LIU Ying， XIE Chi. Research on broadband signal beamforming algorithms based on wavelet time delay estimation [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2018， 47（2）： 183?188.

[6] 柳丹青，胡保安，蔡志勇，等.两飞行器间数据链的多径效应建模[J].航空电子技术，2007，38（3）：34?36.

LIU Danqing， HU Baoan， CAI Zhiyong， et al. Multipath effect modeling of data link between two aircraft [J]. Avionics technology， 2007， 38（3）： 34?36.

[7] 王金福，周中良，李飞.基于联邦滤波的抗欺骗干扰目标跟踪[J].空军工程大学学报（自然科学版），2015，16（4）：79?83.

WANG Jinfu， ZHOU Zhongliang， LI Fei. A Study of anti?deception?jamming for target tracking  based on federal filter [J]. Journal of Air Force Engineering University （Natural science edition）， 2015， 16（4）： 79?83.

[8] 吴向东，赵永波，张守宏，等.一种MIMO雷达低角跟踪环境下的波达方向估计新方法[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2008，35（5）：793?798.

WU Xiangdong， ZHAO Yongbo， ZHANG Shouhong， et al. A new method for DOA estimation in MIMO radar low angle tracking environment [J]. Journal of Xidian University （Natural science edition），  2008， 35（5）： 793?798.

[9] VAIDYA G N， ANTOINE S， IMAM S H， et al. Reciprocal ST?segment changes in myocardial infarction： ischemia at distance versus mirror reflection of ST?elevation [J]. American journal of the medical sciences， 2018， 355（2）： 162?167.

[10] 龙吟，王岩，王悦，等.抗多径效应的全范围多员出舱通信方法[J].航天器工程，2018（1）：52?57.

LONG Yin， WANG Yan， WANG Yue， et al. Full?range multi?passenger outgoing communication method against multipath effect [J]. Spacecraft engineering， 2018（1）： 52?57.