一種準確分析高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的方法
2023-09-18 15:56:15 2
專利名稱：一種準確分析高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的方法
技術領域：
本發明涉及無線信道傳輸特性的研究方法，具體涉及一種準確分析高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的方法。
背景技術：
特殊環境下的無線信道衰落特性研究一直是通信研究領域的難點問題。對於目前廣泛應用的直升機衛星通信而言，準確分析其無線信道衰落特性，對充分挖掘通信系統容量、優化系統性能具有重要的指導意義。但是由於其衛星通信天線受到旋翼旋轉的遮擋影響，其信道衰落特性不僅與一般的環境影響因素有關，而且與旋翼的動態遮擋效應密切相關，分析起來相當複雜和困難。目前分析無線信道衰落特性普遍採用基於概率分布模型的方法，這些方法是只考慮了一般環境的統計規律的經驗公式，對分析一般環境的信道特性比較有效，但對特殊環境不再適用，主要原因在於特殊環境往往距離通信天線很近，因此其影響不容忽略，有時甚至超過其他所有外部環境因素的影響。無線信道衰落特性在本質上屬於電波傳播規律問題，因此更準確的研究分析方法是採用或發展基於嚴格麥克斯韋方程組的電磁仿真分析技術。雖然目前國內外已經有了一些專門針對直升機旋翼遮擋問題的電磁仿真技術研究，但是它們在分析時普遍只考慮了直升機旋翼遮擋對通信性能的影響，而缺乏對周邊所有環境因素的系統完整分析，比如沒有考慮直升機所處的山區地勢、樹林等帶來的多徑效應、遮擋效應影響；而且，目前直升機旋翼電磁仿真的分析頻段主要是甚高頻(Very HighFrequency) VHF (30 300MHz)或特高頻(Ultra High Frequency) UHF (300 3000MHz)相對較低的頻段，而對於目前已逐漸走向應用的高頻段，尤其是Ku和Ka頻段(12.5GHz以上)尚未見報導。但是對高頻段進行電磁仿真準確分析會面臨仿真計算量過大、難以實施等一系列實際困難，需要進一步深入研究解決。由以上分析可知，由於對高頻段(Ku頻段以上)直升機旋翼遮擋問題還缺乏準確有效的電磁仿真分析手段，而對直升機衛星通信信道衰落特性也缺乏考慮所有環境因素影響的系統全面的分析方法。
發明內容
針對以上現有技術中存在的問題，為了能夠準確獲得高頻段直升機衛星通信的無線信道衰落特性和規律，本發明提出了一種既包括高頻電磁仿真方法又包括概率分布模型的混合分析方法。本發明的目的在於提供一種準確分析高頻段(Ku頻段以上)直升機衛星通信信道衰落特性的方法，用於解決現有的高頻段直升機衛星通信無線信道傳輸特性缺乏準確分析手段的問題。本發明的高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的分析方法包括以下步驟:I)利用電磁仿真方法，準確分析高頻段直升機旋翼旋轉對機載衛星通信天線性能的影響，其中先採用準靜態法將旋翼旋轉狀態下的天線的動態性能等效為一系列離散採樣時刻上旋翼靜止狀態下的天線性能，再利用電磁仿真算法，分析得到直升機在每一個離散的採樣時刻所對應的姿態和旋翼旋轉角度下，靜止旋翼對天線性能的影響；2)利用概率分布模型，分析除直升機旋翼影響以外的其他一般環境影響因素對直升機衛星通信信道衰落特性的影響；3)將電磁仿真方法的分析結果和概率分布模型的分析結果進行混合分析，從而獲得高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的準確分析結果。其中，在步驟I)中，準靜態法是指，採用一系列離散的採樣時刻上靜止旋翼對天線輻射場的影響來模擬旋翼旋轉狀態下該天線的動態電磁特性。直升機在每一個採樣時刻所對應的姿態和旋翼旋轉角度下，通過幾何建模和精確分析得到靜止旋翼對天線性能的影響。採用傳統方法準確分析高頻段直升機旋翼遮擋問題面臨兩大主要難題:一是該分析對象屬於複雜電大尺寸問題，如果完全採用精確仿真的算法，如矩量法，則將面臨待求未知量過多、仿真計算量過大而難以實際求解的難題，如果全部採用高頻近似方法，則會帶來計算精度不足的問題；二是分析該問題需要針對不同的直升機姿態以及旋翼旋轉角度逐一進行仿真分析計算，這就需要大量近似重複的計算，如果採用傳統分析方法將耗費時間過長。為了解決在分析高頻段(Ku頻段以上)旋翼遮擋問題時所遇到的待求未知量過多且仿真計算量過大問題，本發明採用矩量法精確分析單獨機載衛星通信天線部分的輻射場，採用高頻近似方法分析除機載衛星通信天線以外的其他所有旋翼和機身部分的電磁場。矩量法與高頻近似方法相結合的混合電磁仿真方法，在保證分析精度的同時大幅降低計算複雜度。高頻近似方法包括幾何光學法G0、物理光學法PO、等效電流法MEC、幾何繞射理論GTD、一致性繞射理論UTD、一致性漸進繞射理論UAT以及物理繞射理論PTD。此外，針對在不同旋翼旋轉角度或不同直升機飛行姿態下都需大量重複計算天線方向圖的特點，本發明採用等效面法來進一步加速仿真計算過程。等效面法是基於惠更斯原理，首先利用矩量法精確分析得到的單獨機載衛星通信天線的輻射場在天線附近一個假想面上的電磁場分布，然後利用其等效代替實際天線，進行其他飛行姿態和旋翼旋轉角度下的天線受旋翼遮擋的性能分析。等效面法提高了電磁仿真的計算速度和效率。本發明的電磁仿真算法是集合了矩量法、高頻電磁計算方法以及等效面法的快速混合方法，其中，對機載衛星通信天線採用基於矩量法的精確計算方法，而對除天線以外的旋翼以及其他機身部分採用高頻近似方法，同時採用等效面法代替實際天線以加快不同直升機姿態以及旋翼旋轉角度的計算過程。因此本發明提出的包括準靜態法和電磁仿真算法的電磁仿真方法可以同時兼顧仿真精度和速度的要求，極大提高了算法效率和有效性。在步驟2)中，概率分布模型採用Corazza信道仿真模型來計算一般環境的多徑效應及陰影效應對信道衰落特性的影響，其中多徑效應服從瑞利Rayleigh分布，陰影效應服從對數正態Lognormal分布。並採用三狀態馬爾科夫鏈來描述Corazza信道仿真模型的三種典型環境狀態之間的變化，以描述在直升機和衛星快速移動的情況下，機載衛星通信天線所處環境的隨機變化。Corazza信道仿真模型的三種典型環境狀態，分別是對應開闊地的無陰影狀態、對應郊區的輕度陰影狀及對應複雜城區的重度陰影狀態。在步驟3)中，混合分析是指，將電磁仿真方法獲得的機載衛星通信天線的增益隨時間變化結果代替在概率分布模型中假定的天線固定增益，然後利用概率分布模型對無線信道衰落特性進行最後的匯總分析。本發明首次提出了聯合電磁仿真方法和概率分布模型的混合分析方法，採用電磁仿真方法精確分析直升機旋翼旋轉對衛星通信衰落特性的影響，而利用概率分布模型分析除此以外的其他一般環境因素對信道衰落造成的影響，從而使得分析結果比傳統信道衰落分析方法更加準確並有效。本發明的有益效果:本發明通過採用聯合電磁仿真方法和概率分布模型的混合分析方法，極大提高了高頻段(Ku頻段以上)直升機衛星通信無線信道衰落特性分析的準確度和可信度，加快了仿真分析速度，節省了仿真分析所需的硬體開銷，有效解決了現有高頻段直升機衛星通信無線信道傳輸特性缺乏準確分析手段的技術難題。
圖1為本發明在考慮多徑效應及陰影效應的影響後的完整的Corazza信道仿真模型的不意圖；圖2為f=12.5GHz情況下利用電磁仿真方法分析得到的直升機衛星通信天線增益隨旋翼旋轉的時間變化的曲線圖；圖3 (a)為f=12.5GHz情況下利用Corazza信道仿真模型分析得到的直升機衛星通信接收信號隨時間變化的曲線圖，(b)為(a)中矩形框中的局部放大圖；圖4為f=12.5GHz情況下結合電磁仿真方法和Corazza信道仿真模型分析得到的直升機衛星通信天線接收信號隨時間變化的曲線圖；圖5為本發明的高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的分析方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例詳細描述本發明。在本實施例中，直升機衛星通信信道的工作頻率為f=12.5GHz。直升機的主要參數和工作環境如下:1)直升機旋翼包括5個槳葉，旋翼旋轉速度400圈/分鐘，每個槳葉長
10.65m，寬52cm ;2)機載衛星通信天線為拋物面天線，口面直徑35cm，焦徑比0.6，最大方向增益29.1dB ；3)機載衛星通信天線位於直升機旋翼的下方和機身上表面的右後方，在水平方向上偏離直升機機身中心線0.3m並距離旋翼的旋轉軸中心1.5m，在垂直方向上距離旋翼槳葉0.8m ；4)直升機工作地點位於北京某地(北緯39.42°，東經116.46° )，直升機衛星通信天線對準的衛星為中衛I號同步軌道衛星(東經87.5° );5)直升機工作環境假定為開闊地的無陰影狀態。如圖5所示，本實施例的工作頻率為f=12.5GHz的直升機衛星通信信道衰落特性的分析方法包括以下步驟:I)利用電磁仿真方法，準確分析高頻段直升機旋翼旋轉對機載衛星通信天線性能的影響:首先，採用準靜態法對旋翼旋轉狀態下的天線動態電磁特性進行研究，當旋翼旋轉角速率遠小於電磁波傳播角速率時，可在任一時刻上將旋轉槳葉看作「凍結」在旋轉軌跡上，從而即採用一系列採樣時刻上靜止旋翼對天線性能的增益影響來模擬旋翼旋轉狀態下該天線的動態電磁特性；然後，直升機在每一個採樣時刻所對應的姿態和旋翼旋轉角度下，在應用FEKO軟體時採用矩量法精確分析單獨機載衛星通信天線部分的輻射場，採用高頻近似方法分析除機載衛星通信天線以外的其他所有旋翼和機身部分的電磁場，通過幾何建模和精確分析得到靜止旋翼對天線性能的影響；進一步，應用FEKO軟體時採用了等效面法，基於惠更斯原理，首先利用矩量法精確分析得到衛星通信天線在天線附近某個假想面上的電磁場分布，然後利用其等效代替實際天線，進行其他飛行姿態和旋翼旋轉角度下的天線受旋翼遮擋的性能分析。2)利用概率分布模型，分析除直升機旋翼影響以外的其他一般環境影響因素對直升機衛星通信信道衰落特性的影響。圖1給出了本實施例的在考慮多徑效應及陰影效應的影響後的完整Corazza信道仿真模型。圖1中的上面的兩個求和符號2。和Ss分別代表對多徑效應中的多徑信號的實部部分和虛部部分進行求和，M代表多徑數量，所有多徑信號合成以後的信號強度概率密度分布服從Rayleigh分布。將多徑信號與直射信號I進行合成，得到的總信號的強度I 的概率密度分布函數服從Rice分布；Rice分布由Rice因子K決定，K表示直射信號與多徑信號的功率之比；圖1中已將直射信號I歸一化，表示為實數I。Xc(t)代表考慮Rice因子K影響以後的合成信號的實部部分，jXs(t)代表考慮Rice因子K影響以後的合成信號的虛部部分。
圖1中的下邊求和符號Si前後的內容以及右邊指數運算e( )代表了陰影效應的建模過程，陰影效應一般符合Lognormal分布。陰影效應主要由兩個參數決定:陰影均值U與陰影標準差O ;這兩個參數分別決定了陰影效應的平均衰落深度，以及陰影變化的劇烈程度。在綜合考慮所有因素(包括直射信號、多徑效應及陰影效應)以後，得到圖1中右邊的總信號強度R(t)。Corazza信道仿真模型主要由三個參數決定:Rice因子K、陰影均值y、陰影標準差O。對於不同的地面遮擋環境和對衛星仰角，Corazza信道仿真模型中的三個參數K、U、O均不相同。本發明根據直升機所處地面環境的複雜程度和遮擋程度不同，將地面環境分成三種典型狀態:對應開闊地的無陰影狀態、對應郊區的輕度陰影狀及對應複雜城區的重度陰影狀態，本實施例中直升機工作環境假定為開闊地的無陰影狀態。為了描述在直升機和衛星快速移動的情況下，機載衛星通信天線所處環境的變化，本發明採用三狀態馬爾科夫鏈來描述Corazza信道仿真模型的三種典型環境狀態之間的變化，其中，作為關鍵參數的狀態轉移概率矩陣根據實際情況的統計規律獲得。Corazza信道仿真模型中的三個重要參數與衛星仰角a之間的關係，可用下列基於大量統計數據的表達式近似表示:K=Kq+K1 a +K2 a 2+K3 a 3
卩=]^+]!^+]!^2+]!^30=0^0^ + 0^^0303上式中各係數代表擬合係數，在本實例中分別選取如下典型值:K=[26.43，-2.644，0.08377，-4.1llX 10-4]，μ =[3.978，-0.1742，0.002647，-1.367X 10-5]，σ =
。3)結合電磁仿真方法和概率分布模型的分析結果進行混合分析，最終獲得考慮所有環境影響因素的高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的準確分析結果。混合分析主要是將電磁仿真方法獲得的機載衛星通信天線的增益隨時間變化結果代替在概率分布模型中假定的天線固定增益，然後利用概率分布模型對無線信道衰落特性進行最後的匯總分析。通過這種方式，可以利用電磁仿真方法準確計算天線附近的特殊環境對天線性能造成的影響，而利用概率分布模型分析除此以外的其他一般環境因素對信道衰落造成的影響，從而使得分析結果比傳統的直升機衛星通信信道衰落特性分析方法更加準確有效。圖2、圖3和圖4分別給出了本實施例在f=12.5GHz的直升機環境下，在步驟I)中利用電磁仿真方法分析得到的直升機衛星通信天線增益隨旋翼旋轉的時間變化曲線，在步驟2)中利用基於統計規律的Corazza信道仿真模型分析得到的直升機衛星通信接收信號隨時間的變化曲線，以及在步驟3)中結合電磁仿真方法和Corazza信道仿真模型分析得到的直升機衛星通信天線接收信號隨時間的變化曲線。如圖2所示，Ku頻段直升機旋翼旋轉遮擋對機載衛星通信天線增益造成的影響呈現出規律性的且較大起伏的變化；而工作在開闊地的直升機周圍環境對機載衛星通信接收信號電平造成的影響呈現出無序而且較小幅度的變化，如圖3所示；匯總所有環境因素的影響，直升機衛星通信信道衰落特性主要由旋翼旋轉遮擋因素決定，但細節部分反映了由直升機周圍環境因素造成的多徑效應及陰影效應的影響，如圖4所示。總之，通過採用本發明提出的混合方法對高頻段(Ku頻段以上)直升機衛星通信信道衰落特性進行分析，不僅可以獲得高頻段(Ku頻段以上)直升機旋翼旋轉對機載衛星通信衰落特性的準確規律，而且可以得到比以往單獨採用電磁仿真方法，或者單獨採用基於統計規律的概率分布模型的方法更加全面和準確的分析結果。最後需要注意的是，公布實施例的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1.一種高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的分析方法，其特徵在於，所述分析方法包括以下步驟: 1)利用電磁仿真方法，準確分析高頻段直升機旋翼旋轉對機載衛星通信天線性能的影響，其中先採用準靜態法將旋翼旋轉狀態下的天線的動態性能等效為一系列離散採樣時刻上旋翼靜止狀態下的天線性能，再利用電磁仿真算法，分析得到直升機在每一個離散的採樣時刻所對應的姿態和旋翼旋轉角度下，靜止旋翼對天線性能的影響； 2)利用概率分布模型，分析除直升機旋翼影響以外的其他一般環境影響因素對直升機衛星通信信道衰落特性的影響； 3)將電磁仿真方法的分析結果和概率分布模型的分析結果進行混合分析，從而獲得高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的準確分析結果。
2.如權利要求1所述的分析方法，其特徵在於，在步驟I)中，所述準靜態法是指，採用一系列離散的採樣時刻上靜止旋翼對天線輻射場的影響來模擬旋翼旋轉狀態下該天線的動態電磁特性。
3.如權利要求2所述的分析方法，其特徵在於，在步驟I)中，採用矩量法精確分析單獨機載衛星通信天線部分的輻射場，採用高頻近似方法分析除機載衛星通信天線以外的其他所有旋翼和機身部分的電磁場。
4.如權利要求3所述的分析方法，其特徵在於，進一步包括等效面法，所述等效面法是基於惠更斯原理，首先利用矩量法精確分析得到的單獨機載衛星通信天線的輻射場在天線附近一個假想面上的電磁場分布，然後利用其等效代替實際天線，進行其他飛行姿態和旋翼旋轉角度下的天線受旋翼遮擋的性能分析。
5.如權利要求1所述的分析方法，其特徵在於，在步驟2)中，所述概率分布模型採用Corazza信道仿真模型來計算一般環境的多徑效應及陰影效應對信道衰落特性的影響，其中所述多徑效應服從瑞利Rayleigh分布,所述陰影效應服從對數正態Lognormal分布。
6.如權利要求5所述的分析方法，其特徵在於，採用三狀態馬爾科夫鏈來描述Corazza信道仿真模型的三種典型環境狀態之間的變化，以描述在直升機和衛星快速移動的情況下，機載衛星通信天線所處環境的隨機變化。
7.如權利要求1所述的分析方法，其特徵在於，在步驟3)中，所述混合分析是指，將電磁仿真方法獲得的機載衛星通信天線的增益隨時間變化結果代替在概率分布模型中假定的天線固定增益，然後利用概率分布模型對無線信道衰落特性進行最後的匯總分析。
全文摘要
本發明公開了一種準確分析高頻段直升機衛星通信信道衰落特性的方法。本發明採用電磁仿真方法精確分析直升機旋翼旋轉對衛星通信衰落特性的影響，而利用概率分布模型分析除此以外的其他一般環境因素對信道衰落造成的影響，從而使得分析結果比傳統信道衰落分析方法更加準確並有效。本發明通過採用聯合電磁仿真分析和概率分布模型的混合分析方法，極大提高了高頻段(Ku頻段以上)直升機衛星通信無線信道衰落特性分析的準確度和可信度，加快了仿真分析速度，節省了仿真分析所需的硬體開銷，有效解決了現有高頻段直升機衛星通信無線信道傳輸特性缺乏準確分析手段的技術難題。
文檔編號H04B17/00GK103178914SQ201310089539
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月20日 優先權日2013年3月20日
發明者譚雲華, 尚勇, 賈澤宇, 趙耀環 申請人:北京大學