基于射線追蹤法的航空多徑信道建模與仿真

張 薇

(航天恒星科技有限公司，北京100086)

0 引言

隨著現代科技與軍事力量的發展，航空通信系統包含的范圍越來越廣，例如導彈與載機之間的通信、飛機與地面測控站之間的通信等等。由于航空飛行器的飛行高度較低，地面復雜的地形環境會引入嚴重的多徑效應，主要表現在系統誤碼率提高、鏈路通信質量下降甚至中斷。因此研究航空通信中多徑信道的建模與仿真具有重要意義［1，2］。多徑信道的建模方法主要包括2種:①基于大量的測試數據和經驗公式建立的統計預測模型，該模型常用于通信環境比較固定的移動通信系統中;② 射線追蹤法，它是基于幾何光學的原理，通過模擬射線的傳播路徑來確定直射徑、反射徑和散射徑等，從而可以精確預測接收與發射之間電磁波傳播的多條路徑［3－5］。航空飛行器的通信環境具有多樣性，地面環境復雜，難以采用統計模型進行預測分析，必須根據特定的環境具體建模分析［6－8］。已有的建模分析方法大都是基于統計預測模型，不適用于航空通信中特定的、復雜的環境［9－12］。本文提出了基于射線追蹤法進行航空多徑信道建模與仿真的方法，該方法能根據具體的復雜地形環境進行建模，能夠同時仿真通信中的多條路徑的信號傳輸情況，仿真結果更加準確、真實地反映航空多徑信道情況。

1 Wireless Insite軟件

Wireless Insite是基于射線追蹤法進行無線信道仿真的工具，采用先進的高頻電磁處理方法，使其可以在50 MHz～100 GHz頻段內提供精確的計算結果。軟件主要用于對城市、郊區和室內等規則區域，山脈和植被區等非規則地形，機場和大型艦船等復雜平臺的電磁環境預測分析。該產品基于UTD/GTD理論，采用射線跟蹤方法建立傳播模型，同時使用計算機圖形的方法加速模型的建立和處理。軟件所采用的算法當中包括2D、3D以及快速3D的算法，根據繞射的特性以及跟物體相關的反射和透射系數評估電場和磁場，并通過將電場與具體的天線模式相結合來計算路徑損耗、接收功率、到達時間以及到達角度等。

2 模型建立與仿真

以航空飛機在機場著陸段與地面測控站通信過程中的多徑電磁環境分析為例，對模型的建立與仿真的方法過程進行介紹。

2．1 仿真區域地形環境設置

根據項目中的飛機飛行軌跡及地面測控站所在的機場區域，設置模型中的地形環境(terrain)的經緯度范圍及高度。機場的地面材料設置為混凝土材料(concrete)，相對介電常數 15．0。

在某些項目中，飛行器飛行的地面環境為野外的不規則地形，此時的地形環境可以通過直接導入數字高層地圖的方式設置。

2．2 發射機與接收機設置

這里發射機是指飛機，接收機是指地面測控站。

①發射機與接收機位置設置:根據飛機的飛行軌跡和地面測控站的位置對發射機和接收機位置進行設置。

②發射機與接收機姿態設置:飛機飛行過程中，姿態(橫滾角、偏航角和俯仰角)在不斷變化，導致機上天線的波束指向在變化，根據飛機的飛行姿態對發射機的旋轉角度進行設置。對于接收機，地面測控站的天線是實時指向飛機的，因此也是隨著飛機軌跡位置在實時調整。根據飛機與地面測控和站的相對位置關系對接收機的旋轉角度進行設置，保證地面測控站的天線是實時指向飛機。

③發射機天線與接收機天線設置:根據實際情況，導入發射機天線與接收機天線的仿真的增益方向圖。

④發射機發射功率設置:根據項目實際情況，對發射機的發射功率進行設置。

2．3 仿真設置

仿真設置包括:① 仿真頻率設置;②研究區域設置:研究區域(Study Area)為軟件實際計算的區域，應為包含了發射機和接收機位置的區域;③ 求解設置:采用Vertical plane模型進行計算，計算反射徑數目設為6條，散射徑數目設為1條。當然，也可根據需要更改反射徑和散射徑數目，數目越多，結果越準確，仿真時間越長。

2．4 仿真結果及分析

2．4．1 電磁波傳播的多徑情況

本項目中，地形為平坦的地面，因此實際到達接收機的路徑只有直射徑和反射徑，沒有散射徑，多徑情況較為簡單。接收天線的接收功率門限值設置為－250 dBm，因此到達接收機的功率低于－250 dBm的路徑將被舍棄。仿真的多徑情況如圖1所示。

從仿真結果中可以看出，在飛行軌跡初期段，接收路徑為1條直射徑和1條反射徑，到后段變為1條直射徑和2條反射徑，到末段只剩下1條直射徑。這跟發射機與接收機的位置姿態及地形環境都有關。

2．4．2 接收機的接收功率

仿真的總接收功率、直射徑接收功率和主反射徑接收功率如圖2所示。其中，總接收功率指的是所有路徑合成的總接收功率，主反射徑接收功率指的是反射徑中接收功率最大的路徑的接收功率。

圖1 仿真的多徑情況

圖2 接收機的接收功率

從仿真結果中可以看到，由于多徑的影響導致總接收功率有一定的起伏。在470～500 s時間段，飛機飛行軌跡有個迅速的轉彎，天線指向發生偏離，導致接收功率快速下降。在飛行末段，飛機快速靠近地面站，導致接收功率快速增大，由于飛機與地面站位置較近，反射徑接收功率變化劇烈，對總接收功率的影響減小。總得來說，由于機場地面環境平坦，因此多徑影響不大。

2．4．3 接收路徑延時

接收路徑延時指的是發射機到接收機的傳輸延時。仿真的直射徑延時、主反射徑延時以及直射徑與主反射徑延時的差值如圖3所示。

圖3 仿真結果

從仿真結果可以看到，直射徑與主反射徑的延時在10－4量級，并且隨著飛機逐漸靠近地面站，延時逐漸減小;直射徑與主反射徑的延時差值在10－6量級。隨著飛機逐漸靠近地面站，延時差值開始緩慢變大，而到末段延時迅速變大，這也是跟發射機與接收機的相對位置關系相關。

3 結束語

給出了基于射線追蹤法的航空多徑信道建模與仿真的方法，并以實際項目為例，對航空多徑信道建模與仿真的方法及過程進行了詳細介紹。仿真結果真實地反映了航空多徑信道情況，從而表明該仿真方法適用于航空通信系統中多徑信道的分析，能夠為航空通信系統的研制提供指導意義。

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