無人機(jī)測(cè)控與通信系統(tǒng)信道傳輸特性研究

陳遠(yuǎn)友

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在現(xiàn)有的無人機(jī)系統(tǒng)中，地空視距鏈路承擔(dān)著測(cè)控與通信系統(tǒng)的重要作用，為了延伸作用距離，視距鏈路大多在遠(yuǎn)距離低仰角情況下進(jìn)行移動(dòng)通信，受到多種因素的影響［1］，電波傳播環(huán)境十分復(fù)雜。

國內(nèi)外有較多的文獻(xiàn)［2-13］研究地空鏈路的傳輸特性。文獻(xiàn)［3-5］基于文獻(xiàn)［2］提出的WSSUS隨機(jī)時(shí)變線性信道進(jìn)行了特性研究和建模分析。ITU-R有大量文獻(xiàn)研究無線電波的傳輸特性并指導(dǎo)如何構(gòu)建移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。國內(nèi)針對(duì)無人機(jī)地空視距鏈路傳輸特性研究的文獻(xiàn)也比較豐富，既有對(duì)信道統(tǒng)計(jì)特性和模型的研究［6-11］，也有針對(duì)具體應(yīng)用情況的仿真和分析［11-13］，對(duì)工程實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

鑒于無人機(jī)測(cè)控與通信地空視距鏈路在低仰角移動(dòng)通信信道的復(fù)雜性，針對(duì)該種信道的多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)和多普勒效應(yīng)綜合影響研究的文獻(xiàn)較少，本文從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度對(duì)無人機(jī)測(cè)控信道進(jìn)行分析并建立模型，描述其信道傳播特性。

1 信道分析模型

1.1 信道特性分析

大多數(shù)中小型無人機(jī)由于受自身資源的限制，主要依靠地空視距鏈路傳輸測(cè)控和任務(wù)載荷信息。在無人機(jī)升限受限的情況下，為了發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，可能要求延伸作戰(zhàn)半徑至無線電通視距離的極限值，無人機(jī)在任務(wù)區(qū)和大部分飛行途中相對(duì)于地面控制站可能處于接近0°的低仰角狀態(tài)。

由于在任務(wù)前需要對(duì)飛行路徑、作業(yè)區(qū)域和方向、地面控制站的位置及行進(jìn)路線等精心規(guī)劃，使得無人機(jī)出航后盡量和地面控制站保持無線電通視，即無線電信號(hào)一般存在直射分量。

在低仰角環(huán)境下，無線電波除了自由空間的傳輸損耗外，大氣層中的降雨、云、霧、水蒸氣和氧氣等會(huì)吸收無線電波;由對(duì)流層湍流以及電離層閃爍引起的折射率的變化將使傳輸信號(hào)的幅度和相位發(fā)生波動(dòng)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制效應(yīng)，建筑物、山脈、樹林等障礙物會(huì)引起信號(hào)的阻斷和陰影效應(yīng)，這些因素引起信號(hào)衰落的重要特點(diǎn)是慢變，信道在一定時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是緩變的。這種表征信號(hào)在比較大的傳輸距離上平均功率的衰減稱為大尺度衰落。

相對(duì)于大尺度衰落，還有一些因素導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度和相位在短距離或短時(shí)間內(nèi)的快速變化。地面復(fù)雜環(huán)境所造成的反射、散射和繞射會(huì)帶來多徑效應(yīng);無人機(jī)和地面控制站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。多徑效應(yīng)以及多普勒效應(yīng)疊加在一起造成信號(hào)的小尺度衰落。小尺度衰落表征著信道的時(shí)變特性，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。

1.2 信道建模

在研究無線傳輸信道特性方面廣泛采用的概率分布模型中，有單狀態(tài)Markov模型和多狀態(tài)Markov模型，由于單狀態(tài)模型難以準(zhǔn)確描述無人機(jī)在整個(gè)任務(wù)期間信道的動(dòng)態(tài)變化特性，因此人們關(guān)注更多的是多狀態(tài)模型，比如三狀態(tài)Markov模型。如果想要更加準(zhǔn)確地表征在低仰角情況下的信道衰落特性，則通常需要根據(jù)低仰角情況下的真實(shí)信道環(huán)境(反射、建筑物阻擋情況等)來分析多徑延時(shí)分量和陰影效應(yīng)，從而更加合理地描述無人機(jī)低仰角測(cè)控與通信系統(tǒng)的各種因素的影響。

C．Loo 模型［14］、Corazza 模型［15］和 Lutz 模型［16］是國內(nèi)外比較常用的陸地移動(dòng)衛(wèi)星 (Land Mobile Satellite，LMS)無線通信信道統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)［5］提出了一種航空寬帶信道模型，按照飛行途中、起降、滑跑、泊機(jī)等不同階段分別建立模型和分析，文獻(xiàn)［6］對(duì)無人機(jī)不同任務(wù)階段的信道特性進(jìn)行了分析，建立了由直射分量、地面反射分量和多徑分量構(gòu)成的信道模型，并進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)［4，17］對(duì)LMS信道特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和建模。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和分析表明，在整個(gè)任務(wù)剖面無人機(jī)測(cè)控與通信系統(tǒng)視距鏈路信道的衰落特性不能用單一的概率分布函數(shù)來描述，尤其在低仰角工作期間信道特性非常復(fù)雜。無人機(jī)和地面控制站間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能較大，信道環(huán)境存在較大的時(shí)變性，信號(hào)呈現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性。因此，使用多個(gè)信道狀態(tài)和多種概率分布函數(shù)的組合來描述無人機(jī)無線信道。狀態(tài)個(gè)數(shù)的選取與接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍直接相關(guān)，當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍很大時(shí)，狀態(tài)個(gè)數(shù)越多越能細(xì)膩刻畫信號(hào)的慢變化特性，但系統(tǒng)復(fù)雜度增加，結(jié)合工程實(shí)踐并參考文獻(xiàn)［4，17］及ITU-R的其他文獻(xiàn)，采用狀態(tài)數(shù)為3的高動(dòng)態(tài)Markov信道模型進(jìn)行描述。

無人機(jī)測(cè)控與通信系統(tǒng)視距鏈路屬于地空鏈路，依據(jù)其特性，考慮多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)后的完整Corazza信道仿真模型如圖1所示。

圖1 無人機(jī)測(cè)控與通信系統(tǒng)信道仿真模型

上述分析表明，無人機(jī)視距空間鏈路一般認(rèn)為是通視的，產(chǎn)生多徑效應(yīng)和陰影衰落的原因主要在于地表面起伏、建筑物或者植被覆蓋。據(jù)此定義3種信道狀態(tài):①無陰影狀態(tài)S1，直射信號(hào)、多徑信號(hào)均不受陰影遮蔽影響;②中度陰影狀態(tài)S2，直射信號(hào)受陰影遮蔽影響，多徑信號(hào)不受陰影遮蔽影響;③完全陰影狀態(tài)S3，直射信號(hào)、多徑信號(hào)均受陰影遮蔽影響。

在此基礎(chǔ)上建立三狀態(tài)Markov信道模型，此時(shí)無人機(jī)測(cè)控信道服從上述3種狀態(tài)分布，狀態(tài)①發(fā)生的概率要大一些。根據(jù)ITU-R定義的衰落時(shí)間分布:在無陰影狀態(tài)下，衰落持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布;中度陰影狀態(tài)和完全陰影狀態(tài)下，衰落持續(xù)時(shí)間均服從對(duì)數(shù)分布。無人機(jī)在覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，信道被等效為馬爾可夫三狀態(tài)切換過程，得到其穩(wěn)態(tài)概率矩陣，從而模擬真實(shí)信道。各狀態(tài)持續(xù)時(shí)間、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率與任務(wù)剖面及環(huán)境有關(guān)，可參考ITU-R的相關(guān)文獻(xiàn)［17］。

Markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示，Pij表示從狀態(tài)Si轉(zhuǎn)入狀態(tài)Sj的概率。

圖2 Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)換

2 信道特性仿真

2.1 Rice信道衰落特性仿真

在不考慮陰影效應(yīng)時(shí)，圖1所示的信道模型就簡化成Rice信道;如果進(jìn)一步將多徑分量簡化，取其最強(qiáng)的一路，則該信道模型簡化成工程中常用的二徑模型。

將直射分量歸一化，表示為實(shí)數(shù)1，多徑分量產(chǎn)生的復(fù)高斯過程除以，使其能量為1/k，與直射分量疊加后，即可產(chǎn)生Rice分布的隨機(jī)過程。對(duì)萊斯信道進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 Rice信道的衰落特性仿真

2.2 三狀態(tài)Markov過程衰落特性仿真

對(duì)三狀態(tài)Markov過程的仿真需要先構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣隨地形、季節(jié)和任務(wù)剖面等變化，文獻(xiàn)［4，17］分別給出了一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考這些文獻(xiàn)，針對(duì)無人機(jī)測(cè)控與通信信道的具體特性，仿真采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為:

為了減小仿真數(shù)據(jù)量，對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖2中的3種狀態(tài)，選擇 S1，S2，S1，S1，S3，S3，S1，S1進(jìn)行仿真，每種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為1 s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 三狀態(tài)Markov過程的衰落特性仿真

從圖4可以看出，在1～2 s時(shí)間段內(nèi)，由于處于輕度陰影狀態(tài)，衰落的方差較大;同樣，在4～6 s內(nèi)，由于處于重度陰影狀態(tài)，衰落的方差更大。實(shí)際上衰落的均值會(huì)隨著陰影的加重而降低(即衰落更嚴(yán)重)，仿真的數(shù)值結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

無人機(jī)測(cè)控與通信地空視距鏈路的信道傳輸特性不能僅僅考慮多徑和多普勒的影響，而必須綜合考慮多徑、陰影和多普勒的影響，簡化的Rice信道模型可能對(duì)那些在復(fù)雜環(huán)境獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析帶來不利影響。

3 結(jié)束語

無人機(jī)測(cè)控與通信地空視距鏈路由于低仰角移動(dòng)工作環(huán)境，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)和陰影效應(yīng)，不同的環(huán)境條件對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懖煌⒖缄懙匾苿?dòng)衛(wèi)星通信信道特性的統(tǒng)計(jì)分析方法，采用狀態(tài)數(shù)為3的高動(dòng)態(tài)Markov信道模型描述低仰角狀態(tài)下的無人機(jī)測(cè)控與通信信道傳播特性，建立了仿真模型，并對(duì)該模型及其簡化形式(通常采用的Rice模型)進(jìn)行了仿真分析，分析表明其信道傳輸特性必須綜合考慮多徑、陰影和多普勒的綜合影響。

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