再入遙測信道建模與分析

曾海彬，孟　瑋，陳　靜，郭肅麗

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

再入遙測信道建模與分析

曾海彬1，孟瑋2，陳靜2，郭肅麗2

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對再入遙測飛行器的測控過程中落區目標飛行器接收信號會出現中斷的現象，研究再入遙測飛行器的環境，分析了再入遙測信道的特性，將再入遙測信道建模為時變的二徑萊斯信道，通過建模仿真，模擬目標信號經過信道后信號功率的變化情況，并從天線架高和載波頻率2個方面分析了其對信道特性的影響，得出結論表明，降低接收天線架高和采用頻率分集接收的方式是比較有效的對抗多徑效應的方法。

再入遙測；二徑信道；信道建模；分集接收

0　引言

再入遙測技術主要指飛行器在再入大氣層過程中的各種物理參數進行測量的一項專門技術。在飛行器的整個飛行過程中接收測控通常會在航程中分布多個測站采用接力模式進行，而再入遙測落區飛行器的測控尤其重要，但是通過多次的試驗發現落區測站的接收信號通常都非常不穩定，出現信號中斷的情況，因此有必要分析再入遙測信道的特性，得到影響接收信號質量的關鍵因素及改善措施。

由于飛行器的移動，再入遙測信道屬于移動無線信道的一種，另外分析再入遙測飛行器所處環境，可以發現再入遙測飛行器一般都會在較為空曠的地區進行飛行，直達波總是存在，反射波可以只考慮地面反射，因此可以考慮再入遙測信道為時變二徑萊斯信道[1,2]。本文將通過對再入遙測信號建模[3]，分析信道特性的影響因素，研究改善接收信號質量的有效手段。

1　再入遙測信道建模

兩徑反射萊斯信道沖激響應可以建模為[4-5]：

c(τ,t)=αδ(τ)+βejwcτ0(t)δ(τ-τ0(t))。

式中，α為直射路徑的衰減因子，與路徑損耗有關[6]；β為反射路徑的衰減因子，與路徑損耗和反射介質的反射系數有關[7]；wc為載波頻率；τ0(t)為兩徑時延差。由于地面起伏的隨機性，上述衰減因子和時延差都不是固定值，但是可以用其統計特性來表示，下面的仿真分析中就只考慮其統計均值。

圖1　球面二徑反射模型

根據上式可以計算出主反射點到通信雙方天線的距離d1和d2，進而解算出反射波和直射波的路程差和兩徑反射時延差[10]，模擬得到兩徑反射信道沖激響應和再入遙測信道中落區目標信號經過信道后功率的變化情況。

2　再入遙測信道分析

根據上述的信道模型，設置仿真參數如下：天線架高5 m，目標飛行器初始高度為150 km，水平初始距離為250 km，目標直線運動，歷經32 s落到地面，落地點距離接收站10 km。由設置的幾何參數得到二徑萊斯信道的參數和沖激響應函數，進而可以得到目標信號經過信道后的功率隨時間的變化情況，如圖2所示。

圖2　接收信號功率隨時間的變化情況

由圖2可以看出，目標信號經過信道后產生了一系列的深衰落點，衰落的深度與反射介質的反射系數有關，衰落點的位置由兩徑信號之間相位差決定，當相位差為180°時衰落到最深點。

衰落點造成接收信號功率的不穩，尤其是在目標距離接收站較遠時，由于路徑的損耗信號電平本來就很低，在衰落點處的信號會低于接收解調門限，造成接收信號中斷的現象。

在目標由遠至近的運動過程中，由于兩徑時延差的變化變快，導致衰落點的出現頻率變快，但由于目標距離變近，自由空間路徑損耗小補償了多徑衰落深度，后期的多徑衰落不會太影響信號的接收。

上述所有的仿真分析結果都與實際測試中出現的現象能較好的吻合，這也驗證了仿真分析的正確性。

3　信道特性影響因素分析

通過上面的仿真分析可以看出，影響信道特性的關鍵因素是兩徑之間的相位差wcτ0(t)，如果兩徑信號相位差小于90°，則接收信號功率會增強，反之信號功率會減小，造成信號衰落。其中，wc為載波頻率；而τ0(t)為兩徑時延差，受接收天線架高的影響較大。因此，可以從載波頻率和天線架高2個方面分析其對信道特性的影響。

3.1接收天線架高的影響分析

為了驗證接收天線架高對信道的影響，進行如下仿真：假設接收天線為全向天線，天線布站幾何關系固定，改變天線的高度得到天線高度分別為10 m、5 m和1 m情況下的接收信號功率變化情況，如圖3所示。

圖3　天線高度對信道特性的影響

由圖3可以看出，在天線較高的情況下接收信號的深衰落點較多，10 m高度時低于-210 dB的衰落點有5個，5 m時有2個，1 m時沒有深衰落點。因此在此情況下，天線架高越低越有利于對抗多徑干擾。

3.2信號載波頻率的影響分析

假設選取2個不同的載波頻率f1和f1+Δf，兩徑時延差為τ0，如果存在

Δf·τ0=n·0.5,n=1,3,5,…),

則由于多徑時延差造成的兩徑之間的相位差在2個不同的載波頻率上就會產生完全相反的疊加效果。即如果對f1兩徑相位反相疊加出現深衰落，則對f1+Δf會出現兩徑同相疊加增益變大。

由此，當合理選取不同頻率的信號進行頻率分集傳輸，使2個頻率的信號不會在同一時刻產生深衰落，可以較好地對抗多徑干擾，如圖4所示，載波頻率相差50 MHz的2個頻率分量Δf·τ0≈1.5，得到的接收信號功率出現衰落的時刻幾乎正好相反。

圖4　信號載波頻率對信道特性的影響

4　結束語

本文分析了再入遙測信道的特性，針對再入遙測的特殊環境進行了信道建模仿真，將再入遙測信道建模為時變的二徑萊斯信道，并仿真了信號經過信道后的功率變化情況，仿真結果與實際測試結果有很好的相似性，即在目標的運行過程中會出現功率衰落點。分析了影響信道特性的關鍵因素，認為降低接收天線架高和采用頻率分集接收的方式是比較有效的對抗多徑效應的方法。上述的仿真分析結果為工程實現提供了一定的技術支持，在不改變現有的硬件設備的基礎上選用合適的載波頻率和接收天線架高，可以有效地降低多徑干擾帶來的影響。

[1]RAPPAPORT Theodore S.Wireless Communications Principles and Practice,Second Edition[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:71-80.

[2]謝益溪.無線電波傳播：原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008：49-60.

[3]MICHAEL Rice.Wideband Channel Model for Aeronautical Telemetry[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2004,40 (1):57-69.

[4]BELLO P.Aeronautical Channel Characterization[J].IEEE Transactions on Communications,1973,21(5):548-563.

[5]黃強.等待接收再入遙測信道特性研究[D].成都：電子科技大學，2006.

[6]王東,李志勇,白立鋒.地空信道特性研究[J].無線電通信技術，2009，35(3)：32-34.

[7]GJB/Z 87-1997.雷達電波傳播折射與衰減手冊[S].

[8]習靖，習強，鄭淑梅.地空信道二徑模型及仿真[J].無線電工程，2007，37(7)：58-60.

[9]陳建民.地空通信的天線高度與多徑干擾[J].無線電通信技術，2000，26(1)：44-45.

[10]梁保衛,高紅濤.無人機飛行過程中信號弱區的分析[J].無線電工程，2006，36(7)：36-38.

曾海彬 女，(1976—)，博士，高級工程師。主要研究方向：無線電遙測遙控技術。

孟瑋女，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：遙測遙控技術。

Modeling and Analysis of Reentry Telemetry Channel

ZENG Hai-bin1,MENG Wei2,CHEN Jing2,GUO SU-li2

(1.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

To address the issue of signal reception interruption of the reentry telemetry aircraft,the special environment of reentry telemetry aircraft and the characteristics of reentry telemetry channel are analyzed.The channel can be modeled as a time variable two-ray reflection Rice channel.The signal power of aircraft passed through this channel is simulated,and the impact to the characteristics of channel is analyzed with respect to the height of antenna and the frequency of carrier.And it is concluded that the impact of multi-path effect can be reduced by lowering the height of antenna and using frequency diversity reception.

reentry telemetry;two-ray reflection channel;channel modeling;diversity reception

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.15

2016-05-11

TN914

A

1003-3106(2016)09-0059-02

引用格式：曾海彬,孟瑋,陳 靜,等.再入遙測信道建模與分析[J].無線電工程,2016,46(9):59-60,72.