海上衛星通信遮擋預報模型研究

張海勇，劉冠邑，馬 遷

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

0 引 言

衛星通信具有通信距離遠，傳輸容量大，覆蓋范圍廣等優點，現已在軍事、民用的各個領域得到廣泛應用[1]。海上衛星通信相較于其他衛星通信而言面臨更多的影響因素，其中遮擋作為限制通信的重要因素之一，會引起信號的大尺度慢衰落，甚至導致通信中斷[2]，在實際應用中必須加以解決。

目前已有國內外學者和機構針對遮擋問題展開研究。國際電信聯盟ITU在ITU-RP.681建議中，基于生成遮蔽函數（MFK）的方法，給出了移動衛星通信房屋建筑物阻斷模型[3]，該模型適用于地面移動通信，但海上衛星通信障礙物會隨著船體運動，不能直接利用該模型進行分析；文獻[4-5]主要研究了機載衛星通信裝備在旋翼和雷達的遮擋下，衛星通信的可行區域，但船舶結構相對復雜，與機載衛星通信僅受單一障礙物影響不同；文獻[6]對電磁波遇到不同類型障礙物遮擋時的繞射進行研究，得出了電波繞射計算公式；文獻[7]研究了船舶在衛星天線遮擋條件下的航向計算，但未考慮船體晃動的影響。由于船舶結構復雜，通信天線會受多種障礙物的影響，而且船體晃動會對遮擋情況產生影響，以上研究并不能解決實際海上衛星通信面臨的遮擋問題。

當衛星通信天線受到遮擋時，只能被動地改變航向，即便是專門克服遮擋問題的雙天線系統，遮擋現象也時有發生。針對上述情況，本文旨在提出一種基于遮擋區域算法的遮擋預報模型，為船載裝備設計提供參考指標，預報遮擋航向，方便提前調整航向或切換天線，滿足軍事應用中全時通信的需求。

1 基于菲涅爾區特性的最小仰角分析

1.1 電波傳播特性研究

衛星通信主要應用微波波段。盡管微波頻率高、波長短，繞射能力相對較弱，但是在遮擋問題中，當障礙物距離天線較近時，電磁波的繞射效果被放大，所以在計算最小仰角時，必須對電磁波的這一特性加以考慮。

電波是通過許多菲涅爾區傳播的，其中最重要的是第一菲涅爾區[8]。第一菲涅爾區上的每個點到通信雙方的距離和均為R+r1，比通信直線距離d大λ/2，所以第一菲涅爾區呈橢球形。第一菲涅爾區示意圖如圖1所示。

圖1 第一菲涅爾區示意圖Fig.1 Sketch of the first Fresnel zone

已知點N1沿通信方向與通信雙方距離分別為d1，d2，信號波長為λ，則該點的第一菲涅爾區半徑F1可由下式求得：

當障礙物進入第一菲涅爾橢球，會對通信產生影響。菲涅爾區的遮擋損耗模型[9]指出：1）當遮擋面積小于第一菲涅爾區面積的40%時，遮擋損耗可以忽略。2）當遮擋面積大于40%時，遮擋損耗迅速增大，當遮擋面積達到50%時，遮擋損耗可以達到6 dB。因此為保證通信的穩定性，應將遮擋面積控制在第一菲涅爾區面積的40%以下。

1.2 障礙物邊緣遮擋對最小仰角的影響分析

為保證通信穩定必須對遮擋面積加以控制。當遮擋面積占第一菲涅爾區面積的40%時，假設障礙物近似為矩形，則障礙物邊緣與第一菲涅爾區橫截面有如圖2所示位置關系。

圖2 障礙物邊緣遮擋示意圖Fig.2 Obstruction of the edge of the obstacle

a狀態為起始狀態，此時波束中心在障礙物中軸線上。當波束與障礙物產生相對位置變化時，為保證遮擋面積占40%，波束應水平位移至b位置，此過程中只有障礙物上邊緣對通信產生影響。若相對位置繼續變化，則既有水平位移也有豎直位移，如c狀態所示，此時障礙物上邊緣與側邊緣同時遮擋第一菲涅爾區。直至移動到d位置之后，若相對位置繼續變化，上邊緣不再影響通信質量，可以任意調節衛星天線仰角。

設b狀態時波束中心到障礙物上邊緣距離為m，到側邊緣距離為n，則m，n可由以下公式求得：

因為當遮擋面積為40%時，易求得角α為1.41，則m，n均可由菲涅爾半徑F1表示。狀態c相較于狀態b水平平移了長度x，為了使遮擋面積保持在40%，應該再向下平移長度y，則可以依據遮擋面積不變，得到y關于x的函數關系，同時當圓心到上邊緣與側邊緣距離相同，即y-m=n-x時，函數到達對稱點。

本文采用近似計算方法，將水平位移后減小的面積視為三角形面積（圖2中c狀態三角形所示），將豎直位移補償的面積視為矩形面積（圖2中c狀態矩形所示），計算公式如下：

當x位于對稱點左側時，該近似方法能保證遮擋面積始終小于40%，對稱點右側函數可直接由函數對稱性得到。令S三角形=S矩形，可以得到x與y在對稱點左側的函數關系：

根據對稱性容易求出x與y在對稱點右側的函數關系，對稱軸為：

水平調整距離x與豎直調整距離y直接關系到最小仰角與遮擋舷角的計算，最小仰角隨y增大而減小，遮擋舷角隨x增大而增大，具體函數關系在下文進行研究。當波束在障礙物邊緣時，隨著x的增大y逐漸增大，則此時最小仰角隨著舷角的增大逐漸減小。此處得出x與y的函數關系，為下文研究改進最小仰角算法奠定基礎。

2 基于遮擋區域算法的遮擋預報模型研究

當船舶處于高緯度地區時，天線仰角較小，此時障礙物易出現在天線與衛星的通信鏈路上，對天線產生遮擋。為了避免遮擋的影響，本文提出一種基于遮擋區域計算的遮擋預報模型，從而預報可能出現遮擋情況的航向，以便及時做出調整。模型計算流程如圖3所示。

圖3 遮擋預報模型流程圖Fig.3 Blockage forecast model flow chart

步驟1計算水平調整距離x與豎直調整距離y的函數關系

根據艦船實際結構，建立工程化模型。作一平面垂直于天線與障礙物軸線的連線，將障礙物在該平面上投影，得到障礙物的等效高度h（m）與1/2等效寬度w（m），并以天線位置為基準，得出障礙物軸線相對與衛星通信天線的舷角Q0（°）、距離s（m）與高度差Δh（m）。多障礙物時，每個障礙物應分別考慮，對于不規則障礙物，應視為多個障礙物的組合。

由于式（1）中的d2遠遠大于d1，在已知天線與障礙物軸線距離s、高度差Δh以及通信頻率f的情況下，第一菲涅爾半徑F1可利用如下公式近似計算：

將計算得到的第一菲涅爾半徑F1代入上文得出的式（2）、式（4），求出邊緣的水平調整距離x與豎直調整距離y的函數關系。

步驟2計算遮擋舷角Q與最小仰角Emin的函數關系

首先測定障礙物軸線相對于天線的舷角Q0，則遮擋的舷角Q與水平調整距離x有如下關系：

最小仰角由兩部分組成，分別是障礙物造成的仰角θ1與第一菲涅爾區豎直調整后造成的仰角θ2，如圖4所示。

圖4 第一菲涅爾區剖面圖Fig.4 Section of the first Fresnel zone

值得注意的是θ2可以為負，為負時即第一菲涅爾區中心處于障礙物上邊緣水平面之下。

則最小仰角Emin的計算公式如下：

其中，由式（4）、式（7）可以得出y關于Q的關系如下：

將式（9）代入式（8），可以得到最小仰角Emin與遮擋舷角Q的函數關系。該函數僅與天線與障礙物的尺寸、相對位置和通信頻率有關，與衛星和船舶的位置無關，因此可以提前依據艦艇結構計算得出。當存在多個障礙物時，需要分別計算遮擋舷角Q與最小仰角Emin的關系，即在不同的舷角區間內，舷角與最小仰角的關系不同。若船舶應用雙天線系統，當其中一個受到遮擋時，應切換到另一側的天線繼續工作，只有二者全被遮擋時通信才會中斷，此時障礙物舷角范圍為兩側天線遮擋舷角的交集。

步驟3船體晃動條件下的遮擋區域計算

船體晃動同樣會引起遮擋的產生，雖然這種影響不是始終存在，但為了保證全時通信，也要加以考慮。根據海況信息對船體晃動進行量化分析，設沿天線與障礙物軸線連線方向為參考方向，將船體晃動分解為沿參考方向與垂直參考方向，晃動的最大角度分別為μ1，μ2。

分析可知，圖5（a）情況下，晃動角度會直接影響天線的仰角，為保證全時通信，應預留部分仰角以對抗晃動的影響，由圖形關系容易得到預留角度等于晃動角度，大小為μ1。圖5（b）情況下，晃動使遮擋的舷角范圍增大，此時應預留部分舷角避免遮擋，預留舷角角度計算公式如下：

對式（8）進行如下修正：令Emin′=Emin+μ1，|Q′-Q0|=|Q-Q0|+ΔQ，從而得到船體晃動條件下最小仰角Emin，與遮擋舷角Q′的函數關系，二者所圍成的區域即為可能產生遮擋的區域。

圖5 船體晃動示意圖Fig.5 Schematic diagram of hull shaking

步驟4預報遮擋航向

首先依據船舶當前航向、航速預測Δt時間后船舶位置（λ，φ），Δt可以根據實際精度要求設置，具體位置預測計算不是本文研究的重點。則預測位置船舶與定點經度λ0的衛星進行通信時的天線仰角E與方位角A的計算公式如下：

其中：r=6 378.1 km為地球半徑；R=42 164 km為衛星軌道半徑。則在上文已求得遮擋舷角Q的情況下，可用如下公式計算遮擋航向：

其中：C為遮擋航向；A為衛星方位角；Q為遮擋舷角（左舷為負值，右舷為正值）。

3 仿真結果

本文以船舶與中衛10號衛星（定點經度110.5°E，通信頻率12.5 GHz）[10]的通信為例，分析船載天線受障礙物A，B遮擋情況下的最小仰角與遮擋航向，并與文獻[3]中傳統算法得出的結果進行對比。假設經實際測量和數據處理后，得到障礙物的相關參數與預測位置的地理信息如下：

將已知參數代入式（2）、式（6）、式（10）計算得出如如表1～表3所示結果。

將以上計算結果與參數代入式（8）、式（9），通過計算機仿真，得出遮擋區域算法得出的遮擋區域，并與未考慮菲涅爾區特性和船體晃動的傳統算法得出的遮擋區域進行對比，如圖6所示。

表1 障礙物參數Tab.1 Obstacle parameters

表2 預測位置坐標與海況信息Tab.2 Predicted position coordinates and sea state information

表3 相關參數計算結果Tab.3 Related Parameter Calculation Results

圖6 遮擋區域曲線Fig.6 Occlusion zone curve

由圖可知，遮擋區域算法得出的遮擋舷角范圍與最小仰角相較于傳統算法均有不同程度的增大，而且在障礙物邊緣處最小仰角的變化是漸變的，即最小仰角隨著舷角的改變逐漸變化，這與傳統方法中認為波束移出障礙物后最小仰角為0不同。

將預測位置信息代入式（11）和式（12），可求得預測位置的仰角和方位角分別為41°和-3.4°。通過式（15）求出基于遮擋區域算法預測遮擋航向為（-113.10°，-13.72°）∪（32.78°，160.40°），相較基于傳統算法得出的遮擋航向（-108.40°，-18.40°）∪（36.6°，156.6°），范圍擴大了17°

仿真結果表明，本文提出的遮擋區域算法，相較于未考慮電波繞射特性與船體晃動的傳統算法，得出的最小仰角更大，障礙物的有效遮擋范圍更廣；本文預測的遮擋航向比傳統方法范圍更大。本文得出遮擋預報結果更適用于海上衛星通信實際，預留了部分航向，以防止船體晃動時通信產生中斷，滿足軍事應用中對全時通信的需求。

4 結 語

本文提出一種基于菲涅爾區特性的遮擋區域算法算法，考慮了電波傳播中繞射對遮擋問題的影響，并適用于海上移動目標通信中船體晃動的情況。基于以上遮擋區域算法的研究，本文最后給出了適用于海上衛星通信的遮擋航向預報模型。通過船舶與中衛10號衛星通信的實例，驗證了遮擋區域算法的可行性與遮擋預報模型的可靠性，說明本文提出的遮擋預報模型更加適用于海上衛星通信實際情況，準確預報遮擋航向，輔助工作人員提前改變航向或切換天線以規避遮擋，為船舶應對遮擋問題提供技術支持。