基于飛行模擬軟件的航空信道通信覆蓋特性研究

盧毅 水宜水 徐林

【摘要】? ? 針對航空信道下的通信覆蓋效果問題，以飛行模擬軟件作為虛擬通信端節點，綜合考慮飛行狀態、天線電磁輻射特性及地形環境對信號傳輸的影響，提出了一種基于飛行模擬軟件的通信覆蓋特性分析方法，通過獲取飛行參數，建立坐標系統，重構信道場景，對飛行平臺與地形因素進行參數映射，結合通信端性能，得出實時通信覆蓋效果，可為實際環境下的通信應用提供有效驗證與支撐。

【關鍵詞】? ? 通信覆蓋? ? 飛行模擬? ? 坐標系統? ? 參數映射

引言：

對于具有特定需求的廣域覆蓋通信場景，將基站升空是一種行之有效的通信手段，航空通信覆蓋能力考察的是空中飛行器和地面通信站之間可靠數據傳輸的最大距離范圍。

目前已有較多專門針對航空信道特性的分析成果，有學者對高空平臺站提出了一種空時信道模型[1]，根據飛行器的各飛行階段對信道模型進行了分析[2]，基于地形信息對平流層通信系統進行了衰減預測[3]，基于飛行軌跡對無人機動態信道進行了建模分析[4]。此外，也有學者針對船舶空海通信的具體應用進行了鏈路預算分析[5]，但其未考慮飛行姿態等影響因素。

本文根據航空通信應用場景特點，將飛行器及地形因素納入，對通信場景進行重構，采用適合于空地通信的信道模型，考察信號衰落情況，基于飛行模擬軟件對空地通信覆蓋特性進行分析，給出了一種實時的仿真方法，為實際通信應用提供了新的驗證思路。

一、航空信道通信場景重構與參數映射

1.1 飛行模擬軟件二次開發

飛行模擬軟件選用X-Plane進行二次開發，通過查詢與飛行參數相對應的變量名，對需要的飛行參數逐一綁定，設定好定時器，用以確定飛行參數的下發周期，并配置好數據傳輸的通信端口，完成所有功能的編碼后進行編譯，生成功能插件。功能插件生成后，動態加載到飛行模擬軟件中，將自動關聯飛行器的飛行位置、海拔、速度、姿態等飛行參數，當進入飛行模擬界面時，飛行參數即可以一定周期實時向指定的目的端口進行下發。

1.2 坐標系定義

ECEF坐標系：原點與地球質心重合，Xe軸指向格林威治平子午面與地球赤道的交點，Ze軸指向地球北極，Ye軸垂直于XOZ平面構成右手坐標系;

LLA坐標系：又稱大地坐標系，原點位于參考橢球的中心，與地球的質心重合，地面任一點坐標可表示為（λ，， h）。其中，λ為地理經度，為地理緯度，h為大地高度。

導航坐標系：又稱東北天坐標系，該坐標系以載體重心為原點，Xg軸指向東，Yg軸指向北，Zg軸指向天頂。

載體坐標系：以載體重心為原點，Xd軸沿載體縱軸向前，Yd軸沿載體橫軸向左，Zd軸沿載體立軸向上。

2.3 地形數據調用

地形數據采用地形高程文件，利用Matlab軟件對文件進行數據讀取與解析，確定源地形文件對應的經緯度范圍、起始經緯度、經緯度間隔等信息，若目標點的經緯度恰與源文件中數據點一致，則可直接讀取該點對應的高程信息，否則利用與目標點經緯度相鄰的四個點所對應的高程信息，采用雙線性插值法得出目標點對應的高程信息，通過數據處理后即可獲得任意經緯度下的地形高程信息。

2.4 天線電磁輻射特性參數映射

天線電磁輻射特性對信號傳輸的影響主要表現在天線增益上。設地球長軸半徑為Re，短軸半徑為Rp，地球橢球第一偏心率為e，發射端經緯度、海拔高度分別為λT、T、hT，接收端經緯度、海拔高度分別為λR、R、hR，據此可得發射端沿卯酉圈的主曲率半徑，接收端沿卯酉圈的主曲率半徑，將收發端兩點由LLA坐標系向ECEF坐標系轉換，可得在LLA坐標系下發射端與接收端的坐標如下：

然后將發射端的ECEF坐標通過轉換矩陣向接收端對應的導航坐標系轉換，接著將該坐標通過轉換矩陣由導航坐標系向接收端對應的載體坐標系轉換;設發射端指向接收端的向量為，則在發射端載體坐標系下的坐標即為接收端在發射端載體坐標系下的坐標，通過的坐標得出球坐標下的天頂角與方向角，進而通過方向圖索引出該方向上的發射天線增益;同理，可得該方向上的接收天線增益。

三、通信覆蓋能力測算

3.1 信道路徑損耗分析

對于空地通信覆蓋應用，采取ITU-528信道模型進行路損計算，ITU-528建議書包含了預測125～15500MHz頻率范圍內、收發距離在1800km以內、天線海拔高度不超過20000m范圍內的航空和衛星業務基本傳輸損耗的方法。

ITU-528模型給出了距離、收發天線海拔高度、工作頻率、置信度在某些特定值下的路損標稱值，而全范圍下的路損則需要通過插值的方式得到，通過場景重構與參數映射，以通信雙方經緯度為輸入參數，可以方便計算出通信雙方的距離，且收發端的天線高度是確定的，再設定工作頻率與信道模型置信度，便可對路徑損耗進行計算。

3.2 通信覆蓋計算

通信覆蓋能力計算主要考察接收信噪比（SNR）是否滿足要求，SNR=Pt+Gt+Gr-PL-N0-IL，其中，Pt為發射功率，Gt、Gr為發射與接收天線增益，PL為路損，N0為噪聲功率，IL為通信設備總插損。根據之前所述，PL，N0，IL均易求解，而Gt、Gr可根據之前所述天線增益參數映射方法進行計算，故可得SNR。

據此進一步計算通信覆蓋范圍，結合某一傳輸方向上對應的收發天線增益，可得出在該方向上信號正確接收所允許的最大路損，進而可反推出該方向的通信距離，若超出了視距邊界，則將該值限制在邊界，同時，判斷該方向對應地面上點的地形高度是否遮擋收發點的連線，最終得出考慮天線與地形影響下的有效通信距離。根據仿真的實時性要求，在實際計算時選取72個方向進行計算，即每個方向角度間隔為5°。

四、通信覆蓋特性仿真

基于飛行模擬軟件的飛行過程動態模擬，可以對通信覆蓋進行實時仿真。在飛行模擬軟件中選取我國珠三角某一地點作為飛行器所在位置，以此為虛擬的空中基站，升空高度約3000m，假定通信頻率為500MHz，信息速率為512kbps，發射功率為10W，通信帶寬為1MHz，信號可正確解調的門限值為10dB，同時，考慮兩種天線輻射特性，如圖1所示。

在兩種天線輻射特性下，啟動飛行模擬軟件，結合Matlab進行通信計算，分別可得到通信覆蓋情況如圖2、圖3所示。從仿真結果可以看出，在不同方向上的通信能力受到地形的影響較為明顯，在山區部分，由于遮擋將降低通信距離，而在靠近平原的地區，遮擋較少，通信距離較大;同時，不同的天線輻射特性，對應的覆蓋能力不同，第一種天線輻射特性對應的最小覆蓋半徑為114.5km，而第二種天線輻射特性對應的最小覆蓋半徑為107km。

五、結束語

本文基于飛行模擬軟件，提出了一種實時的航空信道通信覆蓋特性分析方法，飛行模擬軟件的引入使得通信場景可遍歷幾乎全球任何地點與空間，大大提高了通信覆蓋仿真的廣泛性，同時飛行器可模擬不同的飛行狀態，天線電磁輻射特性可替換，具有很強的擴展性，地形數據的調用亦使得環境影響更為逼真，實時仿真結果表明，通信覆蓋能力隨天線與地形的影響而變化，本方法為實際環境下的通信應用提供了有效的驗證與支撐手段。

參? 考? 文? 獻

[1]李含青， 郭慶， 楊明川. 一種高空平臺站通信系統的空時信道仿真模型研究[J]. 設計與實現， 2008.

[2]劉婷婷. 航空信道的建模及其應用[D]. 杭州電子科技大學， 2009.

[3]李霄翔， 何晨， 諸鴻文. 基于地形信息的平流層通信系統傳播衰減預測[J]. 上海交通大學學報， 2002.

[4]周生奎. 無人機動態信道建模及硬件實時模擬研究[D]. 南京航空航天大學， 2015.

[5]陳永鋒， 吳波濤， 趙孟軒等. 船舶超短波對空電臺信道分析與使用策略研究[J]. 電子測量技術， 2019.