一种准确分析高频段直升机卫星通信信道衰落特性的方法

摘要

本发明公开了一种准确分析高频段直升机卫星通信信道衰落特性的方法。本发明采用电磁仿真方法精确分析直升机旋翼旋转对卫星通信衰落特性的影响，而利用概率分布模型分析除此以外的其他一般环境因素对信道衰落造成的影响，从而使得分析结果比传统信道衰落分析方法更加准确并有效。本发明通过采用联合电磁仿真分析和概率分布模型的混合分析方法，极大提高了高频段（Ku频段以上）直升机卫星通信无线信道衰落特性分析的准确度和可信度，加快了仿真分析速度，节省了仿真分析所需的硬件开销，有效解决了现有高频段直升机卫星通信无线信道传输特性缺乏准确分析手段的技术难题。

说明书

技术领域

本发明涉及无线信道传输特性的研究方法，具体涉及一种准确分析高频段直升机卫星通 信信道衰落特性的方法。

背景技术

特殊环境下的无线信道衰落特性研究一直是通信研究领域的难点问题。对于目前广泛应 用的直升机卫星通信而言，准确分析其无线信道衰落特性，对充分挖掘通信系统容量、优化 系统性能具有重要的指导意义。但是由于其卫星通信天线受到旋翼旋转的遮挡影响，其信道 衰落特性不仅与一般的环境影响因素有关，而且与旋翼的动态遮挡效应密切相关，分析起来 相当复杂和困难。

目前分析无线信道衰落特性普遍采用基于概率分布模型的方法，这些方法是只考虑了一 般环境的统计规律的经验公式，对分析一般环境的信道特性比较有效，但对特殊环境不再适 用，主要原因在于特殊环境往往距离通信天线很近，因此其影响不容忽略，有时甚至超过其 他所有外部环境因素的影响。无线信道衰落特性在本质上属于电波传播规律问题，因此更准 确的研究分析方法是采用或发展基于严格麦克斯韦方程组的电磁仿真分析技术。虽然目前国 内外已经有了一些专门针对直升机旋翼遮挡问题的电磁仿真技术研究，但是它们在分析时普 遍只考虑了直升机旋翼遮挡对通信性能的影响，而缺乏对周边所有环境因素的系统完整分析， 比如没有考虑直升机所处的山区地势、树林等带来的多径效应、遮挡效应影响；而且，目前 直升机旋翼电磁仿真的分析频段主要是甚高频(Very High Frequency)VHF（30～300MHz）或 特高频（Ultra High Frequency）UHF（300～3000MHz）相对较低的频段，而对于目前已逐 渐走向应用的高频段，尤其是Ku和Ka频段（12.5GHz以上）尚未见报道。但是对高频段进 行电磁仿真准确分析会面临仿真计算量过大、难以实施等一系列实际困难，需要进一步深入 研究解决。

由以上分析可知，由于对高频段（Ku频段以上）直升机旋翼遮挡问题还缺乏准确有效的 电磁仿真分析手段，而对直升机卫星通信信道衰落特性也缺乏考虑所有环境因素影响的系统 全面的分析方法。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，为了能够准确获得高频段直升机卫星通信的无线信道 衰落特性和规律，本发明提出了一种既包括高频电磁仿真方法又包括概率分布模型的混合分 析方法。

本发明的目的在于提供一种准确分析高频段（Ku频段以上）直升机卫星通信信道衰落特 性的方法，用于解决现有的高频段直升机卫星通信无线信道传输特性缺乏准确分析手段的问 题。

本发明的高频段直升机卫星通信信道衰落特性的分析方法包括以下步骤：

1）利用电磁仿真方法，准确分析高频段直升机旋翼旋转对机载卫星通信天线性能的影响， 其中先采用准静态法将旋翼旋转状态下的天线的动态性能等效为一系列离散采样时刻上旋翼 静止状态下的天线性能，再利用电磁仿真算法，分析得到直升机在每一个离散的采样时刻所 对应的姿态和旋翼旋转角度下，静止旋翼对天线性能的影响；

2）利用概率分布模型，分析除直升机旋翼影响以外的其他一般环境影响因素对直升机卫 星通信信道衰落特性的影响；

3）将电磁仿真方法的分析结果和概率分布模型的分析结果进行混合分析，从而获得高频 段直升机卫星通信信道衰落特性的准确分析结果。

其中，在步骤1）中，准静态法是指，采用一系列离散的采样时刻上静止旋翼对天线辐 射场的影响来模拟旋翼旋转状态下该天线的动态电磁特性。

直升机在每一个采样时刻所对应的姿态和旋翼旋转角度下，通过几何建模和精确分析得 到静止旋翼对天线性能的影响。采用传统方法准确分析高频段直升机旋翼遮挡问题面临两大 主要难题：一是该分析对象属于复杂电大尺寸问题，如果完全采用精确仿真的算法，如矩量 法，则将面临待求未知量过多、仿真计算量过大而难以实际求解的难题，如果全部采用高频 近似方法，则会带来计算精度不足的问题；二是分析该问题需要针对不同的直升机姿态以及 旋翼旋转角度逐一进行仿真分析计算，这就需要大量近似重复的计算，如果采用传统分析方 法将耗费时间过长。

为了解决在分析高频段（Ku频段以上）旋翼遮挡问题时所遇到的待求未知量过多且仿真 计算量过大问题，本发明采用矩量法精确分析单独机载卫星通信天线部分的辐射场，采用高 频近似方法分析除机载卫星通信天线以外的其他所有旋翼和机身部分的电磁场。矩量法与高 频近似方法相结合的混合电磁仿真方法，在保证分析精度的同时大幅降低计算复杂度。高频 近似方法包括几何光学法GO、物理光学法PO、等效电流法MEC、几何绕射理论GTD、一 致性绕射理论UTD、一致性渐进绕射理论UAT以及物理绕射理论PTD。

此外，针对在不同旋翼旋转角度或不同直升机飞行姿态下都需大量重复计算天线方向图 的特点，本发明采用等效面法来进一步加速仿真计算过程。等效面法是基于惠更斯原理，首 先利用矩量法精确分析得到的单独机载卫星通信天线的辐射场在天线附近一个假想面上的电 磁场分布，然后利用其等效代替实际天线，进行其他飞行姿态和旋翼旋转角度下的天线受旋 翼遮挡的性能分析。等效面法提高了电磁仿真的计算速度和效率。

本发明的电磁仿真算法是集合了矩量法、高频电磁计算方法以及等效面法的快速混合方 法，其中，对机载卫星通信天线采用基于矩量法的精确计算方法，而对除天线以外的旋翼以 及其他机身部分采用高频近似方法，同时采用等效面法代替实际天线以加快不同直升机姿态 以及旋翼旋转角度的计算过程。因此本发明提出的包括准静态法和电磁仿真算法的电磁仿真 方法可以同时兼顾仿真精度和速度的要求，极大提高了算法效率和有效性。

在步骤2）中，概率分布模型采用Corazza信道仿真模型来计算一般环境的多径效应及阴 影效应对信道衰落特性的影响，其中多径效应服从瑞利Rayleigh分布，阴影效应服从对数正 态Lognormal分布。并采用三状态马尔科夫链来描述Corazza信道仿真模型的三种典型环境 状态之间的变化，以描述在直升机和卫星快速移动的情况下，机载卫星通信天线所处环境的 随机变化。Corazza信道仿真模型的三种典型环境状态，分别是对应开阔地的无阴影状态、对 应郊区的轻度阴影状及对应复杂城区的重度阴影状态。

在步骤3）中，混合分析是指，将电磁仿真方法获得的机载卫星通信天线的增益随时间 变化结果代替在概率分布模型中假定的天线固定增益，然后利用概率分布模型对无线信道衰 落特性进行最后的汇总分析。

本发明首次提出了联合电磁仿真方法和概率分布模型的混合分析方法，采用电磁仿真方 法精确分析直升机旋翼旋转对卫星通信衰落特性的影响，而利用概率分布模型分析除此以外 的其他一般环境因素对信道衰落造成的影响，从而使得分析结果比传统信道衰落分析方法更 加准确并有效。

本发明的有益效果：

本发明通过采用联合电磁仿真方法和概率分布模型的混合分析方法，极大提高了高频段 （Ku频段以上）直升机卫星通信无线信道衰落特性分析的准确度和可信度，加快了仿真分析 速度，节省了仿真分析所需的硬件开销，有效解决了现有高频段直升机卫星通信无线信道传 输特性缺乏准确分析手段的技术难题。

附图说明

图1为本发明在考虑多径效应及阴影效应的影响后的完整的Corazza信道仿真模型的示意图；

图2为f=12.5GHz情况下利用电磁仿真方法分析得到的直升机卫星通信天线增益随旋翼旋转 的时间变化的曲线图；

图3（a）为f=12.5GHz情况下利用Corazza信道仿真模型分析得到的直升机卫星通信接收信 号随时间变化的曲线图，（b）为（a）中矩形框中的局部放大图；

图4为f=12.5GHz情况下结合电磁仿真方法和Corazza信道仿真模型分析得到的直升机卫星 通信天线接收信号随时间变化的曲线图；

图5为本发明的高频段直升机卫星通信信道衰落特性的分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例详细描述本发明。

在本实施例中，直升机卫星通信信道的工作频率为f=12.5GHz。直升机的主要参数和工 作环境如下：1）直升机旋翼包括5个桨叶，旋翼旋转速度400圈/分钟，每个桨叶长10.65m， 宽52cm；2）机载卫星通信天线为抛物面天线，口面直径35cm，焦径比0.6，最大方向增益 29.1dB；3）机载卫星通信天线位于直升机旋翼的下方和机身上表面的右后方，在水平方向上 偏离直升机机身中心线0.3m并距离旋翼的旋转轴中心1.5m，在垂直方向上距离旋翼桨叶0.8m； 4）直升机工作地点位于北京某地（北纬39.42°,东经116.46°），直升机卫星通信天线对准的 卫星为中卫1号同步轨道卫星（东经87.5°）；5）直升机工作环境假定为开阔地的无阴影状态。

如图5所示，本实施例的工作频率为f=12.5GHz的直升机卫星通信信道衰落特性的分析 方法包括以下步骤：

1）利用电磁仿真方法，准确分析高频段直升机旋翼旋转对机载卫星通信天线性能的影响：

首先，采用准静态法对旋翼旋转状态下的天线动态电磁特性进行研究，当旋翼旋转角速 率远小于电磁波传播角速率时，可在任一时刻上将旋转桨叶看作“冻结”在旋转轨迹上，从 而即采用一系列采样时刻上静止旋翼对天线性能的增益影响来模拟旋翼旋转状态下该天线的 动态电磁特性；

然后，直升机在每一个采样时刻所对应的姿态和旋翼旋转角度下，在应用FEKO软件时 采用矩量法精确分析单独机载卫星通信天线部分的辐射场，采用高频近似方法分析除机载卫 星通信天线以外的其他所有旋翼和机身部分的电磁场，通过几何建模和精确分析得到静止旋 翼对天线性能的影响；

进一步，应用FEKO软件时采用了等效面法，基于惠更斯原理，首先利用矩量法精确分 析得到卫星通信天线在天线附近某个假想面上的电磁场分布，然后利用其等效代替实际天线， 进行其他飞行姿态和旋翼旋转角度下的天线受旋翼遮挡的性能分析。

2）利用概率分布模型，分析除直升机旋翼影响以外的其他一般环境影响因素对直升机卫 星通信信道衰落特性的影响。

图1给出了本实施例的在考虑多径效应及阴影效应的影响后的完整Corazza信道仿真模 型。

图1中的上面的两个求和符号Σ_c和Σ_s分别代表对多径效应中的多径信号的实部部 分和虚部部分进行求和，M代表多径数量，所有多径信号合成以后的信号强度概率密度分布 服从Rayleigh分布。将多径信号与直射信号1进行合成，得到的总信号的强度|·|的概率密度 分布函数服从Rice分布；Rice分布由Rice因子K决定，K表示直射信号与多径信号的功率 之比；图1中已将直射信号1归一化，表示为实数1。X_c(t)代表考虑Rice因子K影响以后 的合成信号的实部部分，jX_s(t)代表考虑Rice因子K影响以后的合成信号的虚部部分。

图1中的下边求和符号Σ_i前后的内容以及右边指数运算e⁽·⁾代表了阴影效应的建模过 程，阴影效应一般符合Lognormal分布。阴影效应主要由两个参数决定：阴影均值μ与阴影 标准差σ；这两个参数分别决定了阴影效应的平均衰落深度，以及阴影变化的剧烈程度。在 综合考虑所有因素（包括直射信号、多径效应及阴影效应）以后，得到图1中右边的总信号 强度R(t)。

Corazza信道仿真模型主要由三个参数决定：Rice因子K、阴影均值μ、阴影标准差σ。 对于不同的地面遮挡环境和对卫星仰角，Corazza信道仿真模型中的三个参数K、μ、σ均不 相同。本发明根据直升机所处地面环境的复杂程度和遮挡程度不同，将地面环境分成三种典 型状态：对应开阔地的无阴影状态、对应郊区的轻度阴影状及对应复杂城区的重度阴影状态， 本实施例中直升机工作环境假定为开阔地的无阴影状态。

为了描述在直升机和卫星快速移动的情况下，机载卫星通信天线所处环境的变化，本发 明采用三状态马尔科夫链来描述Corazza信道仿真模型的三种典型环境状态之间的变化，其 中，作为关键参数的状态转移概率矩阵根据实际情况的统计规律获得。

Corazza信道仿真模型中的三个重要参数与卫星仰角α之间的关系，可用下列基于大量统 计数据的表达式近似表示：

K=K₀+K₁α+K₂α²+K₃α³

μ=μ₀+μ₁α+μ₂α²+μ₃α³

σ=σ₀₊σ₁α+σ₂α²+σ₃α³

上式中各系数代表拟合系数，在本实例中分别选取如下典型值： K=[26.43,-2.644,0.08377,-4.111×10^-4]，μ=[3.978,-0.1742,0.002647,-1.367× 10^-5]，σ=[0,0,0,0]。

3）结合电磁仿真方法和概率分布模型的分析结果进行混合分析，最终获得考虑所有环 境影响因素的高频段直升机卫星通信信道衰落特性的准确分析结果。

混合分析主要是将电磁仿真方法获得的机载卫星通信天线的增益随时间变化结果代替在 概率分布模型中假定的天线固定增益，然后利用概率分布模型对无线信道衰落特性进行最后 的汇总分析。通过这种方式，可以利用电磁仿真方法准确计算天线附近的特殊环境对天线性 能造成的影响，而利用概率分布模型分析除此以外的其他一般环境因素对信道衰落造成的影 响，从而使得分析结果比传统的直升机卫星通信信道衰落特性分析方法更加准确有效。

图2、图3和图4分别给出了本实施例在f=12.5GHz的直升机环境下，在步骤1）中利用 电磁仿真方法分析得到的直升机卫星通信天线增益随旋翼旋转的时间变化曲线，在步骤2） 中利用基于统计规律的Corazza信道仿真模型分析得到的直升机卫星通信接收信号随时间的 变化曲线，以及在步骤3）中结合电磁仿真方法和Corazza信道仿真模型分析得到的直升机卫 星通信天线接收信号随时间的变化曲线。如图2所示，Ku频段直升机旋翼旋转遮挡对机载 卫星通信天线增益造成的影响呈现出规律性的且较大起伏的变化；而工作在开阔地的直升机 周围环境对机载卫星通信接收信号电平造成的影响呈现出无序而且较小幅度的变化，如图3 所示；汇总所有环境因素的影响，直升机卫星通信信道衰落特性主要由旋翼旋转遮挡因素决 定，但细节部分反映了由直升机周围环境因素造成的多径效应及阴影效应的影响，如图4所 示。总之，通过采用本发明提出的混合方法对高频段（Ku频段以上）直升机卫星通信信道衰 落特性进行分析，不仅可以获得高频段（Ku频段以上）直升机旋翼旋转对机载卫星通信衰落 特性的准确规律，而且可以得到比以往单独采用电磁仿真方法，或者单独采用基于统计规律 的概率分布模型的方法更加全面和准确的分析结果。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术 人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可 能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书 界定的范围为准。