卢毅 水宜水 徐林

【摘要】    针对航空信道下的通信覆盖效果问题，以飞行模拟软件作为虚拟通信端节点，综合考虑飞行状态、天线电磁辐射特性及地形环境对信号传输的影响，提出了一种基于飞行模拟软件的通信覆盖特性分析方法，通过获取飞行参数，建立坐标系统，重构信道场景，对飞行平台与地形因素进行参数映射，结合通信端性能，得出实时通信覆盖效果，可为实际环境下的通信应用提供有效验证与支撑。

【关键词】    通信覆盖    飞行模拟    坐標系统    参数映射

引言：

对于具有特定需求的广域覆盖通信场景，将基站升空是一种行之有效的通信手段，航空通信覆盖能力考察的是空中飞行器和地面通信站之间可靠数据传输的最大距离范围。

目前已有较多专门针对航空信道特性的分析成果，有学者对高空平台站提出了一种空时信道模型[1]，根据飞行器的各飞行阶段对信道模型进行了分析[2]，基于地形信息对平流层通信系统进行了衰减预测[3]，基于飞行轨迹对无人机动态信道进行了建模分析[4]。此外，也有学者针对船舶空海通信的具体应用进行了链路预算分析[5]，但其未考虑飞行姿态等影响因素。

本文根据航空通信应用场景特点，将飞行器及地形因素纳入，对通信场景进行重构，采用适合于空地通信的信道模型，考察信号衰落情况，基于飞行模拟软件对空地通信覆盖特性进行分析，给出了一种实时的仿真方法，为实际通信应用提供了新的验证思路。

一、航空信道通信场景重构与参数映射

1.1 飞行模拟软件二次开发

飞行模拟软件选用X-Plane进行二次开发，通过查询与飞行参数相对应的变量名，对需要的飞行参数逐一绑定，设定好定时器，用以确定飞行参数的下发周期，并配置好数据传输的通信端口，完成所有功能的编码后进行编译，生成功能插件。功能插件生成后，动态加载到飞行模拟软件中，将自动关联飞行器的飞行位置、海拔、速度、姿态等飞行参数，当进入飞行模拟界面时，飞行参数即可以一定周期实时向指定的目的端口进行下发。

1.2 坐标系定义

ECEF坐标系：原点与地球质心重合，Xe轴指向格林威治平子午面与地球赤道的交点，Ze轴指向地球北极，Ye轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系;

LLA坐标系：又称大地坐标系，原点位于参考椭球的中心，与地球的质心重合，地面任一点坐标可表示为（λ，， h）。其中，λ为地理经度，为地理纬度，h为大地高度。

导航坐标系：又称东北天坐标系，该坐标系以载体重心为原点，Xg轴指向东，Yg轴指向北，Zg轴指向天顶。

载体坐标系：以载体重心为原点，Xd轴沿载体纵轴向前，Yd轴沿载体横轴向左，Zd轴沿载体立轴向上。

2.3 地形数据调用

地形数据采用地形高程文件，利用Matlab软件对文件进行数据读取与解析，确定源地形文件对应的经纬度范围、起始经纬度、经纬度间隔等信息，若目标点的经纬度恰与源文件中数据点一致，则可直接读取该点对应的高程信息，否则利用与目标点经纬度相邻的四个点所对应的高程信息，采用双线性插值法得出目标点对应的高程信息，通过数据处理后即可获得任意经纬度下的地形高程信息。

2.4 天线电磁辐射特性参数映射

天线电磁辐射特性对信号传输的影响主要表现在天线增益上。设地球长轴半径为Re，短轴半径为Rp，地球椭球第一偏心率为e，发射端经纬度、海拔高度分别为λT、T、hT，接收端经纬度、海拔高度分别为λR、R、hR，据此可得发射端沿卯酉圈的主曲率半径，接收端沿卯酉圈的主曲率半径，将收发端两点由LLA坐标系向ECEF坐标系转换，可得在LLA坐标系下发射端与接收端的坐标如下：

然后将发射端的ECEF坐标通过转换矩阵向接收端对应的导航坐标系转换，接着将该坐标通过转换矩阵由导航坐标系向接收端对应的载体坐标系转换;设发射端指向接收端的向量为，则在发射端载体坐标系下的坐标即为接收端在发射端载体坐标系下的坐标，通过的坐标得出球坐标下的天顶角与方向角，进而通过方向图索引出该方向上的发射天线增益;同理，可得该方向上的接收天线增益。

三、通信覆盖能力测算

3.1 信道路径损耗分析

对于空地通信覆盖应用，采取ITU-528信道模型进行路损计算，ITU-528建议书包含了预测125～15500MHz频率范围内、收发距离在1800km以内、天线海拔高度不超过20000m范围内的航空和卫星业务基本传输损耗的方法。

ITU-528模型给出了距离、收发天线海拔高度、工作频率、置信度在某些特定值下的路损标称值，而全范围下的路损则需要通过插值的方式得到，通过场景重构与参数映射，以通信双方经纬度为输入参数，可以方便计算出通信双方的距离，且收发端的天线高度是确定的，再设定工作频率与信道模型置信度，便可对路径损耗进行计算。

3.2 通信覆盖计算

通信覆盖能力计算主要考察接收信噪比（SNR）是否满足要求，SNR=Pt+Gt+Gr-PL-N0-IL，其中，Pt为发射功率，Gt、Gr为发射与接收天线增益，PL为路损，N0为噪声功率，IL为通信设备总插损。根据之前所述，PL，N0，IL均易求解，而Gt、Gr可根据之前所述天线增益参数映射方法进行计算，故可得SNR。

据此进一步计算通信覆盖范围，结合某一传输方向上对应的收发天线增益，可得出在该方向上信号正确接收所允许的最大路损，进而可反推出该方向的通信距离，若超出了视距边界，则将该值限制在边界，同时，判断该方向对应地面上点的地形高度是否遮挡收发点的连线，最终得出考虑天线与地形影响下的有效通信距离。根据仿真的实时性要求，在实际计算时选取72个方向进行计算，即每个方向角度间隔为5°。

四、通信覆盖特性仿真

基于飞行模拟软件的飞行过程动态模拟，可以对通信覆盖进行实时仿真。在飞行模拟软件中选取我国珠三角某一地点作为飞行器所在位置，以此为虚拟的空中基站，升空高度约3000m，假定通信频率为500MHz，信息速率为512kbps，发射功率为10W，通信带宽为1MHz，信号可正确解调的门限值为10dB，同时，考虑两种天线辐射特性，如图1所示。

在两种天线辐射特性下，启动飞行模拟软件，结合Matlab进行通信计算，分别可得到通信覆盖情况如图2、图3所示。从仿真结果可以看出，在不同方向上的通信能力受到地形的影响较为明显，在山区部分，由于遮挡将降低通信距离，而在靠近平原的地区，遮挡较少，通信距离较大;同时，不同的天线辐射特性，对应的覆盖能力不同，第一种天线辐射特性对应的最小覆盖半径为114.5km，而第二种天线辐射特性对应的最小覆盖半径为107km。

五、结束语

本文基于飞行模拟软件，提出了一种实时的航空信道通信覆盖特性分析方法，飞行模拟软件的引入使得通信场景可遍历几乎全球任何地点与空间，大大提高了通信覆盖仿真的广泛性，同时飞行器可模拟不同的飞行状态，天线电磁辐射特性可替换，具有很强的扩展性，地形数据的调用亦使得环境影响更为逼真，实时仿真结果表明，通信覆盖能力随天线与地形的影响而变化，本方法为实际环境下的通信应用提供了有效的验证与支撑手段。

参  考  文  献

[1]李含青， 郭庆， 杨明川. 一种高空平台站通信系统的空时信道仿真模型研究[J]. 设计与实现， 2008.

[2]刘婷婷. 航空信道的建模及其应用[D]. 杭州电子科技大学， 2009.

[3]李霄翔， 何晨， 诸鸿文. 基于地形信息的平流层通信系统传播衰减预测[J]. 上海交通大学学报， 2002.

[4]周生奎. 无人机动态信道建模及硬件实时模拟研究[D]. 南京航空航天大学， 2015.

[5]陈永锋， 吴波涛， 赵孟轩等. 船舶超短波对空电台信道分析与使用策略研究[J]. 电子测量技术， 2019.