[发明专利]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

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。