本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于戈壁灘環(huán)境的空地信道建模方法及裝置。

背景技術(shù)：

最近幾年，伴隨著無人機(jī)和熱氣球等空中平臺技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用場景的日益廣泛，越來越多的勘測人員和機(jī)構(gòu)開始研究利用空中平臺技術(shù)進(jìn)行空地通信，用來完成數(shù)據(jù)的勘測、探測和回傳。特別是在特殊的地貌環(huán)境中，例如戈壁灘或者沙漠，利用空中平臺技術(shù)可以很好地完成地理勘測和探測任務(wù)。

為了將空中平臺收集的數(shù)據(jù)精確回傳到地面站進(jìn)行分析處理，需要建立合適的空地傳播信道模型。目前，空地信道建模方法還處于簡化的二徑(直射徑與反射徑)模型的理論研究階段，但是對于特殊的地形地貌環(huán)境，該方法并未考慮地形的地理特征和氣候條件等因素的影響。比如，戈壁灘的地面幾乎被巖漠、粗沙和礫石等所覆蓋，風(fēng)沙活動頻繁且很兇猛，地表干燥裸露，沙礫易被吹揚(yáng)，常形成沙暴；并且氣溫、地溫的日較差和年較差大，多晴天，日照時(shí)間長，并且戈壁灘經(jīng)常遇到大風(fēng)的天氣情況會帶來多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致目前的空地信道建模方法建立的模型只能用于理論分析階段，和實(shí)際場景有較大區(qū)別，有效性較低。可見，現(xiàn)有的建模方法建立的模型只能處于理論分析階段，并未考慮實(shí)際的應(yīng)用場景中的地形和氣候因素的影響，使得建立的模型與實(shí)際場景有較大的區(qū)別，有效性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對于上述問題，本發(fā)明提供一種戈壁灘環(huán)境空地信道建模方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了所建立的模型與真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性，能夠有效體現(xiàn)實(shí)際信道的傳輸特性的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種戈壁灘環(huán)境空地信道建模方法，該方法包括：

分析戈壁灘環(huán)境中空地信道傳輸?shù)膶?shí)際影響因素,提取在該環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下空地信道傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，其中，所述實(shí)際因素包括傳輸特性、地表地理特征和影響信道建模的氣候因素；

根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，設(shè)置合理的參數(shù)并建立初步的信道模型，其中，所述發(fā)射端與接收端的已知信息包括:所述發(fā)射端與接收端的海拔高度、地理位置和相對運(yùn)動速度,收發(fā)天線高度和增益的相關(guān)天線特性指標(biāo)、電波頻率和入射角信號的相關(guān)特征；

根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，提取影響空地信道建模的影響因素，其中，所述影響因素包括：多徑數(shù)，多徑相對時(shí)延、相對功率、多普勒譜，及大氣吸收損耗和云霧吸收衰減的相關(guān)氣候影響因素；

通過所述影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

優(yōu)選的，所述根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，提取影響空地信道建模的影響因素，包括：

根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在直射徑，如果是，則計(jì)算直射徑的路徑損耗；

根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在反射徑，如果是，則確定反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率；

計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜；

提取所述相關(guān)參數(shù)中的大氣吸收因素和所述云霧吸收衰減因素，分別計(jì)算獲得大氣吸收損耗和云霧吸收衰減。

優(yōu)選的，所述根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在反射徑，如果是，則確定反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率，包括：

根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，對無線電波傳輸?shù)那蛐蔚孛娣瓷涿孢M(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得平面參數(shù)；

根據(jù)所述平面參數(shù)，獲取反射徑的反射點(diǎn)的位置和有效反射區(qū)；

如果反射點(diǎn)的位置在所述有效反射區(qū)內(nèi)，則根據(jù)反射表面的粗糙程度判斷入射線在所述反射點(diǎn)位置是否發(fā)生反射現(xiàn)象，如果是，則存在反射徑，獲得所述反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率。

優(yōu)選的，所述計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜，包括：

提取所述信道在實(shí)際環(huán)境下的所述相關(guān)參數(shù)中的風(fēng)速與風(fēng)向因素，利用風(fēng)速組合模型，計(jì)算獲得風(fēng)速矢量；

對所述風(fēng)速矢量與空中平臺的相對運(yùn)動數(shù)度進(jìn)行矢量求和，并根據(jù)多普勒頻率公式計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜。

優(yōu)選的，所述通過所述影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型，包括：

計(jì)算視距直射徑的路徑損耗pllos，其中，

式中，pt為電波的發(fā)射功率，prlos為電波經(jīng)直射徑傳播后到達(dá)接收端的功率，plf(d)[db]為自由空間路徑損耗，plat[db]為大氣吸收損耗，plcl[db]為云霧吸收衰減損耗；

計(jì)算第i條地面反射徑引起的路徑損耗prrl(i)，其中，

式中，prrl(i)為第i條地面反射徑到達(dá)接收端的功率，prlos為視距(los)直射徑到達(dá)接收端的功率，γ(i)為第i條地面反射徑的菲涅爾反射系數(shù)，δd(i)為直射徑與第i條地面反射徑間的程差；

通過所述視距直射徑的路徑損耗、所述每條地面反射徑的路徑損耗、所述每條反射徑的相對時(shí)延和所述多普勒譜對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種戈壁灘環(huán)境空地信道建模裝置，該裝置包括：

第一提取模塊，用于分析戈壁灘環(huán)境中空地信道傳輸?shù)膶?shí)際影響因素,提取在該環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下空地信道傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，其中，所述實(shí)際因素包括傳輸特性、地表地理特征和影響信道建模的氣候因素；

建立模塊，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，設(shè)置合理的參數(shù)并建立初步的信道模型，其中，所述發(fā)射端與接收端的已知信息包括:所述發(fā)射端與接收端的海拔高度、地理位置和相對運(yùn)動速度,收發(fā)天線高度和增益的相關(guān)天線特性指標(biāo)、電波頻率和入射角信號的相關(guān)特征；

第二提取模塊，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，提取影響空地信道建模的影響因素，其中，所述影響因素包括：多徑數(shù)，多徑相對時(shí)延、相對功率、多普勒譜，及大氣吸收損耗和云霧吸收衰減的相關(guān)氣候影響因素；

校正模塊，用于通過所述影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

優(yōu)選的，所述第二提取模塊包括：

第一計(jì)算單元，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在直射徑，如果是，則計(jì)算直射徑的路徑損耗；

第二計(jì)算單元，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在反射徑，如果是，則確定反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率；

第三計(jì)算單元，用于計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜；

第四計(jì)算單元，用于提取所述相關(guān)參數(shù)中的大氣吸收因素和所述云霧吸收衰減因素，分別計(jì)算獲得大氣吸收損耗和云霧吸收衰減。

優(yōu)選的，所述第二計(jì)算單元包括：

參數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，對無線電波傳輸?shù)那蛐蔚孛娣瓷涿孢M(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得平面參數(shù)；

獲取單元，用于根據(jù)所述平面參數(shù)，獲取反射徑的反射點(diǎn)的位置和有效反射區(qū)；

判斷單元，用于如果反射點(diǎn)的位置在所述有效反射區(qū)內(nèi)，則根據(jù)反射表面的粗糙程度判斷入射線在所述反射點(diǎn)位置是否發(fā)生反射現(xiàn)象，如果是，則存在反射徑，獲得所述反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率。

優(yōu)選的，其特征在于，所述第三計(jì)算單元包括：

風(fēng)速矢量計(jì)算單元，用于提取所述信道在實(shí)際環(huán)境下的所述相關(guān)參數(shù)中的風(fēng)速與風(fēng)向因素，利用風(fēng)速組合模型，計(jì)算獲得風(fēng)速矢量；

多普勒譜獲取單元，用于對所述風(fēng)速矢量與空中平臺的相對運(yùn)動數(shù)度進(jìn)行矢量求和，并根據(jù)多普勒頻率公式計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜。

優(yōu)選的，所述校正模塊包括：

第一路徑損耗計(jì)算單元，用于計(jì)算視距直射徑的路徑損耗pllos，其中，

式中，pt為電波的發(fā)射功率，prlos為電波經(jīng)直射徑傳播后到達(dá)接收端的功率，plf(d)[db]為自由空間路徑損耗，plat[db]為大氣吸收損耗，plcl[db]為云霧吸收衰減損耗；

第二路徑損耗計(jì)算單元，用于計(jì)算第i條地面反射徑引起的路徑損耗prrl(i)，其中，

式中，prrl(i)為第i條地面反射徑到達(dá)接收端的功率，prlos為視距(los)直射徑到達(dá)接收端的功率，γ(i)為第i條地面反射徑的菲涅爾反射系數(shù)，δd(i)為直射徑與第i條地面反射徑間的程差；

細(xì)化校正單元，用于通過所述視距直射徑的路徑損耗、所述每條地面反射徑的路徑損耗、所述每條反射徑的相對時(shí)延和所述多普勒譜對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明分析戈壁灘環(huán)境中空地信道的實(shí)際因素,提取在該環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，設(shè)置合理的參數(shù)并建立初步的信道模型；提取影響空地信道建模的影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。本發(fā)明通過引入了戈壁灘環(huán)境的地理特征和氣候影響因素，和真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性，實(shí)現(xiàn)了所建立的信道模型與真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性，能夠有效體現(xiàn)實(shí)際信道的傳輸特性的目的。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種戈壁灘環(huán)境空地信道建模方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的戈壁灘環(huán)境中空地信道場景示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的球形地面反射轉(zhuǎn)換的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖1中所示s13步驟中的提取影響空地信道建模的影響因素的流程示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖4中所示s31步驟中的計(jì)算相對時(shí)延的流程示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的有效菲涅爾反射區(qū)的示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖4中所示s32步驟中的獲取多普勒譜的流程示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)速氣候?qū)Χ嗥绽招?yīng)影響的場景示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖1中所示s14步驟中的構(gòu)建戈壁灘的空地信道傳輸模型的流程示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種戈壁灘環(huán)境空地信道建模裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的說明書和權(quán)力要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”和“第二”等是用于區(qū)別不同的對象，而不是用于描述特定的順序。此外術(shù)語“包括”和“具有”以及他們?nèi)魏巫冃危鈭D在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備沒有設(shè)定于已列出的步驟或單元，而是可包括沒有列出的步驟或單元。

實(shí)施例一

參見圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種戈壁灘空地信道建模方法的流程示意圖，該方法包括以下步驟：

s11、分析戈壁灘環(huán)境中空地信道傳輸?shù)膶?shí)際影響因素,提取在該環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下空地信道傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)；

其中，所述實(shí)際因素包括傳輸特性、地表地理特征和影響信道建模的氣候因素，如圖2所示，戈壁灘環(huán)境中，空中平臺可能包括飛機(jī)、無人機(jī)和熱氣球等，不同空中平臺的飛行參數(shù)有所不同，這樣與地面站中的接收裝置之間的傳輸特性也會有所不同，同時(shí)由于地面站的地理位置和氣候條件也有所不同，所以信道建模時(shí)要對具體通信情況分析，來提取在特定環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下的某些相關(guān)參數(shù)。

s12、根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，設(shè)置合理的參數(shù)并建立初步的信道模型；

其中，所述發(fā)射端與接收端的已知信息包括:所述發(fā)射端與接收端的海拔高度、地理位置和相對運(yùn)動速度,收發(fā)天線高度和增益的相關(guān)天線特性指標(biāo)、電波頻率和入射角信號的相關(guān)特征。空中平臺由于飛行高度較高，且地面站相對固定，所以一般具有“通視”通信條件，即los直射徑。同時(shí)，空地通信傳輸會受到地面站附近地表明的物理特征和環(huán)境氣候的影響，可能存在反射徑或散射徑等現(xiàn)象，需要針對戈壁灘環(huán)境特征確定信道模型。

在實(shí)際通信信道數(shù)據(jù)難以獲取的情況下，獲取發(fā)射端和接收端的相關(guān)信息尤為重要。如圖3所示，空中平臺的天線高度h1、地面站的天線高度h2、距離信息d、空中平臺與地面站的相對運(yùn)動速度vy；信號電波的工作頻率fc、電波入射角反射角等；地面站附近的地理特征，如戈壁灘的地表面(沙礫/巖石/湖泊)、起伏面高度、氣候條件等。這些信息是識別戈壁灘環(huán)境空地信道建模的關(guān)鍵因素，設(shè)置合理的參數(shù)能夠幫助建立準(zhǔn)確的信道模型。

s13、根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，提取影響空地信道建模的影響因素；

其中，所述影響因素包括：多徑數(shù)，多徑相對時(shí)延、相對功率、多普勒譜，及大氣吸收損耗和云霧吸收衰減的相關(guān)氣候影響因素；

s14、通過所述影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

通過本發(fā)明實(shí)施例一公開的技術(shù)方案，對戈壁灘環(huán)境中空地信道的實(shí)際因素進(jìn)行了分析，獲取了在特定環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下的相關(guān)參數(shù)，并且結(jié)合空中平臺和地面站中的發(fā)射端與接收端的已知信息設(shè)置合理的參數(shù)值，建立了初步的信道模型，再通過實(shí)際環(huán)境獲取到的影響因素對初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，最終建立了戈壁灘的空地信道傳輸模型。實(shí)現(xiàn)了所建立的信道模型與真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性，能夠有效體現(xiàn)實(shí)際信道的傳輸特性的目的。

實(shí)施例二

參照本發(fā)明實(shí)施例一和圖1中所描述的s11到s14步驟的具體過程，并參見圖4為本發(fā)明實(shí)施例二中所對應(yīng)的圖1中所示s13步驟中的提取影響空地信道建模的影響因素的流程示意圖，圖1中步驟s13具體包括：

s30、根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在直射徑，如果是，則計(jì)算直射徑的路徑損耗；

s31、根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在反射徑，如果是，則確定反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率；

具體的，參見圖5為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖4中所示步驟s31步驟中的計(jì)算相對時(shí)延的流程示意圖，其中步驟s31包括：

s311、根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，對無線電波傳輸?shù)那蛐蔚孛娣瓷涿孢M(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得平面參數(shù)；

實(shí)際的無線電波傳輸不是在理想平面上，而是在一個(gè)曲面上。地球表面可以等效成一個(gè)光滑的球面和大小不規(guī)則起伏面的組合，這樣就形成了以球面的反射點(diǎn)為主，多個(gè)不規(guī)則面的反射點(diǎn)綜合作用的多徑模型，到達(dá)接收點(diǎn)的電波為los直射徑和這些反射徑的總和。按照經(jīng)典雙徑模型理論，考慮到地球曲面對反射的影響，需要將實(shí)際的地球曲面平面化，將球形的地面反射面進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，使其球形參數(shù)轉(zhuǎn)換為平面參數(shù)。

參照圖3，a和b分別為發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)，t為反射點(diǎn)，ef為通過反射點(diǎn)t的地球切線，a1和b1分別是天線a和b在地球上的投影，e和f分別為天線a和b在地球切線上的投影，則ab＝d、et＝d1、ft＝d2、at＝d1′、bt＝d2′。發(fā)射點(diǎn)a發(fā)射的電磁波照射到地表面會引起反射或漫反射(即散射)。地表面的粗糙程度，直接決定電波是發(fā)生反射還是散射，以及反射波的強(qiáng)弱程度。

針對戈壁灘地形地貌環(huán)境，主要以光滑反射面的地面反射為主，反射波的電場強(qiáng)度取決于入射波在介質(zhì)中的菲涅爾反射系數(shù)。關(guān)于地面對電波反射特性的研究比較成熟，對于不同極化形式的電波，相同的地面呈現(xiàn)不同的反射特性，這與電矢量是否在電磁場的入射平面內(nèi)有關(guān)。根據(jù)菲涅爾(fresnel)反射定律，對于光滑地面反射，菲涅爾反射系數(shù)的計(jì)算公式：

其中，γv為垂直極化菲涅耳系數(shù)，γh為水平極化菲涅耳系數(shù)，為電波入射線與地球切線的夾角，即無線電波入射角。εc是表述地球表面電特性的參量，即地球表面介電常數(shù)。

對于地面反射來說，實(shí)際的電波反射并非發(fā)生在光滑的平面而是球面上。平面反射與球面反射有明顯差別，兩者對波束的擴(kuò)散不一樣，球面擴(kuò)散會使反射電波的場強(qiáng)減弱。如果反射區(qū)不能看成平面，就要考慮地球曲面的球面反射，引出球面反射的擴(kuò)散系數(shù)。上述菲涅爾反射系數(shù)要乘以球面擴(kuò)散系數(shù)，即γv＝γv×df、γh＝γh×df，其中球面擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，與反射點(diǎn)到發(fā)射天線垂足的球面距離、反射點(diǎn)到接收天線垂足的球面距離、等效地球半徑、和電波入射角有關(guān)。

s312、根據(jù)所述平面參數(shù)，獲取反射徑的反射點(diǎn)的位置和有效反射區(qū)；

具體的，針對戈壁灘環(huán)境，既有光滑鏡面反射又有粗糙面反射，需要確定反射徑的反射點(diǎn)位置和有效反射面。根據(jù)菲涅爾定理，第一菲涅爾橢圓和等效反射平面相交的陰影區(qū)域表示了地面反射的有效作用，即為有效菲涅爾反射區(qū)，如圖6所示。

空地通信鏈路的多徑信道中，空中平臺離地面高度舉例一般在20km～100km之間，設(shè)發(fā)射點(diǎn)位于位置a，地面站接收機(jī)位于位置b，則位置b′是位置b相對有效反射平面的鏡像。如果沒有反射平面，位置a和位置b’確定了第一菲涅爾橢圓區(qū)，其與有效反射平面相交的陰影區(qū)域是可以引起信號反射的有效菲涅爾反射區(qū)，它的形狀由仰角、空中平臺高度、地面站接收機(jī)高度和載波頻率決定。

s313、如果反射點(diǎn)的位置在所述有效反射區(qū)內(nèi)，則根據(jù)反射表面的粗糙程度判斷入射線在所述反射點(diǎn)位置是否發(fā)生反射現(xiàn)象，如果是，則存在反射徑，獲得所述反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率。

具體的，確定了有效菲涅爾反射區(qū)后，由反射點(diǎn)t位置判斷是否在有效反射區(qū)內(nèi)。如果反射點(diǎn)處于有效反射區(qū)內(nèi)，可根據(jù)有效反射區(qū)內(nèi)地表面的起伏粗糙程度判定反射徑還是散射徑。

有效菲涅爾反射區(qū)域外的電波，其反射作用很小，可以不予考慮。反射區(qū)域內(nèi)地表面的粗糙程度，直接決定入射電波是反生反射還是散射，以及反射徑的強(qiáng)弱程度。針對戈壁灘環(huán)境，如果地表面較為平坦，只有沙石或者湖面，則會出現(xiàn)強(qiáng)烈的鏡面反射，引起電信號的嚴(yán)重衰落；如果地表面存在大的巖石或樹木，則反射波可能出現(xiàn)多個(gè)角度的散射。如何評估地表反射面是光滑反射面還是粗糙反射面，這里引入衡量反射面粗糙程度的參數(shù)，根據(jù)計(jì)算公式1-1：

公式(1-1)中，λ為載波的波長，為電波投射到地面時(shí)的射線仰角，δh是不規(guī)則地面的波高。當(dāng)反射面起伏的最大突起高度δh＞hc時(shí)，認(rèn)為反射表面是粗糙的，發(fā)生散射；反之反射面起伏的最大突起高度δh≤hc時(shí)，認(rèn)為反射表面是光滑的，發(fā)生反射。在發(fā)生反射確認(rèn)存在反射徑后，由有效反射區(qū)大小、收發(fā)天線高度等確定反射徑數(shù)及每條反射徑的相對時(shí)延等參數(shù)和相對功率，并計(jì)算地面的反射損耗。

空間通信鏈路的特點(diǎn)就是空中平臺具有足夠的高度，使得電波傳播一般具有l(wèi)os直射徑，而地面反射徑帶來的多徑效應(yīng)是信道衰落產(chǎn)生的主要原因。確定有效菲涅爾反射區(qū)和存在反射徑后，根據(jù)發(fā)射天線等效高度h1'和接收天線等效高度h2'、仰角可計(jì)算有效反射區(qū)的大小(長短軸)。為了使模型更加接近實(shí)際傳播環(huán)境，在經(jīng)典二徑模型的基礎(chǔ)上，由有效反射區(qū)的大小計(jì)算出與los直射徑的最大時(shí)延差，從而根據(jù)實(shí)際情況可增加發(fā)射徑數(shù)并確定每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率。

如圖3所示，根據(jù)光線反射原理和平面幾何理論及簡單近似推導(dǎo)，可計(jì)算出d值及計(jì)算出發(fā)射端到反射點(diǎn)路徑長度d1'和反射點(diǎn)到接收端的路徑長度d'2，求出反射徑和直射徑的程差，公式1-2如下：

δd＝(d'1+d'2)-d(1-2)

從而求出每條反射徑相對los直射徑的路徑時(shí)延差

τ＝δd/c(1-3)

其中式(1-3)中c為光速。

s32、計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜；

具體的，參照圖7為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖4中所示步驟s32步驟中的獲取多普勒譜的流程示意圖，其中步驟s32包括：

s321、提取所述信道在實(shí)際環(huán)境下的所述相關(guān)參中的風(fēng)速與風(fēng)向因素，利用風(fēng)速組合模型，計(jì)算獲得風(fēng)速矢量；

具體的，戈壁灘環(huán)境的空地通信鏈路，當(dāng)電波從空中平臺發(fā)往地面站時(shí)，要穿過大氣層，傳輸路徑中的氣候條件，如風(fēng)速影響、對流層氣體吸收都會給信號帶來損耗影響，由于戈壁灘終年少雨或無雨，一旦有雨也是暴雨量級，一般空中平臺不會在這種氣候條件下航行，所以暫時(shí)不用考慮降雨對信道建模的影響。這些影響的衰落程度不僅與電波的工作頻率有關(guān)，還與地面站所處的地理位置(經(jīng)度、緯度)、天線的仰角有關(guān)。所以，判斷要模擬信道遇到的氣候條件，是戈壁灘環(huán)境信道建模的重要影響因素。

戈壁灘風(fēng)沙活動頻繁且很兇猛，無人機(jī)、熱氣球等空中平臺在大風(fēng)氣候條件下航行時(shí)，與地面站的相對運(yùn)動速度變化明顯，從而造成多普勒頻率的變化。所以，需要引入風(fēng)速模型來分析多普勒效應(yīng)。風(fēng)速模型的準(zhǔn)確性直接影響到風(fēng)速模擬結(jié)果的可靠性和多普勒效應(yīng)的逼真度。

為了較精確地描述風(fēng)速的隨機(jī)性、間歇性和突變性，風(fēng)速變化的時(shí)空模型原則上通常用以下4種成分來模擬，即基本風(fēng)(vb)、陣風(fēng)(vg)、漸變風(fēng)(vr)、和隨機(jī)風(fēng)(vn)，可建立的風(fēng)速組合模型如下：

vx＝vb+vg+vr+vn(1-4)

其中式(1-4)中基本風(fēng)速vb基本反映了風(fēng)場平均風(fēng)速的變化，一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時(shí)間變化，因而可以取常數(shù)vb＝k(k為一常數(shù))。

陣風(fēng)vg描述風(fēng)速突然變化的特性，根據(jù)電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定分析通?？紤]其在較大風(fēng)速變化情況下的動態(tài)特性。

其中式(1-5)中，vg為陣風(fēng)風(fēng)速；vgmax為陣風(fēng)峰值，t1為陣風(fēng)開始時(shí)間，tg為陣風(fēng)周期。

漸變風(fēng)vr用來描述風(fēng)速的漸變性特點(diǎn)。

其中式(1-6)中，vrmax為漸變風(fēng)最大值；tr1為風(fēng)速漸變開始的時(shí)間；tr2為風(fēng)速漸變結(jié)束的時(shí)間；tr3為漸變風(fēng)的保持時(shí)間。

噪聲風(fēng)作用于風(fēng)速變化的整個(gè)過程，描述在指定相對高度上風(fēng)速變化的隨機(jī)特性，可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速來模擬：

其中式(1-7)中，vn為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速；vnmax為隨機(jī)風(fēng)最大值；ram(-1,1)為-1到1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)；ωn是風(fēng)速波動的平均距離；為隨機(jī)相位。

s322、對所述風(fēng)速矢量與空中平臺的相對運(yùn)動數(shù)度進(jìn)行矢量求和，并根據(jù)多普勒頻率公式計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜。

具體的，根據(jù)實(shí)際場景的風(fēng)速情況，通過風(fēng)速組合模型計(jì)算獲得風(fēng)速矢量后，可與空中平臺的相對運(yùn)動速度進(jìn)行矢量求和，計(jì)算多普勒頻率及變化率，參照圖8為本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)速氣候?qū)Χ嗥绽招?yīng)影響的場景示意圖，假設(shè)組合風(fēng)速模型的風(fēng)速vx，空中平臺航天器的相對運(yùn)動速度vy，進(jìn)行矢量求和后得到與地面站間的相對運(yùn)動速度即

根據(jù)多普勒效應(yīng)理論，空中平臺與地面站間的相對運(yùn)動，造成電波頻率fc受到多普勒頻移fd的影響，多普勒頻移計(jì)算公式如下：

式(1-9)中，c是光速，fc是電波頻率，則瞬時(shí)電波頻率為

f＝fc±fd(1-10)

通過上式(1-10)，可以得到反映多普勒頻率變化的多普勒譜。

s33、提取所述相關(guān)參數(shù)中的大氣吸收因素和所述云霧吸收衰減因素，分別計(jì)算獲得大氣吸收損耗和云霧吸收衰減。

具體的，大氣吸收損耗一般是指氧氣(o2)吸收衰減和水蒸氣(h2o)吸收衰減，兩者的計(jì)算公式相同，只是吸收系數(shù)不同。itu-r推薦傾斜傳輸途徑中的氧氣/水蒸氣吸收衰減損耗的計(jì)算公式如下：

上式(1-11)中，表示氧氣吸收衰減，是氧氣吸收系數(shù)，是干燥空氣的垂直有效高度，θ是天線仰角。表示水蒸氣吸收衰減，是水蒸氣吸收系數(shù)，是干燥空氣的垂直高度，θ是天線仰角。

對于空地通信鏈路，空中平臺到地面站的電波傳播路徑中可能受到云霧帶來的衰減，該衰減量的大小與傳播路徑中液體水的含量及溫度有關(guān)。特別是對于低仰角的高緯度地區(qū)或波束區(qū)域邊緣，云霧的衰減影響是不可忽略的，itu-r推薦的傾斜傳輸路徑中云霧吸收衰減損耗plcl[db]的計(jì)算公式為：

式(1-12)中，l是云霧厚度；f是載波的工作頻率；ε”是水的介電常數(shù)，η是和介電常數(shù)相關(guān)的參數(shù)，θ是傳輸路徑的傾斜程度。

參見圖4為本發(fā)明實(shí)施例二對應(yīng)的圖1中所示s14步驟中的構(gòu)建戈壁灘的空地信道傳輸模型的流程示意圖，圖1中步驟s14具體包括：

s41、計(jì)算視距直射徑的路徑損耗pllos，其中，

式中，pt為電波的發(fā)射功率，prlos為電波經(jīng)直射徑傳播后到達(dá)接收端的功率，plf(d)[db]為自由空間路徑損耗，plat[db]為大氣吸收損耗，plcl[db]為云霧吸收衰減損耗；

其中，戈壁灘環(huán)境下，地面反射波主要以光滑水平地面的鏡面反射為主，鏡面反射分量與直射徑的頻率相同、極化方式相同，只是存在程差引起的相位差和地面反射引起的相位跳變。因此，空地通信鏈路中接收端的接收功率pr，是直射徑的接收功率prlos與n條地面反射波的接收功率prrl(i),i＝1,2,...,n的和，即：

如果傳播路徑上存在視距(los)傳播路徑時(shí)，電波從發(fā)射端沿直線路徑直接到達(dá)接收端。戈壁灘環(huán)境下，los直射徑損耗pllos[db]主要考慮自由空間路徑損耗、大氣吸收損耗和云霧衰減損耗，其計(jì)算公式如(1-13)

式(1-13)中，已知電波的發(fā)射功率pt，電波經(jīng)直射徑傳播后到達(dá)接收端的功率prlos，plf(d)[db]表示自由空間路徑損耗，plat[db]表示大氣吸收損耗，plcl[db]表示云霧造成的損耗。

s42、計(jì)算第i條地面反射徑引起的路徑損耗prrl(i)，其中，

式(1-14)中，prrl(i)為第i條地面反射徑到達(dá)接收端的功率，prlos為視距(los)直射徑到達(dá)接收端的功率，γ(i)為第i條地面反射徑的菲涅爾反射系數(shù)，δd(i)為直射徑與第i條地面反射徑間的程差；

由上式(1-14)可知，地面反射徑損耗反映了直射徑和反射徑分別到達(dá)接收端的功率差。戈壁灘環(huán)境下，長距離通信時(shí)還要加入球面反射擴(kuò)散系數(shù)df對反射系數(shù)γ的影響。

s43、通過所述視距直射徑的路徑損耗、所述每條地面反射徑的路徑損耗、所述每條反射徑的相對時(shí)延和所述多普勒譜對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二公開的技術(shù)方案，通過對戈壁灘實(shí)際環(huán)境因素和氣候因素的分析，具體計(jì)算獲得了所述視距直射徑的路徑損耗、所述每條地面反射徑的路徑損耗、所述每條反射徑的相對時(shí)延和所述多普勒譜，將這些影響建模的實(shí)際因素引入到構(gòu)建信道模型中，最終獲得了戈壁灘的空地信道傳輸模型。通過引入了戈壁灘環(huán)境的地理特征和氣候因素，和真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性。所建模型能準(zhǔn)確和有效地反映實(shí)際信道的傳輸特性，為戈壁灘環(huán)境下空地通信的傳輸性能評估提供了判定依據(jù)。

實(shí)施例三

與本發(fā)明實(shí)施例一和實(shí)施例二所公開的戈壁灘空地信道建模方法相對應(yīng)，本發(fā)明的實(shí)施例三還提供了一種戈壁灘空地信道建模裝置，參見圖10為本發(fā)明實(shí)施例三提供的戈壁灘空地信道建模裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置具體包括：

第一提取模塊1，用于分析戈壁灘環(huán)境中空地信道傳輸?shù)膶?shí)際影響因素,提取在該環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下空地信道傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，其中，所述實(shí)際因素包括傳輸特性、地表地理特征和影響信道建模的氣候因素；

建立模塊2，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，設(shè)置合理的參數(shù)并建立初步的信道模型，其中，所述發(fā)射端與接收端的已知信息包括:所述發(fā)射端與接收端的海拔高度、地理位置和相對運(yùn)動速度,收發(fā)天線高度和增益的相關(guān)天線特性指標(biāo)、電波頻率和入射角信號的相關(guān)特征；

第二提取模塊3，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，提取影響空地信道建模的影響因素，其中，所述影響因素包括：多徑數(shù)，多徑相對時(shí)延、相對功率、多普勒譜，及大氣吸收損耗和云霧吸收衰減的相關(guān)氣候影響因素；

校正模塊4，用于通過所述影響因素對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

具體的，所述第二提取模塊3包括：

第一計(jì)算單元30，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在直射徑，如果是，則計(jì)算直射徑的路徑損耗；

第二計(jì)算單元31，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，判斷是否存在反射徑，如果是，則確定反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延和相對功率；

第三計(jì)算單元32，用于計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜；

第四計(jì)算單元33，用于提取所述相關(guān)參數(shù)中的大氣吸收因素和所述云霧吸收衰減因素，分別計(jì)算獲得大氣吸收損耗和云霧吸收衰減。

其中，所述第二計(jì)算單元31包括：

參數(shù)轉(zhuǎn)換單元311，用于根據(jù)所述相關(guān)參數(shù)和獲取到的發(fā)射端與接收端的已知信息，對無線電波傳輸?shù)那蛐蔚孛娣瓷涿孢M(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得平面參數(shù)；

獲取單元312，用于根據(jù)所述平面參數(shù)，獲取反射徑的反射點(diǎn)的位置和有效反射區(qū)；

判斷單元313，用于如果反射點(diǎn)的位置在所述有效反射區(qū)內(nèi)，則根據(jù)反射表面的粗糙程度判斷入射線在所述反射點(diǎn)位置是否發(fā)生反射現(xiàn)象，如果是，則存在反射徑，獲得所述反射徑的數(shù)量并計(jì)算所述每條反射徑的相對時(shí)延。

所述第三計(jì)算單元32包括：

風(fēng)速矢量計(jì)算單元321，用于提取所述信道在實(shí)際環(huán)境下的所述相關(guān)參中的風(fēng)速與風(fēng)向因素，創(chuàng)建風(fēng)速組合模型，并計(jì)算獲得風(fēng)速矢量；

多普勒譜獲取單元322，用于對所述風(fēng)速矢量與空中平臺的相對運(yùn)動數(shù)度進(jìn)行矢量求和，并根據(jù)多普勒頻率公式計(jì)算多普勒頻率，獲取多普勒譜。

同時(shí)，所述校正模塊4包括：

第一路徑損耗計(jì)算單元41，用于計(jì)算視距直射徑的路徑損耗pllos，其中，

式中，pt為電波的發(fā)射功率，prlos為電波經(jīng)直射徑傳播后到達(dá)接收端的功率，plf(d)[db]為自由空間路徑損耗，plat[db]為大氣吸收損耗，plcl[db]為云霧吸收衰減損耗；

第二路徑損耗計(jì)算單元42，用于計(jì)算第i條地面反射徑引起的路徑損耗prrl(i)，其中，

式中，prrl(i)為第i條地面反射徑到達(dá)接收端的功率，prlos為視距(los)直射徑到達(dá)接收端的功率，γ(i)為第i條地面反射徑的菲涅爾反射系數(shù)，δd(i)為直射徑與第i條地面反射徑間的程差；

細(xì)化校正單元43，用于通過所述視距直射徑的路徑損耗、所述每條地面反射徑的路徑損耗、所述每條反射徑的相對時(shí)延和所述多普勒譜對所述初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，得到所述戈壁灘的空地信道傳輸模型。

在本發(fā)明的實(shí)施例三中，根據(jù)第一提取模塊獲得了在特定環(huán)境中的實(shí)際氣候條件下的信道的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)通過建立模塊建立初步的信道模型，采用第二提取模塊提取了影響信道建模的實(shí)際因素，在校正模塊中通過提取到的實(shí)際因素對初步的信道模型進(jìn)行細(xì)化校正，最終獲得了戈壁灘空地信道模型。實(shí)現(xiàn)了所建立的信道模型與真實(shí)場景有較強(qiáng)的一致性，能夠有效體現(xiàn)實(shí)際信道的傳輸特性的目的。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。