航空移动卫星通信信道模型及性能研究

中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55航空移动卫星通信信道模型及性能研究魏麟中国民航飞行学院航空工程学院四川广汉618307摘要相对地面移动通信而言，航空移动卫星通信系统-AMSS具有功率受限、通信链路距离长、链路余量小以及由于机身反射、地/海平面的镜/漫反射形成的多径效应的特点,在某些飞行阶段,其信号衰落可达到15dB.本文分析了AMSS通信中的各种影响因素,给出了全新的AMSS的信道模型,对起飞/降落和巡航时的信道进行了仿真,得到了累计概率分布(CDF)曲线;并且在该信道模型的基础上,得到了QPSK信号在AMSS信道中的性能;为AMSS系统的设计提供了依据.关键词AMSS信道模型性能仿真1引言从航空运输业开始运营，航空公司就认识到建立可靠的通信是航空运输安全和赢利的重要保障。所以，在1929年，美国航空运输业就合作建立了共享的行业通信系统，以提供航空通信。经过几十年的发展，航空通信不断演进，它已经成为了全世界较大的行业网络。随通信技术的发展，航空通信已能为航空运输提供可靠的通信保障，同时，还能为客户和航空公司提供更多的服务。当飞机执行跨洋飞行时，由于空地高频无线通信受通信距离的限制，就要求有另外一种更可靠的通信方式为跨洋飞行提供通信保障。由于卫星通信(GEO、MEO或LEO)正好可以为高速运动的飞行器提供连续的覆盖，所以卫星通信在航空运输领域正得到快速的发展。利用卫星为飞行中的飞行器提供通信的思想出现于20世纪60年代[1]，40年来，航空移动卫星的研究、试验和技术验证一直是卫星通信和航空运输的发展的重点。民用航空是一个发展最快的高科技行业之一，预计2010年高峰期时大西洋上空的飞行器的数量将超过550架。同时，太平洋上空的航空交通运输正以年均增长10%的速率发展，到2020年，其上空的飞行器的瞬时数量将超过3400架。快速发展的民航运输业造成了空中飞行的严重拥塞，特别在一些国际航线上。为了避免拥塞，必须设计一些绕飞航线，这样就不可避免地增加了航空公司的运营成本-燃油、维护费用。因此，在保障飞行安全的基础上，增加飞行航线的容量和使用效率就成为了解决民用航空发展瓶颈的当务之急。当前民用航空采用的通信系统的主要问题是在离海岸200英里的范围外，没有空中交通监视雷达的覆盖，VHF无线电通信只能完成视距内的通信，HF是唯一的能为跨洋飞行和偏僻陆地上空提供无线通信的通信手段。但HF存在固有的缺点：由于太阳光束的干扰，HF信号不稳定；由于HF话音的误解或操作错误，会出现通信错误；在密度大的航线上，HF能分配的频段太小；HF信道不适于传输高速率的数据。由于飞行员的HF话音位置报告是每一小时更新一次，所以，ATC是不能准确地知道飞机的实时位置的，为了保证飞行安全，就要求同一航线上的飞机间隔要尽量的长，通常要求有10分钟的间隔而且要求水平方向间隔60海里，垂直方向间隔2000英尺。这样，飞行空域就不能很好地得到有效地利用，增加了航线距离，增大了航空公司的运营成本。例如，美联航就估算由于不断增长的空中流量密度和目前的航空管制限制所造成的耗费，占到了其运营成本的5%。1中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55使旅客享受到更安全、更有乐趣的飞行旅程是航空公司在竞争激烈的民航运输市场上取得领先的一个制胜法宝，研究表明，只有提供高速率的数据通信和互联网应用才能实现这一目标。表1为远程航线飞行中旅客对多媒体通信数据速率的需求[2]。表1航空通信业务量需求业务前向链路数据速率平均使用时间反向链路数据速率航空管制100bps连续100bps电视6×2Mbps连续视频点播VOD8×2Mbps20分钟8×50bps视频会议8×128Kbps30分钟8×128bps电报/传真/数据20×10Kbps10分钟20×10Kbps购物20×50bps1小时20×50bps互联网10×100Kbps30分钟10×100Kbps为了给飞行器提供连续的通信服务，需要航空通信卫星提供对全球的无缝覆盖。而且，用户对系统容量、数据速率的需求不断增加，早期的INMARSAT卫星已不能满足市场的需求，这就要求设计一种新的通信系统。该系统应基于LEO/MEO设计，不但应提供INMARSAT不能覆盖到的两极地区，而且还应降低飞行器上安装的终端天线的调节要求。通常，航空移动卫星通信(AMSS)系统能提供的业务类型有4类：-空中交通管制(ATC)用于空中交通管制通信，包括天气预报数据。该业务类型用于传输灾难、应急、飞行安全和地质状态信息，另外，该业务还包括ADS功能。ADS使得空管员能更准确和及时地知道飞机所处的位置，在保持同一飞行安全标准条件下，能有效缩短飞机之间的飞行间隔，飞机之间的水平间隔可以由原来要求的10分钟缩短为5分钟、横向间隔可以缩小为20到30nmi、垂直间距可以缩小为1000英尺，这样就能极大地增大航线容量，减小航线拥塞，按最佳的航线飞行，从而节省时间和燃油。-航空运营控制(AOC)用于飞机与航空公司间的通信，为了航空安全，公司可以根据需要对航班飞行进行调度，包括航班飞行、继续、终止和转场。-航空管理通信(AAC)该业务和AOC一起，能实现对飞机系统的实时监控，一旦发现飞机系统出现故障，地面维护人员可以提前做好维护准备，包括工具、航材和人员的准备，这样就能有效减少航班的延误，增加飞机的利用率。同时，AMSS能将目前所用的直射VHFACARS/AIRCOM系统扩展为全球网络系统，从而实现航空公司、修理厂家和生产厂家对飞机的实时监控。以航空发动机为例，目前一些发动机生产厂家已经推出了基于AMSS的远程监控服务。一旦航空公司选用了该项服务，航空公司将把飞机状态监控交给生产厂家。一方面降低了航空公司维护人员的工作负担，使他们更注重于飞行器的维护；另一方面，由于大的生产厂家具有产品的设计经验，有大量的试验/经验数据，能对飞机系统特别是发动机的数据进行实时、有效地分析，所以能提高故障的预测性，降低突发时间的产生，从而提高航空公司的经济效益。图1为基于AMSS的航空发动机实时监控的数据及其趋势。2中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55图1航空发动机的实时监控数据及其发展趋势-航空公共通信(APC)该服务用于飞机飞行中旅客与地面的通信。它能提供话音和各种数据连接服务。这样，旅客不但能与地面上的人进行通话、接收和发送电报和传真、了解国内和国际新闻、了解股市动态、租车和酒店预定，而且还能进行视频点播、参加电话会议和Intranet接入。2AMSS的信道研究2.1AMSS的信道特点在设计航空移动卫星通信系统时，为了能向飞机提供高质量的服务，需要对电波的传播特性有所了解，所以，有必要建立合理的AMSS的信道模型。该信道模型应与已开展的一些信道测试数据相吻合，从而可用于AMSS系统的设计及作为选择通信体制时的参考依据。航空移动卫星通信的信道特性不同于一般的移动卫星通信信道，其主要特征有：-在一个航班中，飞机要经历滑行、起飞、爬升、巡航、降落和滑行几个阶段，每个阶段通信信道的特征不同，比如在地面或低空时，信号传播要受遮蔽效应的影响，而在巡航阶段则基本不受该效应的影响；-民用航空飞机机体本身较大，来自于飞机机体本身的反射信号会进入机载接收机，从而对接收机所接收到的信号质量产生影响；-由于地面或海平面的反射，这些反射信号也会有部分进入到接收机，同样要对接收信号产生影响。而且在不同的反射条件下，如海平面的浪高、地形，对接收信号的影响程度也是不同的。综上所述，在实现航空移动卫星通信系统的信道建模时，除了考虑一般移动卫星信道的遮蔽效应以外，还应考虑到机身反射、地面/海平面镜面反射以及地面/海平面漫反射。2.2AMSS的信道模型如前所述，AMSS信道应为包括各种效应在内的综合通信信道，其理论信道模型如图2所示。3中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55图2AMSS的理论信道模型航空移动卫星通信信道模型的数学模型可以由下式表示：()()()()()()()()3211033.22.211.1τδετδδττθτθ−++−+=−Δ−ΔΔ−ΔΔteteeateeatathtwjtwjjtwjjddd(1)上式中，每一项依次表示直射分量、机体反射分量、地面/海面镜面反射分量和地面/海面漫反射分量。根据文献[4]所做的分析和测试，直射分量服从Rice分布，机体反射分量和地面/海面镜面反射分量及其漫反射分量均服从Rayleigh分布。2.2.1直射分量在航空移动卫星通信中，正常时，由于飞机与卫星之间无障碍物的遮蔽，因此基本上不存在阴影效应。通常认为直射分量的包络服从Rice分布[5]，但Rice因子可以达到34dB。由于直射分量信号要穿越电离层和对流层，因此存在一定的与天线方向图有关的电波吸收、时延以及自由空间传播损耗。通常，接收端接收到的直射分量可以表示如下：()]2exp[)(0tfjtzGydirdirdirdirτπτ−−=(2)上式中，Gdir表示由于接收和发射天线方向图和自由空间传播损耗引起的缓慢变化的复增益；f0为载波频率；τdir表示直射分量的传播时延。由于接收机和发射机相对运动产生的多普勒频移可以表示如下：()dirdirDopplerVcfdttdff00==τ(3)2.2.2机身反射分量在飞机的整个飞行过程中，由于飞行姿态的不断改变，要求接收和发射天线的波束不能太窄，这就使得经过机体反射后的部分信号会进入接收机；而且由于反射分量的传播路径和直射分量的传播路径相似，其时延仅相差1-2ns，因此它对接收机所接收的信号质量有较大的影响。机体反射分量如图3所示。4中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55图3直射分量与机体反射分量根据文献[5]所做的分测试，该分量的信号强度相对于直射分量信号强度为-14.2dB。2.2.3地面/海面镜面反射分量地面/海面镜面反射分量用于表示经地面/海面反射区域反射后进入接收天线的信号分量，该分量可以由下式表示：()()()[]tfjtzGtyspspSPspτπτ02exp−−Γ=(4)其中，Г是Kirchhoff模型的复增益，其值与离散系数、反射面粗糙度系数及入射波与反射面之间的夹角有关，其值由文献[6]中的式21计算得出。镜面反射分量相对于直射分量的时延可以由式(5-5)计算得出。()()0sin2cthspετ=(5)上式中，h(t)为当前飞机的飞行高度，ε为通信仰角。当τsp确定后，即可计算出镜面反射分量相对于直射分量的传播损耗，如式(5)所示；再加上反射平面的反射系数，即可得到总的附加损耗:()()()GHzfkmddBLflg20lg2044.92++=(6)上式中，d为镜面反射分量相对于直射分量的传播距离，f为载波频率。2.2.4地面/海面漫反射分量漫反射信号分量指接收机接收到的除直射分量、机体反射分量和地面镜面反射分量以外的所有信号。对于跨洋飞行的航班，其海平面的漫反射分量对接收信号的影响较小，而且是有规则的，但对于陆地的漫反射，则漫反射信号分量则无太大的规则性。漫反射分量相对于直射分量的时延也可以由式(5)计算得出。漫反射分量相对于直射分量的传播损耗/信号强度包括附加路径的自由空间传播损耗和反射平面的反射因子。3QPSK信号通过AMSS信道的性能研究3.1AMSS的信道仿真模型根据上节的讨论，可以在SIMULINK下建立航空移动卫星通信的信道仿真模型，如图4所示。5中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题55图4航空移动卫星通信信道在SIMULINK下的仿真模型若载波频率为1.5GHz，飞机巡航高度为35000英尺，飞机与卫星的通信仰角为15度，则可以计算得出反射分量的自由空间传播损耗为110.8dB；为简化计算，若设反射系数为0.7，则总的附加损耗为113.9dB。因此，当飞机在高空飞行时，地面/海面镜面/漫反射对接收信号的影响可以忽略不计。但是当飞行高度很低时，它们将对接收信号产生一定的影响。根据文献[5]给出的测试数据，当飞机落地和起飞时，地面镜面/漫反射分量的信号强度大约相对于直射分量是-