基于飛行軌跡的無人機(jī)通信信道仿真?

徐儀華，周生奎，朱秋明，黃 攀

（1.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院，南京 210016；2南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京 210016）

量；˙λ，˙φ，˙h表示無人機(jī)導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置微分；RN＝Re（1-2e-3e sin2φ），RM＝Re（1＋e sin2φ），其中e表示地球橢圓率，Re表示地球的長半軸。

無人機(jī)通信一般集中在超短波頻段上，通信距離覆蓋一般限制在視線距離以內(nèi)或稍遠(yuǎn)一點(diǎn)。本文不考慮機(jī)身遮擋情況，天線采用自動跟蹤天線且始終指向信號傳播方向，假設(shè)通信頻率f0＝400 MHz，收發(fā)端采用180°定向天線。

仿真場景一：當(dāng)無人機(jī)從不同位置沿相對方向飛行。假設(shè)無人機(jī)A在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的起點(diǎn)坐標(biāo)為（E118.8°，N32.5°，300），無人機(jī)B為（E116.42°，N39.26°，395.6），兩飛機(jī)均經(jīng)過加速滑行、爬升、轉(zhuǎn)彎、俯沖等飛行動作到達(dá)目的地，飛行軌跡和瞬時(shí)飛

基于飛行軌跡的無人機(jī)通信信道仿真?

徐儀華1，??，周生奎2，朱秋明2，黃 攀2

（1.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院，南京 210016；2南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京 210016）

通過分析無人機(jī)之間無線鏈路的傳播損耗、多普勒頻率和多徑時(shí)延等特征參數(shù)，提出一種基于三射線的無人機(jī)通信信道模型，并給出了無人機(jī)飛行軌跡在不同坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換公式及已知飛行軌跡求解信道模型參數(shù)的方法。最后針對兩種不同的典型飛行場景，對無人機(jī)通信鏈路的多徑時(shí)延、傳輸損耗及多普勒頻率算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并獲得了基于飛行軌跡的無人機(jī)空空數(shù)據(jù)鏈信道模型。該模型對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)參數(shù)選取、物理層算法設(shè)計(jì)和性能分析等具有重要意義。

無人機(jī)；通信信道；傳播損耗；多普勒頻率；動態(tài)信道仿真

1 引言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）相對于有人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、減少人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，可以完成很多有人機(jī)難以完成的任務(wù)。近年來，隨著無線自組網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)作為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的中繼平臺己成為可能，并將顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢，利用無人機(jī)組成的移動自組織中繼網(wǎng)絡(luò)受到越來越多關(guān)注［1］。然而，無人機(jī)通信環(huán)境復(fù)雜，無線信號受到地形、地物以及大氣降雨等因素影響，加上自身飛行姿態(tài)變換［2］，導(dǎo)致接收信號快速隨機(jī)衰落，造成整個(gè)通信鏈路傳輸性能下降。因此，研究無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道下信號傳播損耗、多徑衰減、多普勒效應(yīng)和空時(shí)頻相關(guān)性，對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計(jì)和性能分析具有重要意義。

無人機(jī)通信信道屬于典型的航空信道，通?？山轭l率選擇性多徑衰落信道［3］。文獻(xiàn)［4-5］給出了航空信道的統(tǒng)計(jì)模型并對模型參數(shù)進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［6-7］對多徑信道模型中的傳播損耗和多徑時(shí)延進(jìn)行了大量實(shí)測，文獻(xiàn)［8-9］進(jìn)一步針對海洋和植被傳播環(huán)境進(jìn)行了測試。目前，大部分文獻(xiàn)給出的信道模型只針對靜態(tài)場景。針對該問題，本文從無人機(jī)飛行軌跡出發(fā)，通過分析不同時(shí)刻飛行參數(shù)與信道統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出了一種針對數(shù)據(jù)鏈無線通信鏈路的動態(tài)信道模型，最后利用仿真驗(yàn)證了該模型的正確性。

2 無人機(jī)動態(tài)信道模型

無人機(jī)通信環(huán)境下，由于地形、建筑、植被等的反射，以及無人機(jī)本身的隨機(jī)搖動與反射，到達(dá)接收端天線的信號不是單一路徑來的，而是來自地面反射和山脈散射等眾多波的合成，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)典型通信場景Fig.1 The typical communication scenario between two UAVs

假設(shè)無人機(jī)A為接收端，B為發(fā)射端且發(fā)射信號s（t），C為地面反射點(diǎn)，則接收端直射路徑信號分量可表示為

其中，αref，1（t）、αref，2（t）分別表示B→C和C→A路徑傳播損耗，RF（t）則表示反射系數(shù)。

結(jié)合上述分析，本文將無人機(jī)信道建模為3部分：直射傳輸函數(shù)、反射傳輸函數(shù)和散射傳輸函數(shù)，即

其中，hdir（t，τ）表示直射路徑時(shí)變沖激響應(yīng)，href（t，τ）表示反射路徑時(shí)變沖激響應(yīng)，hsca（t，τ）表示散射路徑時(shí)變沖激響應(yīng)。由式（1）～（3）可知，直射和反射路徑的沖激響應(yīng)可表示為

其中，τdir，τref分別表示傳播時(shí)延，通常假設(shè)τdir＝0。散射支路數(shù)目非常多且與傳播環(huán)境有關(guān)，可建模為一個(gè)時(shí)變隨機(jī)過程：

其中，ai（t）、τi（t）表示各散射支路時(shí)變的損耗和時(shí)延。

3 信道模型參數(shù)

3.1 傳播路徑損耗

傳播路徑損耗指收發(fā)信機(jī)之間的無線信號由于傳播距離能量擴(kuò)散和環(huán)境因素等引入的損耗量。在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道中最主要的損耗是自由空間傳播損耗，損耗值可表示為

其中，fMHz、dkm分別表示頻率和通信距離，單位為MHz和km。

其中，λ表示信號波長；RF定義為反射系數(shù)，表示入射波場強(qiáng)與反射波場強(qiáng)之比。當(dāng)無線信號投射到粗糙地面時(shí)，除了鏡面反射以外還要考慮散射問題，導(dǎo)致反射系數(shù)小于光滑地面，

其中，α為粗糙地面引起的減弱因子。

3.2 多普勒頻率

由于無人機(jī)之間存在相對運(yùn)動，徑向運(yùn)動速度將導(dǎo)致接收信號頻率產(chǎn)生偏移，即多普勒頻移。無人機(jī)A接收到的直射信號式（1）可改寫為如下形式：

其中，v表示無人機(jī)A相對于B的飛行速度，⊙表示向量內(nèi)積。由定義可知，直射路徑最大多普勒頻率為

根據(jù)式（2）和式（3），無人機(jī)A收到的反射分量可表示為

那么，反射路徑最大多普勒頻率表示為

下面將式（12）和式（15）推廣至一般情況。令圖1中C所在地面的切平面為XCY面。無人機(jī)在相鄰時(shí)刻t1，t2（t1＜t2）的空間位置分別記為rB，1＝（xB，1，yB，1，zB，1），rB，2＝（xB，2，yB，2，zB，2），rA，1＝（xA，1，yA，1，zA，1），rA，2＝（xA，2，yA，2，zA，2），可推導(dǎo)獲得信號最大多普勒頻移為

其中，vB、vA分別為收發(fā)端移動速度矢量，θB、θA則表示移動方向和入射波夾角。進(jìn)一步由幾何關(guān)系可知

4 基于飛行軌跡的動態(tài)信道仿真

4.1 飛行參數(shù)提取

無人機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)鏈信道仿真過程中，需要由無人機(jī)的飛行軌跡獲得瞬時(shí)速度和加速度等飛行參數(shù)。為了便于描述飛行軌跡，本文采用地球坐標(biāo)系e、導(dǎo)航坐標(biāo)系n（東北天）和載體坐標(biāo)系b（右前上），如圖2所示。

圖2 不同坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 The relationship between different coordinate systems

假設(shè)某點(diǎn)經(jīng)度為λ，緯度為φ，則地球坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

若航向角為ψ，俯仰角為θ，橫滾角為γ，則導(dǎo)航坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為［10］

當(dāng)無人機(jī)在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的飛行軌跡已知，任意時(shí)刻所在位置的經(jīng)緯度和高度記為（λ，φ，h）。假設(shè)忽略地球自轉(zhuǎn)因素，可以證明無人機(jī)瞬時(shí)對地速度矢量為

量；˙λ，˙φ，˙h表示無人機(jī)導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置微分；RN＝Re（1-2e-3e sin2φ），RM＝Re（1＋e sin2φ），其中e表示地球橢圓率，Re表示地球的長半軸。

4.2 仿真結(jié)果行速度如圖3所示，對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈信道參數(shù)如圖4所示。由圖4可見仿真開始和結(jié)束階段，無人機(jī)A、B位置超出視距傳輸范圍，不存在信號傳輸，各路徑的多普率頻率和傳輸時(shí)延為零，傳輸損耗為無窮大；當(dāng)無人機(jī)A、B處于不同高度且距離較近時(shí)，反射路徑可忽略，對應(yīng)多普率頻率和傳輸時(shí)延為零。

無人機(jī)通信一般集中在超短波頻段上，通信距離覆蓋一般限制在視線距離以內(nèi)或稍遠(yuǎn)一點(diǎn)。本文不考慮機(jī)身遮擋情況，天線采用自動跟蹤天線且始終指向信號傳播方向，假設(shè)通信頻率f0＝400 MHz，收發(fā)端采用180°定向天線。

仿真場景一：當(dāng)無人機(jī)從不同位置沿相對方向飛行。假設(shè)無人機(jī)A在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的起點(diǎn)坐標(biāo)為（E118.8°，N32.5°，300），無人機(jī)B為（E116.42°，N39.26°，395.6），兩飛機(jī)均經(jīng)過加速滑行、爬升、轉(zhuǎn)彎、俯沖等飛行動作到達(dá)目的地，飛行軌跡和瞬時(shí)飛

圖3 飛行參數(shù)（仿真場景一）Fig.3 The flight parameters of the first simulation scenario

圖4 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道特征參數(shù)（仿真場景一）Fig.4 The UAV data link channel′s features under the first simulation scenario

仿真場景二：無人機(jī)A和B從同一起點(diǎn)以不同速度飛行。假設(shè)無人機(jī)A與B在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的起點(diǎn)坐標(biāo)為（E118.8°，N32.5°，300），兩者均經(jīng)過加速滑行、爬升、轉(zhuǎn)彎等飛行動作，飛行軌跡和瞬時(shí)飛行速度如圖5所示，對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈信道參數(shù)如圖6所示。

圖5 飛行參數(shù)（仿真場景二）Fig.5 The flight parameters of the second simulation scenario

圖6 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道特征參數(shù)（仿真場景二）Fig.6 The UAV data link channel′s features under the second simulation scenario

結(jié)合圖4和圖6可看出：相向飛行時(shí)，多普勒頻率為正，反之為負(fù)。對于典型航空通信情況，多普勒頻率一般為幾十至幾百千赫；當(dāng)飛行高度為幾千至幾萬米高空時(shí)，直射和反射路徑距離比較接近，自由空間損耗也非常接近，相對時(shí)延通常為幾十納秒。

5 結(jié)論

本文通過分析無人機(jī)飛行軌跡及不同坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，推導(dǎo)獲得基于動態(tài)飛行軌跡的傳播損耗、多普勒效應(yīng)及多徑時(shí)延等無線信道參數(shù)表達(dá)式，從而建立了無人機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)鏈通信信道模型，為分析無人機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的無線信號覆蓋、信號處理算法和系統(tǒng)性能優(yōu)化等提供了理論基礎(chǔ)。下一步將考慮傳播環(huán)境和地面因素，利用飛行實(shí)測的數(shù)據(jù)對該模型參數(shù)進(jìn)行修正。

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徐儀華（1979—），男，江蘇泰州人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)闊o人機(jī)測控通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量監(jiān)督；

XU Yi-hua was born in Taizhou，Jiangsu Province，in 1979.He received the M.S.degree in 2009.He is now an engineer.His research concerns the key technologies of UAV TT＆C system.

Email：stonelionking＠sina.com

周生奎（1989—），男，山東萊蕪人，2012年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線衰落信道硬件實(shí)現(xiàn)；

ZHOU Sheng-kui was born in Laiwu，Shandong Province，in 1989.He received the B.S.degree from Qingdao Technological U-niversity in 2012.He is now a graduate student.His research concerns wireless fading channel emulator.

朱秋明（1979—），男，江蘇蘇州人，2012年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闊o線衰落信道建模與仿真、航空數(shù)據(jù)鏈、正交頻分復(fù)用技術(shù)等；

ZHU Qiu-ming was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1979.He received the Ph.D.degree in 2012.He is now an associate professor.His research concerns wireless fading channel modeling and simulating，aeronautical data link and orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）.

Email：zhuqiuming＠nuaa.edu.cn，7123741＠qq.com

黃攀（1989—），男，浙江衢州人，2012年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線衰落信道仿真。

HUANG Pan was born in Quzhou，Zhejiang Province，in 1989. He received the B.S.degree in 2012.He is now a graduate student.His research concerns wireless fading channel simulation.

Sim ulation of UAV Comm unication Channel Based on Flight Trajectory

XU Yi-hua1，ZHOU Sheng-kui2，ZHU Qiu-ming2，HUANG Pan2
（1.Institute of Unmanned Aircraft，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；
2.College of Electronic Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

By analyzing the wireless communication link′s features between two unmanned aerial vehicles（UAV）such as propagation loss，Doppler frequency and multipath delay，a new dynamic channel model based on threerays is proposed.Then，the transformation method for UAV′s flight trajectory between different coordinate systems is given and how to get the dynamic channel features from the specified flight trajectories is discussed.Finally，two typical simulation scenarios are used to validate the proposed method in calculating multipath delay，propagation loss and Doppler frequency and the dynamic air-air data link channel between UAVs is simulated. These results are very helpful for UAV′s data link system parameters selection，physical layer algorithm design and system performance evaluation.

UAV；communication channel；propagation loss；Doppler frequency；dynamic channel simulation

stonelionking＠sina.com

V217

A

1001-893X（2013）05-0656-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.025

2012-12-17；

2013-03-12 Received date：2012-12-17；Revised date：2013-03-12

航空科學(xué)基金項(xiàng)目（20120152001）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)-無人機(jī)專項(xiàng)資金資助（NZ2012012）

Foundation Item：Aeronautical Science Foundation of China（No.20120152001）；The Fundamental Research Funds for The Central Universities（NZ2012012）

??

stonelionking＠sina.com