一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法

1.本发明属于无线信息传输领域，具体涉及一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法。


背景技术：

2.高空平台(high altitude platform,hap)以其易维护、高覆盖率等优点被广泛应用通信领域。实际场景中，高空平台自身会对信号传播造成遮挡，导致散射效应。此外，高空平台自身存在三维的姿态旋转，对高空平台的信道特性有显著影响。因此，为了更好地设计、优化和评估基于高空平台的无线通信系统，需要构建考虑高空平台物理结构影响的通信信道模型。
3.目前，非平稳信道建模方法大多考虑了发射端与接收端的移动，但是这些方法都将高空平台视作质点进行建模，忽略了高空平台自身物理结构给信道带来的影响。此外，大量空地通信实测数据表明，高空平台对地的信道是复杂多变的，而大部分建模方法只考虑了信道参数的时变性，没有考虑参数的连续动态演进。
4.有鉴于此，实有必要提供一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，该方法能够综合考虑高空平台的物理结构影响、三维姿态以及三维任意运动等因素，并对信道参数进行了连续动态演进，能够有效提高信道模型的真实性和准确性。


技术实现要素：

5.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，以解决现有技术中将高空平台发射端视为质点导致的信道参数计算不精确及演进不连续的问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明的一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，步骤如下：
8.1)针对考虑物理结构的高空平台对地通信场景，对第q根发射天线和第p根接收天线之间的信道进行建模，得到信道模型；
9.2)实时计算信道模型中高空平台发射端和地面接收端非视距路径的有效数量；
10.3)实时计算信道模型中视距路径和第n条非视距路径的时延；
11.4)实时计算信道模型中高空平台发射端的离开角的俯仰角和方向角，及地面接收端的到达角的俯仰角和方向角；
12.5)实时计算信道模型中视距路径的总相移和非视距路径的总相移。
13.进一步地，所述步骤1)中信道模型的表达式为：
[0014][0015]
式中，h
qp
(t,τ)表示第q根发射天线和第p根接收天线间的信道冲激响应，t表示时间，τ表示时延，k表示莱斯因子(为视距路径功率与非视距路径功率的比值，参考值为8)，e
表示自然对数的底数，j表示虚数单位，表示视距路径的总相移，δ(
·
)表示单位冲激函数，表示视距路径的时延，n
tx
(t)和n
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的非视距路径数量，m表示每条非视距路径的散射支路数，表示第n条非视距路径的总相位，表示第n条非视距路径的时延。
[0016]
其中，信号无遮挡地在发射端与接收端之间进行直线传播的路径称为视距路径，经过反射、散射及衍射后到达的信号的路径称为非视距路径，传播过程中导致信号传播方向发生改变的障碍物统称为散射体，如高空平台自身的物理结构，地面环境中的建筑物、植被等。
[0017]
进一步地，所述步骤2)具体包括：
[0018]
21)分别假设初始时刻高空平台发射端和地面接收端在t＝t0时刻非视距路径的有效数量为及其中，分别表示高空平台发射端路径新生概率和消亡概率，参考值分别为0.9、0.3；和分别表示地面接收端路径新生概率和消亡概率，参考值分别为0.8、0.1；
[0019]
22)分别计算经过δt时刻后高空平台发射端存活概率与地面接收端路径的存活概率
[0020][0021][0022]
其中，δr
p
和δrq分别为高空平台发射端与地面接收端的天线阵列间距，δd为由准平稳段确定的时间系数，和分别为时域和天线阵列下的场景相关系数；高空平台发射端和地面接收端经过δt时刻非视距路径的有效数量为：
[0023][0024][0025]
其中，e{
·
}表示平均值算符。
[0026]
进一步地，所述步骤3)具体包括：
[0027]
31)假设高空平台初始位置l
tx
(t0)、高空平台发射端第q根发射天线的初始位置为重构高空平台的物理模型，并在高空平台下方布置多个接收天线，利用射线跟踪方法，得到初始时刻高空平台发射端附近的散射体的位置
[0028]
32)实时计算高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，方法如下：
[0029]
321)假设初始时刻高空平台发射端位置矢量为l
tx
(t0)和地面接收端位置矢量为l
rx
(t0)；
[0030]
322)迭代计算t+δt时刻高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，计算方法为：
[0031][0032]
式中，v
tx
(t)和v
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的速度矢量；
[0033]
323)令t＝t+δt，返回步骤322)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0034]
33)实时计算第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，方法如下：
[0035]
331)假设高空平台发射端和地面接收端的初始位置矢量分别为l
tx
(t0)和l
rx
(t0)，初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量分别为和
[0036]
332)迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，计算方法为：
[0037][0038][0039]
式中，r
tx
(t)表示高空平台发射端的旋转矢量，r
rx
(t)表示地面接收端的旋转矢量，r
p
(t)表示高空平台姿态矩阵，分别记为：
[0040][0041][0042]
其中，ω、和γ分别为高空平台旋转的翻滚角、偏航角和俯仰角；
[0043]
333)令t＝t+δt，返回步骤332)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0044]
34)利用高空平台发射端和地面接收端的拓扑关系，实时计算视距路径的时延，方法如下：
[0045]
341)计算初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即初始时刻视距路径的传播距离，计算方法如下：
[0046][0047]
其中，||
·
||代表一个向量的欧氏距离；
[0048]
342)利用步骤33)中计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即t+δt时刻视距路径的传播距离为：
[0049][0050]
则视距路径t+δt时刻的时延为：
[0051][0052]
式中，c表示光速；
[0053]
343)令t＝t+δt，返回步骤342)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0054]
35)实时计算第n条非视距路径的时延，方法如下：
[0055]
351)初始时刻高空平台发射端和地面接收端附近第一个散射体的位置矢量为和由于高空平台发射端附近的散射体位置相对于高空平台所配备的天线位置是固定的，故第q根发射天线指向高空平台发射端附近第一个散射体的向量在任意时刻是固定的，记为：
[0056][0057]
初始时刻第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：
[0058][0059]
初始时刻高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：
[0060][0061]
则初始时刻第n条非视距信号的总传播距离记为：
[0062][0063]
其中，a
p,n,m
、b
q,n,m
、c
n,m
和四个向量之间的几何关系即为建模过程中参数演进方法中的几何拓扑关系；
[0064]
352)迭代计算t+δt时刻，高空平台发射端附近散射体的位置矢量和地面接收端附近散射体的位置矢量分别为：
[0065][0066][0067]
其中，为接收端附近散射体的速度矢量；使用式(7)-(8)和式(17)-(18)中得到的位置矢量，计算经过δt时刻的第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量a
p,n,m
(t+δt)，以及高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量c
n,m
(t+δt)，计算方法为：
[0068]
[0069][0070]
然后利用步骤351)中的几何拓扑关系，实时计算第n条非视距路径的传播总距离为：
[0071][0072]
则每一条非视距路径的时延为：
[0073][0074]
式中，m为非视距路径的散射支路数；
[0075]
353)令t＝t+δt，重复步骤352)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束。
[0076]
进一步地，所述步骤4)具体包括：
[0077]
41)实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角，及地面接收端视距信号的到达角和俯仰角，方法如下：
[0078]
利用步骤34)中通过式(12)迭代计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离d
los
(t)，实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角地面接收端视距信号的到达角的方向角和俯仰角计算方法为：
[0079][0080][0081][0082][0083]
其中，arctan2{
·
}为反正切函数，e
x
、ey和ez分别为直角坐标系x轴、y轴和z轴的单位向量；
[0084]
42)实时计算高空平台发射端非视距信号的离开角的方向角和俯仰角方法如下：由于第q根发射天线指向高空平台发射端附近第一个散射体的向量b
q,n,m
(t)在任意时刻是固定的，故任意时刻高空平台发射端非视距信号的离开角也是固定的，计算方法如下：
[0085][0086][0087]
43)实时计算地面接收端非视距信号的到达角的方向角和俯仰角，方法如下：利用步骤35)中用式(19)迭代计算得到的向量a
p,n,m
(t)，即第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量，实时计算地面接收端非视距信号的到达的方向角和俯仰角计算方法为：
[0088][0089][0090]
进一步地，所述步骤5)具体包括：
[0091]
51)计算视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移计算方法为：产生一个随机数，该数值服从[0,2π)的均匀分布；
[0092]
52)实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：
[0093]
将步骤4)中计算得到的高空平台发射端的离开角的方向角和俯仰角以及地面接收端的到达角的方向角和俯仰角带入式(32)和式(33)，实时计算视距路径中离开信号的方向矢量和到达信号的方向矢量非视距路径中离开信号方向矢量和到达信号的方向矢量计算方法为：
[0094][0095][0096]
再将式(32)和式(33)计算得到的信号方向矢量以及带入式(34)和式(35)，实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：
[0097][0098][0099]
其中，k＝2πf0/c为波数，f0为用户输入的载波频率；
[0100]
53)实时计算视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移方法为：将步骤33)中通过式(7)和式(8)迭代计算得到的天线位置矢量和高空平台发射端和地面接收端的旋转矢量r
tx
(t)和r
rx
(t)、高空平台姿态矩阵r
p
(t)，以及式(32)和式(33)计算得到的各信号的方向矢量，带入下式(36)和式(37)；
[0101][0102][0103]
54)计算视距路径的总相移和非视距路径的总相移计算方法为：将步骤51)计算得到的视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移步骤52)计算得到的视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移以及步骤53)计算得到的视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移分别带入下式(38)和式(39)；
[0104][0105][0106]
本发明的有益效果：
[0107]
本发明中将hap的建模由质点转为实际物理模型的建模，该方法综合考虑了hap的物理结构影响、三维姿态以及三维任意运动等因素，能够有效提高信道模型的真实性和准确性。
[0108]
本发明中考虑到hap与其天线阵列的空间关系，用天线位置代替传统发射端与接收端位置计算演进，支持时变的信道模型参数，并能够保证产生的信号角度的连续性。
附图说明
[0109]
图1为本发明采用的建模方法的流程图。
[0110]
图2为本发明中考虑高空平台物理结构情况下u2v通信场景示意图。
[0111]
图3为本发明采用射线跟踪方法得到的散射体的位置示意图。
[0112]
图4a为本发明产生的信号的离开角和到达角的方向角示意图。
[0113]
图4b为本发明产生的信号的离开角和到达角的俯仰角示意图。
[0114]
图5为本发明产生的信道衰落系数示意图。
具体实施方式
[0115]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0116]
参照图1-图3所示，本发明的一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，示例中具体如下：
[0117]
1)用户输入包含高空平台的型号、材质、初始位置、速度、三维运动轨迹、三维姿态、运动方向的俯仰角和方位角，地面接收端的初始位置、速度大小、三维运动轨迹、运动方向的俯仰角和方位角，高空平台发射端及地面接收端的天线阵列型号大小、天线的初始位置、信道状态更新间隔、采样率、载波频率的参数信息；用户输入参数如表1所示，高空平台发射端与地面接收端轨迹与姿态变化如表2所示；
[0118]
表1
[0119][0120]
表2
[0121][0122]
2)针对考虑物理结构的高空平台对地通信场景，对第q根发射天线和第p根接收天
线之间的信道进行建模，得到信道模型，其表达式为：
[0123][0124]
式中，h
qp
(t,τ)表示第q根发射天线和第p根接收天线间的信道冲激响应，t表示时间，τ表示时延，k表示莱斯因子，为视距路径功率与非视距路径功率的比值，参考值为8，e表示自然对数的底数，j表示虚数单位，表示视距路径的总相移，δ(
·
)表示单位冲激函数，表示视距路径的时延，n
tx
(t)和n
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的非视距路径数量，m表示每条非视距路径的散射支路数，表示第n条非视距路径的总相位，表示第n条非视距路径的时延。
[0125]
其中，信号无遮挡地在发射端与接收端之间进行直线传播的路径称为视距路径，经过反射、散射及衍射后到达的信号的路径称为非视距路径，传播过程中导致信号传播方向发生改变的障碍物统称为散射体，如高空平台自身的物理结构，地面环境中的建筑物、植被等。
[0126]
3)实时计算信道模型中高空平台发射端和地面接收端非视距路径的有效数量；
[0127]
31)分别假设初始时刻高空平台发射端和地面接收端在t＝t0时刻非视距路径的有效数量为及其中，分别表示高空平台发射端路径新生概率和消亡概率，参考值分别为0.9、0.3；和分别表示地面接收端路径新生概率和消亡概率，参考值分别为0.8、0.1；
[0128]
32)分别计算经过δt时刻后高空平台发射端存活概率与地面接收端路径的存活概率
[0129][0130][0131]
其中，δr
p
和δrq分别为高空平台发射端与地面接收端的天线阵列间距，δd为由准平稳段确定的时间系数，和分别为时域和天线阵列下的场景相关系数；高空平台发射端和地面接收端经过δt时刻非视距路径的有效数量为：
[0132][0133][0134]
其中，e{
·
}表示平均值算符。
[0135]
4)实时计算信道模型中视距路径和第n条非视距路径的时延；
[0136]
41)假设高空平台初始位置l
tx
(t0)、高空平台发射端第q根发射天线的初始位置为重构高空平台的物理模型，并在高空平台下方布置多个接收天线，(由于高空平台与其所配备的天线的相对位置是不变的，因此高空平台发射端附近的散射体位置相对于高空平台所配备的天线的位置是也是不变的)利用射线跟踪方法，得到初始时刻高空平台发射端附近的散射体的位置
[0137]
42)实时计算高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，方法如下：
[0138]
421)假设初始时刻高空平台发射端位置矢量为l
tx
(t0)和地面接收端位置矢量为l
rx
(t0)；
[0139]
422)迭代计算t+δt时刻高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，计算方法为：
[0140][0141]
式中，v
tx
(t)和v
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的速度矢量；
[0142]
423)令t＝t+δt，返回步骤422)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0143]
43)实时计算第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，方法如下：
[0144]
431)假设高空平台发射端和地面接收端的初始位置矢量分别为l
tx
(t0)和l
rx
(t0)，初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量分别为和
[0145]
432)迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，计算方法为：
[0146][0147][0148]
式中，r
tx
(t)表示高空平台发射端的旋转矢量，r
rx
(t)表示地面接收端的旋转矢量，r
p
(t)表示高空平台姿态矩阵，分别记为：
[0149][0150][0151]
其中，ω、和γ分别为高空平台旋转的翻滚角、偏航角和俯仰角；
[0152]
433)令t＝t+δt，返回步骤432)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0153]
44)利用高空平台发射端和地面接收端的拓扑关系，实时计算视距路径的时延，方法如下：
[0154]
441)计算初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即初始时刻视距路径的传播距离，计算方法如下：
[0155][0156]
其中，||
·
||代表一个向量的欧氏距离；
[0157]
442)利用步骤43)中计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即t+δt时刻视距路径的传播距离为：
[0158][0159]
则视距路径t+δt时刻的时延为：
[0160][0161]
式中，c表示光速；
[0162]
443)令t＝t+δt，返回步骤442)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；
[0163]
45)实时计算第n条非视距路径的时延，方法如下：
[0164]
451)初始时刻高空平台发射端和地面接收端附近第一个散射体的位置矢量为和由于高空平台发射端附近的散射体位置相对于高空平台所配备的天线位置是固定的，故第q根发射天线指向高空平台发射端附近第一个散射体的向量在任意时刻是固定的，记为：
[0165][0166]
初始时刻第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：
[0167][0168]
初始时刻高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：
[0169][0170]
则初始时刻第n条非视距信号的总传播距离记为：
[0171][0172]
其中，a
p,n,m
、b
q,n,m
、c
n,m
和四个向量之间的几何关系即为建模过程中参数演进方法中的几何拓扑关系；
[0173]
452)迭代计算t+δt时刻，高空平台发射端附近散射体的位置矢量和地面接收端附近散射体的位置矢量分别为：
[0174][0175]
[0176]
其中，为接收端附近散射体的速度矢量；使用式(7)-(8)和式(17)-(18)中得到的位置矢量，计算经过δt时刻的第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量a
p,n,m
(t+δt)，以及高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量c
n,m
(t+δt)，计算方法为：
[0177][0178][0179]
然后利用步骤451)中的几何拓扑关系，实时计算第n条非视距路径的传播总距离为：
[0180][0181]
则每一条非视距路径的时延为：
[0182][0183]
式中，m为非视距路径的散射支路数；
[0184]
453)令t＝t+δt，重复步骤452)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束。
[0185]
5)实时计算信道模型中高空平台发射端的离开角的俯仰角和方向角，及地面接收端的到达角的俯仰角和方向角；
[0186]
51)实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角，及地面接收端视距信号的到达角和俯仰角，方法如下：
[0187]
利用步骤44)中通过式(12)迭代计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离d
los
(t)，实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角地面接收端视距信号的到达角的方向角和俯仰角计算方法为：
[0188][0189][0190][0191][0192]
其中，arctan2{
·
}为反正切函数，e
x
、ey和ez分别为直角坐标系x轴、y轴和z轴的单位向量；
[0193]
52)实时计算高空平台发射端非视距信号的离开角的方向角和俯仰角方法如下：由于第q根发射天线指向高空平台发射端附近第一个散射体的向量b
q,n,m
(t)在任意时刻是固定的，故任意时刻高空平台发射端非视距信号的离开角也是固定的，计算方法如下：
[0194][0195][0196]
53)实时计算地面接收端非视距信号的到达角的方向角和俯仰角，方法如下：利用步骤45)中用式(19)迭代计算得到的向量a
p,n,m
(t)，即第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量，实时计算地面接收端非视距信号的到达的方向角和俯仰角计算方法为：
[0197][0198][0199]
6)实时计算信道模型中视距路径的总相移和非视距路径的总相移
[0200]
61)计算视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移计算方法为：产生一个随机数，该数值服从[0,2π)的均匀分布；
[0201]
62)实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：
[0202]
将步骤5)中计算得到的高空平台发射端的离开角的方向角和俯仰角以及地面接收端的到达角的方向角和俯仰角带入式(32)和式(33)，实时计算视距路径中离开信号的方向矢量和到达信号的方向矢量非视距路径中离开信号方向矢量和到达信号的方向矢量计算方法为：
[0203]
[0204][0205]
再将式(32)和式(33)计算得到的信号方向矢量以及带入式(34)和式(35)，实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：
[0206][0207][0208]
其中，k＝2πf0/c为波数，f0为用户输入的载波频率；
[0209]
63)实时计算视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移方法为：将步骤43)中通过式(7)和式(8)迭代计算得到的天线位置矢量和高空平台发射端和地面接收端的旋转矢量r
tx
(t)和r
rx
(t)、高空平台姿态矩阵r
p
(t)，以及式(32)和式(33)计算得到的各信号的方向矢量，带入下式(36)和式(37)；
[0210][0211][0212]
64)计算视距路径的总相移和非视距路径的总相移计算方法为：将步骤61)计算得到的视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移步骤62)计算得到的视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移以及步骤63)计算得到的视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移分别带入下式(38)和式(39)；
[0213][0214][0215]
7)将步骤2)中计算得到的高空平台发射端和地面接收端非视距路径的有效数量n
tx
(t)和n
rx
(t)、步骤3)中计算得到的视距路径和第n条非视距路径的时延τ
los
(t)和以及步骤5)中得到的视距路径的总相移和非视距路径的总相移输入信道模型，实时计算输出非平稳信道衰落。
[0216]
本实例得到的效果可以通过仿真实验中所获得的具体数据进行进一步说明。本实例的效果分2部分展示，高空平台物理结构影响通过图4a、图4b说明，三维姿态的影响通过
图5说明。从图4a、图4b、图5中可观察到：1)图4a给出了信号离开角和到达角的方向角，在方向角的维度中，视距路径与非视距路径的到达角都是时变的，由模型生成的随机地面散射环境决定，视距路径的离开角也是时变的，由高空平台的姿态、位置变化决定，而非视距路径的离开角则是固定的，由高空平台的自身物理结构决定；图4b给出了信号离开角和到达角的俯仰角，在俯仰角的维度中，视距路径的离开角与到达角几乎不发生变化，这是由于高空平台距地面的距离较远导致，非视距路径的离开角是固定的，由高空平台的自身物理结构决定，仅有非视距路径的到达角是时变的，由模型生成的随机地面散射环境决定；2)图5给出了本发明产生的信道衰落系数，可以看到，本发明提出模型产生的信道衰落系数随着姿态角度的变化而变化，而未考虑姿态的信道衰落系数则无法体现这一特性。此外，本发明提出的模型产生的信道衰落系数相较于未考虑姿态的情况起伏变化更加频繁，这是由于姿态的变化将导致信道中信号传播复杂性的增加。
[0217]
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，步骤如下：1)针对考虑物理结构的高空平台对地通信场景，对第q根发射天线和第p根接收天线之间的信道进行建模，得到信道模型；2)实时计算信道模型中高空平台发射端和地面接收端非视距路径的有效数量；3)实时计算信道模型中视距路径和第n条非视距路径的时延；4)实时计算信道模型中高空平台发射端的离开角的俯仰角和方向角，及地面接收端的到达角的俯仰角和方向角；5)实时计算信道模型中视距路径的总相移和非视距路径的总相移。2.根据权利要求1所述的考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，所述步骤1)中信道模型的表达式为：式中，h
qp
(t,τ)表示第q根发射天线和第p根接收天线间的信道冲激响应，t表示时间，τ表示时延，k表示莱斯因子，e表示自然对数的底数，j表示虚数单位，表示视距路径的总相移，δ(
·
)表示单位冲激函数，表示视距路径的时延，n
tx
(t)和n
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的非视距路径数量，m表示每条非视距路径的散射支路数，表示第n条非视距路径的总相位，表示第n条非视距路径的时延。3.根据权利要求2所述的考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：21)分别假设初始时刻高空平台发射端和地面接收端在t＝t0时刻非视距路径的有效数量为及其中，分别表示高空平台发射端路径新生概率和消亡概率；和分别表示地面接收端路径新生概率和消亡概率；22)分别计算经过δt时刻后高空平台发射端存活概率与地面接收端路径的存活概率活概率活概率其中，δr
p
和δr
q
分别为高空平台发射端与地面接收端的天线阵列间距，δ
d
为由准平稳段确定的时间系数，和分别为时域和天线阵列下的场景相关系数；高空平台发射端和地面接收端经过δt时刻非视距路径的有效数量为：
式中，e{
·
}表示平均值算符。4.根据权利要求3所述的考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：31)假设高空平台初始位置l
tx
(t0)、高空平台发射端第q根发射天线的初始位置为重构高空平台的物理模型，并在高空平台下方布置多个接收天线，利用射线跟踪方法，得到初始时刻高空平台发射端附近的散射体的位置32)实时计算高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，方法如下：321)假设初始时刻高空平台发射端位置矢量为l
tx
(t0)和地面接收端位置矢量为l
rx
(t0)；322)迭代计算t+δt时刻高空平台发射端和地面接收端的位置矢量，计算方法为：式中，v
tx
(t)和v
rx
(t)分别表示高空平台发射端和地面接收端的速度矢量；323)令t＝t+δt，返回步骤322)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；33)实时计算第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，方法如下：331)假设高空平台发射端和地面接收端的初始位置矢量分别为l
tx
(t0)和l
rx
(t0)，初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量分别为和332)迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，计算方法为：332)迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，计算方法为：式中，r
tx
(t)表示高空平台发射端的旋转矢量，r
rx
(t)表示地面接收端的旋转矢量，r
p
(t)表示高空平台姿态矩阵，分别记为：(t)表示高空平台姿态矩阵，分别记为：其中，ω、和γ分别为高空平台旋转的翻滚角、偏航角和俯仰角；333)令t＝t+δt，返回步骤332)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；34)利用高空平台发射端和地面接收端的拓扑关系，实时计算视距路径的时延，方法如下：
341)计算初始时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即初始时刻视距路径的传播距离，计算方法如下：式中，||
·
||代表一个向量的欧氏距离；342)利用步骤33)中计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线的位置矢量，迭代计算t+δt时刻第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离，即t+δt时刻视距路径的传播距离为：则视距路径t+δt时刻的时延为：式中，c表示光速；343)令t＝t+δt，返回步骤342)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束；35)实时计算第n条非视距路径的时延，方法如下：351)初始时刻高空平台发射端和地面接收端附近第一个散射体的位置矢量为和由于高空平台发射端附近的散射体位置相对于高空平台所配备的天线位置是固定的，故第q根发射天线指向高空平台发射端附近第一个散射体的向量在任意时刻是固定的，记为：初始时刻第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：初始时刻高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量记为：则初始时刻第n条非视距信号的总传播距离记为：式中，a
p,n,m
、b
q,n,m
、c
n,m
和四个向量之间的几何关系即为建模过程中参数演进方法中的几何拓扑关系；352)迭代计算t+δt时刻，高空平台发射端附近散射体的位置矢量和地面接收端附近散射体的位置矢量分别为：
式中，为接收端附近散射体的速度矢量；使用式(7)-(8)和式(17)-(18)中得到的位置矢量，计算经过δt时刻的第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量a
p,n,m
(t+δt)，以及高空平台发射端附近第一个散射体指向地面接收端附近第一个散射体的向量c
n,m
(t+δt)，计算方法为：(t+δt)，计算方法为：然后利用步骤351)中的几何拓扑关系，实时计算第n条非视距路径的传播总距离为：则每一条非视距路径的时延为：式中，m为非视距路径的散射支路数；353)令t＝t+δt，重复步骤352)，直至高空平台发射端和地面接收端停止运动与姿态变化时结束。5.根据权利要求4所述的考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：41)实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角，及地面接收端视距信号的到达角和俯仰角，方法如下：利用步骤34)中通过式(12)迭代计算得到的第q根发射天线和第p根接收天线之间的距离d
los
(t)，实时计算高空平台发射端视距信号的离开角的方向角和俯仰角地面接收端视距信号的到达角的方向角和俯仰角计算方法为：计算方法为：计算方法为：计算方法为：其中，arctan2{
·
}为反正切函数，e
x
、e
y
和e
z
分别为直角坐标系x轴、y轴和z轴的单位向量；
42)实时计算高空平台发射端非视距信号的离开角的方向角和俯仰角计算方法如下：计算方法如下：43)实时计算地面接收端非视距信号的到达角的方向角和俯仰角，方法如下：利用步骤35)中用式(19)迭代计算得到的向量a
p,n,m
(t)，即第p根发射天线指向地面接收端附近第一个散射体的向量，实时计算地面接收端非视距信号的到达的方向角和俯仰角计算方法为：计算方法为：6.根据权利要求5所述的考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：51)计算视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移计算方法为：产生一个随机数，该数值服从[0,2π)的均匀分布；52)实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：将步骤4)中计算得到的高空平台发射端的离开角的方向角和俯仰角以及地面接收端的到达角的方向角和俯仰角带入式(32)和式(33)，实时计算视距路径中离开信号的方向矢量和到达信号的方向矢量非视距路径中离开信号方向矢量和到达信号的方向矢量计算方法为：计算方法为：
再将式(32)和式(33)计算得到的信号方向矢量以及带入式(34)和式(35)，实时计算视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移计算方法为：计算方法为：式中，k＝2πf0/c为波数，f0为用户输入的载波频率；53)实时计算视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移方法为：将步骤33)中通过式(7)和式(8)迭代计算得到的天线位置矢量和高空平台发射端和地面接收端的旋转矢量r
tx
(t)和r
rx
(t)、高空平台姿态矩阵r
p
(t)，以及式(32)和式(33)计算得到的各信号的方向矢量，带入下式(36)和式(37)；式(33)计算得到的各信号的方向矢量，带入下式(36)和式(37)；54)计算视距路径的总相移和非视距路径的总相移计算方法为：将步骤51)计算得到的视距路径的随机初始相移和非视距路径的随机初始相移步骤52)计算得到的视距路径的多普勒相移和非视距路径的多普勒相移以及步骤53)计算得到的视距路径的空间相移和非视距路径的多普勒相移分别带入下式(38)和式(39)；分别带入下式(38)和式(39)；

技术总结
本发明公开了一种考虑高空平台物理结构的空地信道建模方法，包括：针对考虑物理结构的高空平台对地通信场景，对第q根发射天线和第p根接收天线之间的信道进行建模，得到信道模型；实时计算信道模型中高空平台发射端和地面接收端非视距路径的有效数量；实时计算信道模型中视距路径和第n条非视距路径的时延；实时计算信道模型中高空平台发射端的离开角的俯仰角和方向角，及地面接收端的到达角的俯仰角和方向角；实时计算信道模型中视距路径的总相移和非视距路径的总相移。本发明中考虑到HAP与其天线阵列的空间关系，用天线位置代替传统发射端与接收端位置计算演进，支持时变的信道模型参数，并能够保证产生的信号角度的连续性。续性。续性。


技术研发人员：华博宇 周彤彤 朱秋明 倪浩然 金峥嵘 鲍军委 张小飞 马正
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.05.16
技术公布日：2022/11/1