航空数据链数学建模与系统仿真

1、学术研究Ac ademi c Research航空数据链数学建模与系统仿真曾赠，李华聪(西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安710072)【摘 要】论文针对航空通信信道的传播待性，建立信道数学模型，并模拟复杂电磁环境，建立航空数抿链-休化测 试系统.采用LabView对收发装进的数据信息进行采集和分析，幷进行了数字仿真.内场测试和评估系统性能 【关键词】数据链；无线信道系统仿真【中图分类号】TN 108.4【文献标识码】A 【文章编号】1009-8054(2007) 04-0123-03Mathematical Modeling and System Simulation of Airbor

2、ne Data*linkCAO Peng, LI Huacong(School Of Power and Energy9. Northwestern Polyiechnical Univ.9 Xi'an 710072, China)Abstract In accordance with the spread characteristic of aeronautical communication channel mathematics model is established, in simulation of complex electromagnetic environment,

3、data-link integrative test system also built up. and by using LabView gathering and the analysis on the transmitter-receiver set data, processing digital simulation and anechoic学术研究Ac ademi c Research万方数据信息安全与通信保密2007-4123chamber test, evaluating system performance are carried out. (Keywords data li

4、nk; wireless channel system simulation1引言通偵数据链路是航空通信系统的直要组成部分通过它 把侑息在地面控制站和飞行器间进行交换，用丁诜成对飞行 器的遥控、遥测、跟踪定位及视频信息的传输.随若各种高 性能飞行器的使用.以及加装比较成熟的地空数据链装备， 为了充分发挥其作战性能和提高拒挥容星，正在进行数据链 各种各样的试脸和应用研究.文中针对航空通佰佰道的传描 待性.建立数学模型.模拟真实战场电磁环境，进行内场物 理效应仿真，完或对飞行器野外“拉距离”试验，确保飞行 器数据链的可靠性.对提高E行器的性能起希关键作用。2航空通信信道模型无线通信的信道模型足在对

5、信号传播待性的研究墓础上 建立的.一股建立伯道模型的方法是对持定的信号在特定的收稿日期：2006-8-2作者简介：暫鹏983年生，男,硕士生，研完方向为控制 圧论与拉制工糧。环境中的传播进行测复，在大低测试数据的基础之上，提出 合适的数学模型.以尽可能地拟合实测数据。飞行器采用超 短波进行无线通信.该频段的无线电波的传播待点是直线传 播，传播首先遇到了视距的问题。在通信罐路中，飞行齬通 信系统中也疗在由不同传播路径引起的多径分虽.类似莱斯 (Rice)信道肋。同时和微波通信信道类似，飞行器通信信道 中存在较强的地面反射波，构成两径信逍模型。另外，由于 飞行器存在一定的飞行速度还要考虑其逍成的多

6、普勒效应.21极限视线传播距商对于超矩波来说，其波长一般都在几米和几厘米的范围 之内，所以它绕不过普通的障碍物。因为超短波可以穿透电 离层.也不能像短波那样通过电离层反射进行传播。所以超 短波的传播莒先遇到了视距的问题。在实际航空通信链路中， 其传播途径至少有一部分是在对流层中，因此必然要受到对 流层这-传输媒介的形响，由于并非均匀介质，它的温度湿 度以及气压均场时间和空间变化，因而会产生折射和吸收现 象，将直接影响实现传播的兀线距离。电波在大气层中折射 的形响，工程上用“地球等效半径”来表征，即保持电波的 圆弧形射线对地夹角不变，只是地球的实际半径心变成了尊 效半径心.R三R°&#

7、39;1+沖° dh其中，”为折射率在标准大气折射悄况下E=8500km.图1中.耳，分别为飞机和地面大线高度：严J2R”：仏之J2R,H所以.修正兀气折射后极限距离为：力4 + S顾你+阿)图1修正大气折射厉的世线传播极限距离由上可知，大气折射冇利于超视距传播.当飞机以",的 鬲度进入AB连线以下的区域时，则逬入有区.与地面联系 中断。2.2传播路径损耗描述一个无线信道，首先应给出其路從损耗(Path Loss) 模型，即平均信号强度随距离变化的规律。大气的折射和吸 收效应被修正后视距传播就可以近似认为是自由空间传播. 在自由空间中.般的窄带信号的传输擾耗与距离的平方成

8、正比，则接收天线的输出功率、电场值分别为：(4妙式中：乙为发射功率$ G八q为发收天线的增益9入为 信号波长.2.3地面反射的影响在视距传播方式中，收、发两点之间除有直射波外，还 经常仔在经由地面反射(或散射)后到达接收点的反射波(或散 射波)。电波在平面地上传播的主要持点是直射波和地面反射 波在接收点处形成干涉场“口。作如下近似：为在接收点处直射波场强和反射波场强在空间方 向上是一致的。忽略发射天线在直射波方向和反射波方向上的方向 性系数的差别。则在接收点处的电场强度为:E冃饥+妨=花；+圧+ 2/?/严皿俗+ .切)=為 Jl + ” + 2pcos(0+ 9)反射系数P利相角&由

9、反射面的性质、擦地角a、工作 頻率、电波极化等因素决定；"为由于路径不同所产生的 附加相移。切=乎”由图2所示的电波传播路於可得： dE 二凡+ 2qcos(0.*)光滑地面时P * 1,实际地面都是起伏不平的所谓镜面反射只是种理想情况.取Q =02.对于航空视距通信来说，擦地角a较小.此时.0 - 180°.2.4多径分在航空通信信道中.高增益天线形成了较强的直视分 So宜视分図能量和地面反射分量的能量吕2之和与多径 分屋能址石的比值心(£"可)/坊2为莱斯因子.实际数据上 取值一般为10dB-20dB。2.5主动干扰干扰是用噪声或类似噪声的干扰信号遮

10、盖或淹没有用的 倍号，使强干扰功率进入通信接收机，尽可能地降低信噪比, 阻止敌方通信正常进行。按照干扰信号的中心频率厶干扰谱 宽(相对于通信接收机的中心频約;、工作带宽/;的关系, 可将雄盖性干扰分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫频式干扰,(1) 瞄准式干扰*> 沪(2-5)M(2) 限塞式干扰：nwmuw* AjT>5AX(3) 扫频式干扰：£呀，0, 71, 力=(2-5庞/；学术研究Ac ademi c Research学术研究Ac ademi c Research124 万删嘛ci."勲帧碗学术研究Ac ademi c Research录佳干扰波形是随机性最

11、强的波形衡量随机性的毎足3.2实验结果学术研究Ac ademi c Research学术研究Ac ademi c Research嫡.对于离散性随机变童.其烦定义为：以前面的分析和模型为棊础，对航空通俗信道进行内场(9)测试和数字仿真.设置调制方式为4PSK.工作频率1G,码元速率图4(a)与(b)分别为信号调制与解调星陳图，对学术研究Ac ademi c Research$00 304" 0»inptwse 屮)Q00 4” 00 2 04 0»Iftphave(b)图4信号调制与解调星座图3基于内场测试的物理效应仿真系统无线通佰保密刚抗干扰性足现代信息化战场

12、中的关键技术，宜接关系到无线通佶设备在恶劣 电磁环境中的生存能力.在强电子对抗条件下. 确保航空通信链路的迅速、准确.保密、畅通.是 急需解决的重薑研究课题.3.1航空通信数据链测试系统平台模拟复杂电磁环境.墓于此平台，开发航空 数抵链测试系统，通过内场测试对复杂电磁环 境下航空通倍数据链路进行物理效应仿真.评 估系统性能.该薦试系统平台如图3所示，其工 作过程为：控制计埠机基于LabView控制发送 设备，设定仿真场景想定，如：工作频率、调制 方式、码元、多径效应和多普勒頻移，以及噪声. 和干扰，并且通过控制功率模拟距离变化完成 信号的发射.信号由天线发射在微波暗室内传 播到达接收端，控制接

13、收设备对信号分析并解 调恢复出基带信息叫计算不同信噪比下的误码传号分析并解调恢复出 基带信息从而评估恶劣 电磁环境下的不同通信 体制的系统性能.4 结论针对航空通信借道 的传播特性，建立数学模 型，并根据实验室条件. 建立一体化的测试系统. 测试不同环境下通信性 能，幷对数学模型进行验 证。该系统为开放性的平 台町阪著模型的更新和 细化进一步完善。参考文献1 Glenn W Goodman. Understanding data liiiks(J.C41SR Journal, May 2005.2 余晓刚，王华美军主要战术数据链介绍【J航空电 子技术，2002, 33(3)王斌华无人机无线电数

14、据链自动测试系统方案设计 JJ.计算机测址与控制.20053(2).心?学术研究Ac ademi c Research学术研究Ac ademi c Research(上接第122页)杂度要求的码序列是可行的。参考文献1 Mayhew G L.Golomb S W Linear spans ot modified de Bruijn sequencesJ. IEEE Trans. Info. Theory, 1990. 36(5): 1166-11672 Mayhew G L Aulo-correlation properties of modified de Bruijn sequences(

15、J. Position location andNavigation Symposium. IEEE 2000, 2000- 349-354.3 Mayhew G L, Golomb S W Characterizations of generators for modified de Bruijn sequences (JJ. Advances in Applied Mathematicst 1992, 13： 454-461.4 肖国值.梁传甲，主育民，等.伪随机序列及其 应用M.北京：国防工业出版社.1985： 123-153.Cheng U, Golomb S W On thp cha

16、ractpr- izatioa of PN sequcnces(J). IEEE Trans. Info. Theory 1983. 29； 600. 3学术研究Ac ademi c Research学术研究Ac ademi c Research信息安全与通信保密 2007.4125万方数据航空数据链数学建模与系统仿真ITIHfiKlBLXJ WANFANODATA作者:作者单位:刊名：英文刊名: 年卷(期):卩丽叭 乍华聪,CAO Pengf LI Huacong麻 11业人学动力与能源学院，陕西，西安,710072信息安全与通信保密CHINA INFORMATION SECURITY2007. "(4)彼引用次数：1次1Glenn W Goodman Understanding data links 20052. 余晓刚.I华臾军主耍战术数据链介绍期刊论文航空电J'技术2002(