CN114221726B - ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，包括：构建无人机通信系统干扰模型；其中，地面移动网络与无人机网络在同一区域共存。无人机以恒定高度在大圆路径上飞行，计算无人机天线的最大发射功率。计算地面用户和无人机之间的下行链路倾斜路径气体衰减。基于所述受干扰用户接收天线模型，计算出存在机械下倾角的倾斜天线辐射方向图。基于位置百分比与受干扰用户到无人机的仰角，计算地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗。对上述所有损耗模型进行整合，与无人机天线发射功率以及热噪声相加，得到地面用户处接收到的同频干扰水平。本发明可为无人机网络干扰规避、频率兼容性分析等技术研究提供指导意义。

Description

ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，特别涉及ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法。

背景技术

由于无人驾驶飞行器的可移动性与部署的快速性，近年来无人机的应用越来越广泛，例如监视、救灾、提供蜂窝覆盖等，5G技术的普及更加快了无人机在各种应用中的部署进程。无人机能够作为空中通信平台，如基站或中继站，为有需求的地面用户提供或增强通信服务。对于地面网络覆盖范围以外的陆地偏远地区或者海面，卫星可以帮助在相距甚远的无人机和地面网关之间传输数据。因此，卫星使能的无人机通信是未来通信网络的一个有前途的发展方向。

尽管无人机网络具有大量优势，仍然有诸多挑战尚未解决。无人机网络作为一项迅速发展的新技术，需要新的地面频谱与卫星频谱分配来支持其服务的增长，日益增长的频谱需求给现有服务带来了巨大压力。2015年世界无线电通信大会确定，允许使用ka频段的卫星通信频率将无人机连接到卫星，通过固定卫星服务网络在无人机和远程飞行员之间建立通信链路。由于ka频段已经存在其他业务(如移动业务)，无人机必须与现有业务共享该频段，频率重用造成了同频干扰。并且，无人机所处的高海拔往往会导致其与地面用户的通信链路以视距信道为主导，视距信道使无人机对许多相邻但不相关的地面基站或用户造成严重的下行链路干扰，大大降低了无人机在下行链路的通信性能。因此，下行链路的同频干扰迫切需要研究。

发明内容

发明目的：本发明提出ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，以解决现有技术无法很好的表征ka频段无人机通信系统下行链路同频干扰的技术问题

为解决上述技术问题，本发明提出了一种ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化无人机飞行高度、偏轴角Θ、仰角θ、方位角

步骤2：计算无人机天线朝向地面用户的发射功率；

步骤3：计算无人机到地面用户点对点路径的自由空间损耗P_fs；

步骤4：计算地面用户与无人机之间的上行链路倾斜路径气体衰减；

步骤5：计算接收天线阵列波束成形天线辐射方向图

步骤6：计算地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗；

步骤7：计算统一单位的调整参数A_{UAV to Mobile}；

步骤8：计算表征无人机对地面用户干扰水平的干扰噪声比。

步骤2中，通过如下公式计算无人机天线朝向地面用户的发射功率P_UAV(单位dB(W/40kHz))：

P_UAV＝19-25logΘ。

步骤4包括：

气体比衰减γ的表达式如下：

γ＝γ_o+γ_w＝0.1820f(N"_Oxygen(f)+N"_{Water Vapour}(f))

其中γ_o和γ_w分别是干燥空气造成的比衰减和水蒸气造成的比衰减；f为频率，单位为GHz；N"_Oxygen(f)和N"_WaterVapour(f)分别是氧气关于频率f的负折射率的虚部和水蒸气关于频率f的负折射率的虚部；

地面用户与无人机之间的上行链路倾斜路径气体衰减P_atmosphere的计算公式为：

其中是高度h处的实际仰角，γ(h)是高度h处的比衰减，R_E为平均地球半径(取值为6371km)，/>为高度h₁处的视在仰角，n(h)为高度h处的折射率；

通过下式关联无人机处的视在仰角与地面用户处的视在仰角/>将上行链路倾斜路径气体衰减转换到下行链路：

其中n_e是地面用户高度的折射率，n_s是无人机高度的折射率，r_e是从地球中心到地面用户的半径，其值大于平均地球半径R_E；r_s是从地球中心到无人机的半径，其值大于r_e。

步骤4中，采用如下公式计算N”_oxygen(f)和N”_WaterVapour(f)：

N”_Oxygen(f)＝∑_i(Oxygen)S_iF_i+N”_D(f)

N”_WaterVapour(f)＝∑_{i(WaterVapour)}S_iF_i

其中，i(Oxygen)表示氧气谱线标号，i(WaterVapour)表示水汽谱线标号，S_i为第i条氧气谱线或水蒸气谱线的强度，计算如下：

其中p为干空气压强；θ等于300/T，T为温度；a_j为氧气的谱线数据，b_j为水蒸气的谱线数据，j＝1,2,...,6；e为水蒸气分压，由给定高度下的水蒸汽密度ρ、温度T计算得到：

F_i为氧气或水蒸气谱线的形状因子，计算如下：

其中f_i是氧气或水蒸气的谱线频率，Δf为谱线宽度：

谱线宽度Δf的计算如下：

对于氧气，

对于水汽，δ是针对氧气谱线间干扰的校正因子：

对于氧气，δ＝(a₅+a₆θ)×10^-4(p+e)θ^0.8，

对于水汽，δ＝0，

N”_D(f)为气压造成的氮衰减和德拜谱引起的干空气连续吸收谱，计算如下：

其中w为德拜谱的宽度参数。

采用如下公式计算w：w＝5.6×10^-4(p+e)θ^0.8。

步骤5包括：

计算接收天线阵列中单个元件的水平辐射方向图与垂直辐射方向图A_E,V(θ)：

进而得到单个元件的总体辐射方向图

其中G_E,max为元件的峰值增益，A_m为前后比；

最终得到接收天线阵列波束成形天线辐射方向图

其中：

n＝1,2,...N_V；m＝1,2,...N_H；

其中v_n,m为单个阵元在垂直方向上的复加权系数，w_n,m为单个阵元在水平方向上的复加权系数，λ为工作波长，i为虚数单位，N_V，N_H分别为天线阵列垂直上的元件数量、水平方向上的元件数量，d_V，d_H分别为垂直方向上元件间隔距离、水平方向上元件间隔距离。

步骤6包括：

存在机械下倾角时坐标变换的表达式如下：

其中(x,y,z)是直角坐标，是天线本身的球面坐标系，/>是相对于水平面的坐标系，β为倾斜的角度；

地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗P_clutter计算公式为：

其中中间参数K₁＝93(f^0.175)，中间参数A₁＝0.05，Q–1(p/100)为逆补正态分布函数，p为位置比分比，且仰角θ为从地面看到的无人机的角度。

步骤8包括：无人机对地面用户造成的干扰用干扰噪声比来表征：

I/N＝P_UAV-A_{UAV to Mobile}-P_fs-P_atmosphere-P_clutter+G_mobile-N_Mobile

其中P_atmosphere为大气损耗，G_mobile为地面用户朝向无人机的天线增益，N_Mobile为地面用户处的总噪声。

有益效果：本发明提出了一种合适的建模方式，用于分析ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰。本发明对无人机传输信号传播环境进行建模，计算无线电信号的路径损耗，表征出无人机和地面用户间的下行链路干扰表达式，实现灵巧刻画描述分析无人机网络与地面用户的同频干扰，从而为无人机通信系统干扰规避，系统用频规则等提升系统容量的多方面技术研究提供指导意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明实施例提供的ka频段无人机通信系统下行链路同频干扰表征方法的执行流程示意图；

图2是干扰源无人机、被干扰地面用户、GSO卫星在垂直平面内的相对位置关系图；

图3是干扰源无人机、被干扰地面用户、GSO卫星在水平面内的相对位置关系图。

具体实施方式

如图2所示为干扰源无人机、被干扰地面用户、GSO卫星在垂直平面内的相对位置关系图。图3为干扰源无人机、被干扰地面用户、GSO卫星在水平面内的相对位置关系图。实施例中所用参数如下表所示。

如图1所示，本发明提出了一种ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，包括：

步骤1：初始化无人机飞行高度h、偏轴角Θ、仰角θ、方位角工作频率f。

步骤2：根据偏轴角Θ计算无人机天线朝向地面用户的发射功率P_UAV。

P_UAV＝19-25logΘ

步骤3：根据无人机与地面用户的距离d、无人机通信系统工作频率f，计算无人机到地面用户点对点路径的自由空间损耗P_fs：

P_fs＝32.4+20log f+20log d

步骤4：计算地面用户无人机之间的上行链路倾斜路径气体衰减，首先，计算气体比衰减γ(单位dB/km)：

γ＝γ_o+γ_w＝0.1820f(N"_Oxygen(f)+N"_{Water Vapour}(f))

其中γ_o和γ_w分别是干燥空气和水蒸气造成的比衰减。

f为频率，单位为GHz；

N”_oxygen(f)和N”_WaterVapour(f)为随频率变化的复折射率的虚部：

N”_Oxygen(f)＝∑_i(Oxygen)S_iF_i+N”_D(f)

N”_WaterVapour(f)＝∑_{i(WaterVapour)}S_iF_i

S_i为第i条氧气谱线或水蒸气谱线的强度：

其中p为干空气压强(hPa)。a,b分别为氧气和水蒸气的谱线数据。e为水蒸气分压(hPa)，

可由给定高度下的水蒸汽密度ρ、温度T计算出：

θ等于300/T。T为温度(k)。

F_i为氧气或水蒸气谱线的形状因子，计算如下：

其中f_i是氧气或水蒸气的谱线频率，Δf为谱线宽度：

谱线宽度Δf的计算考虑了氧气谱线塞曼分裂的和水蒸气谱线的多普勒展宽：

δ是针对氧气谱线间干扰的校正因子：

N”_D(f)为气压造成的氮衰减和德拜谱引起的干空气连续吸收谱，计算如下：

其中w为德拜谱的宽度参数：

w＝5.6×10^-4(p+e)θ^0.8

然后，计算在高度h₁与高度h₂之间上行链路的倾斜路径气体衰减(h₂>h₁≥0km)：

γ(h)是高度h处的比衰减，R_E为平均地球半径，为高度h1处的视在仰角，n(h)为高度h处的折射率。

对于无人机和地面用户之间的路径，空间电台处的视在仰角为负值，地球站处的视在仰角为/>两个仰角通过下式关联：

其中n_e是地面用户高度的折射率，n_s是无人机高度的折射率，r_e是从地球中心到地面用户的半径，其值大于平均地球半径R_E，r_s是从地球中心到无人机的半径，其值大于r_e。

因为信号大气中的传播是相互的，对于一条空对地路径，无人机处的视在仰角为它的气体衰减和对应的地面用户处视在仰角为/>的地对空路径是等效的，所以，下行链路的气体衰减可用和上行链路一样的方法计算。

步骤5：计算接收天线阵列中单个元件的水平与垂直辐射方向图首先，计算单个元件的辐射方向图：

其中，θ为无人机与地面用户间的仰角，如图2所示，为无人机与地面用户之间的方位角，如图3所示。水平方向的辐射方向图为：

垂直方向的辐射方向图为：

G_E,max为元件的峰值增益，A_m与SLA_v为前后比，为水平方向的3dB波束宽度，θ_3dB为垂直方向的3dB波束宽度。

最终的波束成形天线辐射方向图通过对数形式的阵列增益与元件增益相加得到：

其中：

n＝1,2,...N_V；m＝1,2,...N_H；

N_v，N_H分别为天线阵列垂直、水平方向上的元件数量，d_V，d_H分别为垂直、水平方向上元件间隔距离。

步骤6：计算地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗：

步骤7：计算表征无人机对地面用户干扰水平的干扰噪声比：

I/N＝P_UAV-P_fs-P_atmosphere-P_clutter+G_mobile-N_Mobile。

其中G_mobile等于N_Mobile为地面用户处的热噪声。

基于上述参数数据与算法流程，可以分析无人机飞行高度、无人机与地面用户间相对位置，无人机相对GSO卫星的仰角等等多种因素对于ka频段无人机通信系统下行链路干扰的影响。本实施例选取的参数如表1所示，通过计算得出，要使地面用户处的干扰水平不超过可接受的阈值，需要保持无人机飞行高度在10km以上。在实际应用中，可根据具体情况选取不同的参数。

本发明提供了ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化无人机飞行高度、偏轴角Θ、仰角θ、方位角

步骤2：计算无人机天线朝向地面用户的发射功率；

步骤3：计算无人机到地面用户点对点路径的自由空间损耗P_fs；

步骤4：计算地面用户与无人机之间的上行链路倾斜路径气体衰减；

步骤5：计算接收天线阵列波束成形天线辐射方向图

步骤6：计算地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗；

步骤7：计算统一单位的调整参数A_{UAV to Mobile}；

步骤8：计算表征无人机对地面用户干扰水平的干扰噪声比；

步骤4包括：

气体比衰减γ的表达式如下：

γ＝γ_o+γ_w＝0.1820f(N"_Oxygen(f)+N"_{Water Vapour}(f))

其中γ_o和γ_w分别是干燥空气造成的比衰减和水蒸气造成的比衰减；f为频率，单位为GHz；N"_Oxygen(f)和N"_WaterVapour(f)分别是氧气关于频率f的负折射率的虚部和水蒸气关于频率f的负折射率的虚部；

地面用户与无人机之间的上行链路倾斜路径气体衰减P_atmosphere的计算公式为：

其中是高度h处的实际仰角，γ(h)是高度h处的比衰减，R_E为平均地球半径，/>为高度h₁处的视在仰角，n(h)为高度h处的折射率；

通过下式关联无人机处的视在仰角与地面用户处的视在仰角/>将上行链路倾斜路径气体衰减转换到下行链路：

其中n_e是地面用户高度的折射率，n_s是无人机高度的折射率，r_e是从地球中心到地面用户的半径，其值大于平均地球半径R_E；r_s是从地球中心到无人机的半径，其值大于r_e；

步骤4中，采用如下公式计算N”_oxygen(f)和N”_WaterVapour(f)：

N”_Oxygen(f)＝∑_i(Oxygen)S_iF_i+N”_D(f)

N”_WaterVapour(f)＝∑_{i(WaterVapour)}S_iF_i

其中，i(Oxygen)表示氧气谱线标号，i(WaterVapour)表示水汽谱线标号，S_i为第i条氧气谱线或水蒸气谱线的强度，计算如下：

其中p为干空气压强；θ等于300/T，T为温度；a_j为氧气的谱线数据，b_j为水蒸气的谱线数据，j＝1,2,...,6；e为水蒸气分压，由给定高度下的水蒸汽密度ρ、温度T计算得到：

F_i为氧气或水蒸气谱线的形状因子，计算如下：

其中f_i是氧气或水蒸气的谱线频率，Δf为谱线宽度：

谱线宽度Δf的计算如下：

对于氧气，

对于水汽，

δ是针对氧气谱线间干扰的校正因子：

对于氧气，δ＝(a₅+a₆θ)×10^-4(p+e)θ^0.8，

对于水汽，δ＝0，

N”_D(f)为气压造成的氮衰减和德拜谱引起的干空气连续吸收谱，计算如下：

其中w为德拜谱的宽度参数；

采用如下公式计算w：w＝5.6×10^-4(p+e)θ^0.8；

步骤5包括：

计算接收天线阵列中单个元件的水平辐射方向图与垂直辐射方向图A_E,V(θ)：

进而得到单个元件的总体辐射方向图

其中G_E,max为元件的峰值增益，A_m为前后比；

最终得到接收天线阵列波束成形天线辐射方向图

其中：

其中v_n,m为单个阵元在垂直方向上的复加权系数，w_n,m为单个阵元在水平方向上的复加权系数，λ为工作波长，i为虚数单位，N_V，N_H分别为天线阵列垂直上的元件数量、水平方向上的元件数量，d_V，d_H分别为垂直方向上元件间隔距离、水平方向上元件间隔距离；

步骤8包括：无人机对地面用户造成的干扰用干扰噪声比来表征：

I/N＝P_UAV-A_{UAV to Mobile}-P_fs-P_atmosphere-P_clutter+G_mobile-N_Mobile

其中P_atmosphere为大气损耗，G_mobile为地面用户朝向无人机的天线增益，N_Mobile为地面用户处的总噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，通过如下公式计算无人机天线朝向地面用户的发射功率P_UAV：

P_UAV＝19-25logΘ。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤6包括：

存在机械下倾角时坐标变换的表达式如下：

其中(x,y,z)是直角坐标，是天线本身的球面坐标系，/>是相对于水平面的坐标系，β为倾斜的角度；

地面用户到无人机干扰路径上的地物损耗P_clutter计算公式为：

其中中间参数K₁＝93(f^0.175)，中间参数A₁＝0.05，Q^-1(p₁/100)为逆补正态分布函数，p₁为位置比分比，且仰角θ为从地面看到的无人机的角度。