CN114285507B - 一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，先仿真建立天线增益方向图；而后计算得到地面设备与测控目标之间的上/下行有效作用距离，上/下行有效作用距离中的最小值即为发射天线主瓣信号中心的作用距离；根据发射天线主瓣信号中心的作用距离、接收天线与发射天线之间的距离计算接收天线与发射天线进行通信的最小信号增益；比较发射天线主瓣信号在不同角度的增益值与最小信号增益，以判定处于相应角度的发射天线与接收天线是否能进行通信。所述分析方法通过精确地评估两点在定向通信中的主瓣信号偏差余量，建立天线增益方向图仿真，根据主瓣信号的衰减情况，定量分析主瓣信号偏差余量，准确判断两点之间是否能有效通信。

Description

一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法

技术领域

本发明属于测控工程领域，具体涉及一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法。

背景技术

在通信领域，全向天线发射的信号在空间传播时具有全方位特性，容易被接收方捕获，但信号有效作用距离有限；对于定向天线，因为天线将信号能量集中于一个或几个主瓣方向，可以增加该方向的信号增益，延长信号的有效传播距离。

一般而言，信号的波束宽度采用3dB衰减所包含的角度，但如果信号强度冗余量较大，在波束宽度所覆盖的区域外也可以有效接收信号。通常情况下，天线增益及其余量足以支持一定范围内的有效测控通信，保障测控链路的正常工作。但是在目标距离较远或目标发生滚转等极限情况下，受目标天线指向等因素影响，此时的天线增益及其余量对于该条测控链路来说已接近极限值，如果发射方的主瓣信号没有对准接收方，将造成信号增益的大幅下降，甚至通信中断。

发明内容

针对采用定向天线传播信号时存在的前述技术问题，本发明提出一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，该方法以单主瓣信号波形的遥测通信为背景，将信号增益变化作为唯一变量，根据发射天线主瓣中心与接收天线主瓣中心之间的夹角，计算得到当前信号的精确增益值，准确判断两点之间是否能有效通信。

本发明一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，具体步骤如下：

1.仿真建立天线增益方向图，根据主瓣信号的衰减情况，定量分析主瓣信号偏差余量。

如图1所示，其中ac代表发射天线和接收天线之间的连线，ab代表发射天线主瓣信号方向，θ_t代表发射信号的波束宽度，α代表发射天线主瓣信号方向偏离接收天线的角度。

2.在常规测控系统中，地面设备通过上行链路实现对测控目标的遥控/安控指令注入，同时测控目标通过下行链路实现遥测/数传数据发送。在本方法建立模型的过程中，只考虑发射天线主瓣和接收方在空间中的几何对齐情况以及测控目标天线波束宽度内波束角度与天线增益变化关系，其它情况默认为定值或理想值。

上行有效作用距离如公式(1)所示：

其中，R₁为上行有效作用距离，单位：km；P_t1为地面设备发射机功率，单位：dBW；G_t1为地面设备发射机增益，单位：dB；G_r2为测控目标接收机增益，单位：dBi；P_r2为测控目标接收机灵敏度，单位：dBW；L_c为馈线损耗，单位：dB；M为安全余量，单位：dB；f为信号频率，单位：MHz。

如前文所述，发射信号在不同方向的增益(强度)是不一样的，因此严格意义上，公式(1)表示发射信号主瓣完全对齐接收天线时的上行有效作用距离，默认地面设备的天线实时指向目标，故上行有效作用距离等效为天线增益最大时。

3.在下行有效作用距离计算中，考虑测控目标处于实时运动状态，因此目标天线的信号主瓣中心不可能实时对齐地面设备，因此需要考虑信号增益随波束角度变化的衰减情况，设定G_t2(α)为发射天线信号增益在不同角度的实际值。

天线方向图一般通过标定不同方向的信号增益得出，主瓣信号的增益一般明显高于旁瓣信号。对于不同定向天线，其旁瓣信号的方向和增益都没有明显的规律分布，所以在通信时一般只考虑主瓣信号。

其中主瓣信号增益值的分布近似呈对称弧形，可以通过插值，得到任意方向的信号增益值。

如图2所示，α_ml表示主瓣信号所覆盖的角度。将公式(1)和G_t2(α)结合，得到下行有效作用距离，如公式(2)所示：

其中，R₂为下行有效作用距离，单位：km；P_t2为测控目标发射机功率，单位：dBW；G_t2(α)为测控目标发射机增益，单位：dB；G_r1为地面设备接收机增益，单位：dBi；P_r1为地面设备接收机灵敏度，单位：dBW；L_c为馈线损耗，单位：dB；M为安全余量，单位：dB；f为信号频率，单位：MHz。其中，G_t2(α)可通过插值求得。

公式(2)可以达到两点效果：

(1)更加准确地反应两点之间的有效通信距离；

(2)已知通信距离时，可以更准确地得到发射天线的有效信号覆盖范围。

公式(2)还可变为：

其中，EIRP为测控目标发射天线等效全向辐射功率，单位：dBW；ΔG_t2(α)为测控目标发射天线增益最大值与当前波束角度对应天线增益差值，单位：dB。

4.求得上行有效作用距离R₁、下行有效作用距离R₂，比较其大小，最小值即为测控有效作用距离，即发射天线主瓣信号中心的作用距离R₀。实际情况中，由于受到目标发射机功率较小的影响，R₁一般大于R₂，因此默认R₂为实际有效作用距离。

在本方法中，仅考虑发射天线主瓣信号和接收天线的相对偏角，其它参数都默认为固定值，为简化运算，引入归一化方法。设定主瓣信号中心的作用距离为R₀，发射天线与接收天线之间的距离为R_α，通过消减重复变量，可以得到如下简化公式：

根据公式(4)，如果已知R₀、G_t2(α)和G_t2(0)，就可以得到主瓣任意方向的有效通信距离，明显减少了计算复杂度。

根据公式(5)，如果已知R_α、R₀和G_t2(0)，就能得到两点通信的最小信号增益G_min，而后比较G_t2(α)与G_min，如果G_t2(α)大于G_min，则两点之间就能进行通信。根据天线增益方向图，通过插值还能得到天线对齐夹角余量α_max。

本发明提出的一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，通过精确地评估两点在定向通信中的主瓣信号偏差余量，建立天线增益方向图仿真，根据主瓣信号的衰减情况，定量分析主瓣信号偏差余量，准确判断两点之间是否能有效通信。

附图说明

图1是信号传播示意图。

图2是信号增益方向示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

若A、B两点间需进行测控通信，其中A为地面测控站，站址坐标(X1，Y1，Z1)；B为定点浮空平台，站址坐标(X2，Y2，Z2)。利用GPS等定位手段测得A站址坐标为(221834m，4727940m，4252000m)，B站址坐标为(221834m，4727940m，4312000m)。则A、B两点之间的距离R_α为：

求得上行有效作用距离R₁、下行有效作用距离R₂，比较其大小，最小值即为测控有效作用距离，即发射天线主瓣信号中心的作用距离R₀。实际情况中，由于受到目标发射机功率较小的影响，R₁一般大于R₂，因此默认R₂为实际有效作用距离R₀。

已知P_t2为：0dBW；G_t2(0)为：22.56dB；G_r1为：15dBi；P_r1为：-71.82dBW；L_c为：3dB；M为：3dB；f为2280MHz。则实际有效作用距离R₀为：

R₀＝R₂＝10^{(0+22.56+1５-3-3+71.82-32.44-20lg(2280))}≈100(km)

定点浮空平台B的定向天线的信号增益变化如图2所示，信号波束宽度θ_t＝3.88°，θ∈[-1.94°，1.94°]；主瓣信号所覆盖的角度α_ml＝10.06°，α∈[-5.2°，4.86°]；发射天线主瓣信号中心的增益F_t2(0)＝22.56dB，在主瓣信号范围内，列举不同角度的信号增益值，由于主瓣信号为对称弧形，因此只需列举α≥0°时的增益值。通过查表插值，可以得出主瓣方向任意角度的信号增益值G_t2(α)，详见表1。

表1信号增益测量表

α/°	0	1.02	1.94	2.65	3.37	4.18	4.86
								Gt2(α)/dB	22.56	20.77	19.56	16.15	12.56	2.56	-7.95

已求得发射天线信号主瓣中心的距离(即最大通信距离)R₀＝100km，两点之间的距离R_α＝60km。

根据公式(5)，得到G_min＝18.12dB，表示只要G_t2(α)＞18.12dB时，两点(即发射天线与接收天线)之间就能进行通信。

通过查表插值，可得与18.12dB对应的天线对齐夹角余量α_max＝2.24°＞1.94°。如果仅以波束宽度判断，此时偏角已经超出角度范围，两点之间无法通信，而通过计算可知，若目标发生滚转，天线波束指向偏角超出波束范围，此时两点仍然可以进行有效通信，这显然与实际情况不符，通过本发明提出的方法可以更加准确地计算和判断两点间的测控通信情况。

上述实施例仅示例性说明本发明的方法步骤及其核心思想，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，其特征是该方法包括：

仿真建立天线增益方向图，根据主瓣信号的衰减情况，定量分析主瓣信号偏差余量；

建立仿真模型，计算得到地面设备与测控目标之间的上行有效作用距离、下行有效作用距离/>，并比较上行有效作用距离、下行有效作用距离，二者中的最小值即为发射天线主瓣信号中心的作用距离/>；

根据发射天线主瓣信号中心的作用距离、接收天线与发射天线之间的距离计算接收天线与发射天线进行通信的最小信号增益，该最小信号增益的计算公式为：

该公式中，为发射天线主瓣信号方向偏离接收天线的角度；/>为发射天线与接收天线之间的距离，单位：m；

比较发射天线主瓣信号在不同角度的增益值与最小信号增益/>，如/>大于/>，则处于相应角度的发射天线与接收天线能进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，其特征是上行有效作用距离的计算公式为：

该公式中，为地面设备发射机功率，单位：dBW；/>为地面设备发射机增益，单位：dB；为测控目标接收机增益，单位：dBi；/>为测控目标接收机灵敏度，单位：dBW；/>为馈线损耗，单位：dB；/>为安全余量，单位：dB；/>为信号频率，单位：MHz。

3.根据权利要求2所述的一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，其特征是下行有效作用距离的计算公式为：

该公式中，为测控目标发射机功率，单位：dBW；/>为测控目标发射机在不同角度的增益，单位：dB，通过查表插值求得；/>为发射天线主瓣信号方向偏离接收天线的角度；为地面设备接收机增益，单位：dBi；/>为地面设备接收机灵敏度，单位：dBW；/>为馈线损耗，单位：dB；/>为安全余量，单位：dB；/>为信号频率，单位：MHz。

4.根据权利要求2所述的一种基于主瓣偏角的有效通信距离分析方法，其特征是下行有效作用距离的计算公式为

（3）

该公式中，为测控目标发射天线等效全向辐射功率，单位：dBW；/>为测控目标发射天线增益最大值与当前波束角度对应天线增益差值，单位：dB；/>为发射天线主瓣信号方向偏离接收天线的角度；/>为地面设备接收机增益，单位：dBi；/>为地面设备接收机灵敏度，单位：dBW；/>为馈线损耗，单位：dB；/>为安全余量，单位：dB；/>为信号频率，单位：MHz。