CN117674952A - 星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质，涉及卫星通信和导航技术领域。星地传播混合信道模拟方法包括：场景与运动建模；通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；结合传播图模型渲染密集的多径分量细节；计算多频混合信道传递函数；计算信道冲激响应参数；星地多频信道实时模拟。本申请所提方法能够提高卫星星座多个频段多条链路的仿真能力，在不会大幅度增加计算量的条件下，提高射线跟踪确定性模型的细节丰富程度，在卫星通信、卫星导航星座信道建模仿真和系统性能评估中都具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及卫星通信和导航技术领域，具体而言，涉及一种星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
现代卫星通信和卫星导航系统大多拥有多个频段，从传播信道的角度，卫星信号在多个频段(率)下具有差异化的传播特性，导致多频传输会产生不同的传播效果。因此，为采用多频传输技术的系统，提供能够表征多频传播信道差异的信道模型就变得十分重要，而现有的一些星地传播信道模型缺乏卫星星座对多个频段多条链路的仿真能力。
现有技术对传播环境进行三维建模并用射线跟踪算法来计算星地传播信道，优点是允许环境的自由变化，并且提供满足空间一致的仿真场景。但是，由于计算复杂度高和缺乏详细的物理环境描述信息，并且射线跟踪算法依赖的传播环境描述往往比较简单，据此进行信道模拟提供的仿真真实性有限。因此，在不会大幅度增加计算量的条件下，提高射线跟踪确定性模型的细节丰富程度成为了迫切的需要。
在相关技术中，比如中国专利文献(CN112054857A)记载了一种用于星地通信的信道模拟器及信道模拟方法。该信道模拟器包括总控模块、信道系数生成模块、多个混合延时插值模块、乘法器和累加器，总控模块连接信道系数生成模块，用于向其发出第一控制信号；总控模块还与混合延时插值模块连接，用于向其发出第二控制信号；混合延时插值模块将初始信号序列复制成N路后分别同N条多径信道序列相乘，从而得到N个经过信道衰减后的信号序列；在N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器中，完成分数倍信号的插值，最后通过累加器实现多路多径信号的混叠。尽管其实现了针对大范围时延快速漂移情况下的动态无线信道的分数时延模拟，但是还缺乏卫星星座多个频段多条链路仿真能力。
由上可见，如何提高卫星星座多个频段多条链路的仿真能力，在不会大幅度增加计算量的条件下，提高射线跟踪确定性模型的细节丰富程度是本领域有待解决的问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质，能够提高卫星星座多个频段多条链路的仿真能力，在不会大幅度增加计算量的条件下，提高射线跟踪确定性模型的细节丰富程度。其具体方案如下：
根据本申请的一个方面，提供了一种星地传播混合信道模拟方法，包括以下步骤：
S1：场景与运动建模；
S2：通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；
S3：结合传播图模型渲染密集的多径分量细节；
S4：计算多频混合信道传递函数；
S5：计算信道冲激响应参数；
S6：星地多频信道实时模拟。
进一步的，所述步骤S1具体包含以下步骤：
S101：局部城市峡谷场景随机建模；
具体的，采用几何随机的方式建立一个以选定位置为中心的虚拟峡谷场景的三维模型；
S102：用户终端接收机运动建模；
其中，所述用户终端接收机被置于车辆或由行人手持，选定一个地理位置作为用户终端的出发点，获取车辆和行人的运动轨迹；
S103：卫星星座建模；
其中，通过卫星星座建模模拟卫星的无摄椭圆轨道运动，根据计算得到24小时内的卫星ECEF坐标，画出星座轨道运行轨迹。
进一步的，所述步骤S2中，给定所有卫星的位置和用户终端的位置，通过镜像法射线跟踪算法确定它们之间的可能路径，具体过程如下：对于每个时间历元，给定卫星位置s、用户终端天线a位置和生成的所有平面，对于其中给定一个平面上一点p及其法线pnorm，计算反射；
其中，天线位置的镜像点pm计算公式如下：
使用投影计算平面中的反射点的公式如下：
进一步的，所述步骤S3中，传播图包括顶点集合V与边集合E。顶点集合V表示为：
V＝VSTX∪VRX∪VSC
其中包含3个子集：卫星顶点集VSTX、终端顶点集VRX和散射顶点集VSC，顶点之间通过有方向的边e相连接，边集合E由4个子集组成：
E＝ETR∪ETS∪ESR∪ES
其中，ETR为卫星到终端边集，ETS为卫星到散射体边集，ESR为散射体到终端边集，ES为散射体到散射体边集；信号依据边的映射关系进行传播，一条边关联一个复CTF，用Ae(f)表示，卫星顶点向它的输出边广播信号，终端顶点将抵达它的输入边的信号相加，散射顶点既对输入边抵达的信号求知，又将散射信号发送到输出边上，则一般的传播图的CTF解析表达式如下：
HPG(f)＝D(f)+R(f)[I-B(f)]-1T(f)
式中，D(f)、T(f)、R(f)和B(f)分别对应ETR、ETS、ESR和ES的边CTF；
由于在射线跟踪模型中已经考虑了卫星到终端直射传播的计算，卫星到终端边集ETR对应的信道传递函数设置为D(f)＝0，则传播图的CTF解析变式为：
HPG(f)＝R(f)[I-B(f)]-1T(f)
根据传播图建模方法来建模单跳散射和双跳散射，CTF解析式如下：
HPG(f)＝R(f)T(f)+R(f)B(f)T(f)
其中，R(f)T(f)为单次散射分量，R(f)B(f)T(f)为双跳散射部分。
进一步的，所述步骤S3具体包含以下步骤：
S301：获取主反射路径参数；
以所述步骤S2识别的主反射路径为基础，所述主反射路径参数包括：反射点的三维位置坐标、反射点对应的建筑物墙面或道路面几何参数、反射点对应的建筑物前面或道路面材料参数；
S302：添加散射顶点；
由卫星星座建模获取顶点集VSTX中顶点的位置坐标，由终端和运动建模获取顶点集VRX中顶点的位置坐标，添加散射顶点到顶点集VSC中，所述散射顶点以步骤S301获取的主反射路径参数为基础，以几何随机的方式放置在主反射点所在的平面上；
S303：建立传播边集合；
建立传播边集合ETR、ETS、ESR和ES，即确定信号的传播路径；
S304：计算边传递函数；
计算传播边集合ETS、ESR和ES中元素的边传递函数，定义边e对应的复信道传递函数为
式中，τe为传播延迟，为在区间[0,2π)均匀分布的随机相位；ae(f)为边e的增益，ae(f)取值如下：
其中odi(e)表示边e的初始顶点的出边数。对于任意边集E′∈E定义，其中||符号表示集合基数。对于任意边集E′∈E定义/>，假设散射体间增益值为固定值ae(f)＝a,e∈ES，根据边e属于哪一类边集合，用不同的算式计算边增益ae(f)，最后将传播边集合ETS、ESR和ES中元素的每个边传递函数Ae(f)代入所述CTF解析变式，或者代入单跳散射和双跳散射的CTF解析式即可得到整个传播信道的传递函数。
进一步的，在所述步骤S302中，每一个仿真历元，所述几何随机的方式添加散射顶点的具体过程如下：
运行射线跟踪模型计算得到K个主反射分量，这些分量分别对应各自的卫星；
以K个反射点位置为中心，建立半径为rC的圆盘形几何随机簇；
设置散射顶点以密度ρSC均匀分布于几何随机簇中，K个几何随机簇对应K个散射顶点子集
将添加的散射顶点与主反射顶点子集合并起来形成散射顶点集，表示为
圆盘形几何随机簇位于城市建筑物墙面或道路路面表面，密度参数ρSC可根据实验研究进行调整。
进一步的，所述步骤S4结合步骤S2所述的简化射线跟踪算法和步骤S3所述的传播图模型，将二者在频域上进行混合，得到混合信道传递函数HHCM(f)表示为
HHCM(f)＝HRT,0:1(f)+HPG(f)
其中，射线跟踪模型的CTF为HRT,0:1(f)，其中包含直射路径和一阶镜面反射路径；传播图模型的CTF为HPG(f)，对应于城市建筑的墙面以及道路的随机漫散射，包括高阶相互作用，但不包括直射路径和一阶镜面反射路径；
多频信道传递函数HHCM(f)计算方法如下：假设需要计算的第1个频段的频率范围是[f1,min,f1,max]，该频段的信道传递函数H1,HCM(f)可用M个采样表示，其中第m个离散值为：
H1,HCM[m]＝HHCM(f1,min+mΔf),m＝0,1,...,M-1
式中，
第n个频段的CTF采样函数计算方式与第1个频段的CTF采用那该函数计算方式相同。
进一步的，所述步骤S5中，信道传递函数与信道冲激响应函数互为傅立叶变换对，将多频混合信道传递函数H1,HCM(f),H2,HCM(f),H3,HCM(f)……做快速傅立叶逆变换，即可得到对应的信道冲激响应函数h1(τ),h2(τ),h3(τ)……，提取信道冲激响应参数用于星地多频信道的实时仿真；
混合模型的输出是多个可见卫星传播到终端接收机的信道冲激响应参数，而且传播图模型能够在多个频段计算CTF，可得到卫星多频信道冲激响应参数。
进一步的，所述步骤S6具体包含以下步骤：
S601：从所述步骤S1中的卫星星座建模输出可见卫星信息到卫星信号模拟源；
S602：卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号；
S603：可见卫星信号与所述步骤S5得到的信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号；
S604：所述多频信号作为接收终端的测试输入信号，实现星地多频信道的实时模拟。
进一步的，所述步骤S6中，所述可见卫星信息包括可见卫星的数量，以及每个可见卫星的编号、信号频段及数量、移动速度、轨道参数；所述可见卫星信号为当前时刻场景下NT个可见卫星信号，NT由每个可见卫星包含的信号频段数量相加得到；所述接收终端数量为NR。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种星地传播混合信道模拟装置，包括：场景与运动建模模块，用于进行局部城市峡谷场景随机建模、用户终端接收机运动建模以及卫星星座建模；
主反射路径识别模块，通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；
多径分量结合模块，用于计算直射和反射路径的参数，添加散射点并建立传播边集，计算出边传递函数；
多频混合信道传递函数计算模块，用于结合所述简化的射线跟踪算法和所述传播图模型，将二者在频域上进行混合，获得混合信道传递函数；
信道冲激响应参数计算模块，用于生成与多频信道传递函数相应的信道冲激响应；
星地多频道实时模拟模块，从所述卫星星座建模输出可见卫星信息得到卫星信号模拟源卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号，可见卫星信号与所述信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号，所述多频信号作为接收终端的测试输入信号。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器；存储装置，其上存储有一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述处理器实现如上述发明所述的方法。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方面所述的方法。
本申请有益之处：首先，本方法不将多个频点的卫星信号共用一个传播模型，而是分别计算其在不同频段上的信道传递函数，可准确表征卫星信号在多频上的区别信道特性。
其次，本方法将射线跟踪模型结合传播图模型形成的混合模型，可在城市峡谷等复杂场景中，高效可重复地仿真星地多频传播信道条件下密集多径。
此外，本申请考虑到作为发射机的多颗卫星和作为接收机的用户终端，在统一的时间基准下，由各自的运动模型控制坐标更新。而射线跟踪算法依赖三维环境模型和位置坐标来搜寻确定性的主反射路径。因此，源、环境和端相互之间保持内在的空间一致性，使得信道建模的结果在确定性的部分具有较好的空间一致性信道特征。
本申请所提方法在卫星通信、卫星导航星座信道建模仿真和系统性能评估中都具有很高的应用价值，尤其有助于开发先进的卫星通信、卫星导航抗多径或多径抑制算法；本申请所提方法能够体现星地传播信道的关键信道特性，能够以较小的计算代价准确建模仿真星地多频传播信道，可以为未来空天地一体化系统设计、性能评估提供理论和技术支撑。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其他特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请一种实施例的星地传播混合信道模拟方法的流程图；
图2是根据本申请一种实施例的场景与运动建模的具体步骤流程图；
图3是根据本申请一种实施例的以十字交叉路口为中心的虚拟城市峡谷场景示例的偏西南方向俯视图；
图4是根据本申请一种实施例的以十字交叉路口为中心的虚拟城市峡谷场景示例正南方向视角图；
图5是根据本申请一种实施例的三幅路横断面形式示意图；
图6是根据本申请一种实施例的车辆和行人用户终端位置排布示意图；
图7是根据本申请一种实施例的车辆和行人用户终端仿真运动轨迹示意的全局视图；
图8是根据本申请一种实施例的车辆和行人用户终端仿真运动轨迹示意的沿x轴放大视图；
图9是根据本申请一种实施例的GPS系统的星座轨道运行轨迹图；
图10是根据本申请一种实施例的伽利略系统的星座轨道运行轨迹图；
图11是根据本申请一种实施例的北斗系统的星座轨道运行轨迹图；
图12是根据本申请一种实施例的传播图模型的示意图；
图13是根据本申请一种实施例的结合传播图模型渲染密集的多径分量细节的具体步骤流程图；
图14是根据本申请一种实施例的星地多频信道实时模拟的具体步骤流程图；
图15是根据本申请一种实施例的虚拟城市峡谷场景中的北斗卫星星座传播可见性关于车辆配置的三维示意图；
图16是根据本申请一种实施例的虚拟城市峡谷场景中的北斗卫星星座传播可见性关于行人配置的三维示意图；
图17是根据本申请一种实施例的车辆配置和行人配置随着移动距离变化的主反射路径的数量变化图；
图18是根据本申请一种实施例的仅射线跟踪模型在北斗卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图19是根据本申请一种实施例的射线跟踪几何随机单跳散射模型在北斗卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图20是根据本申请一种实施例的PG混合模型在北斗卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图21是根据本申请一种实施例的仅射线跟踪模型在GPS卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图22是根据本申请一种实施例的射线跟踪几何随机单跳散射模型在GPS卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图23是根据本申请一种实施例的PG混合模型在GPS卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图24是根据本申请一种实施例的仅射线跟踪模型在伽利略卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图25是根据本申请一种实施例的射线跟踪几何随机单跳散射模型在伽利略卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图26是根据本申请一种实施例的射线模型和PG混合模型在伽利略卫星系统下沿着接收机移动轨迹得到的时变PDP谱图；
图27是根据本申请一种实施例的电子设备的结构示意图。
图中附图标记的含义：
800、电子设备；801、处理装置；802、ROM；803、RAM；804、总线；805、I/O接口；806、输入装置；807、输出装置；808、存储装置；809、通信装置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本申请实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
本申请面向星地多频传播信道，提供了一种星地传播混合信道模拟方法，以下简称为混合信道模拟方法，结合了射线跟踪算法与传播图两种信道建模方法的优势，可用于高效评估星地多频信道传播特性。具体来说，首先采用射线跟踪方法进行确定性建模，进一步融入传播图方法捕获额外的密集散射多径簇，形成混合的建模方法可得到计算效率高且具备空间一致性的多频信道冲激响应。并产生经模型变形加扰的信号，作为卫星接收机的输入，形成一种新型的卫星系统测试评估方法和表征多频传播信道差异的信道模型。
参见图1，显示了星地传播混合信道模拟方法的流程、组成结构和相互关系，从总体上描述了传播建模机制和混合信道模拟的基本要素。所述方法包括以下步骤：
S1：场景与运动建模
参见图2，所述步骤S1具体步骤包括：
S101：局部城市峡谷场景随机建模
参见图3和图4，显示了以几何随机的方式建立局部城市峡谷场景的三维模型。
具体来说，建立了一个以十字交叉路口为中心的虚拟城市峡谷场景。该场景包括东西和南北方向两条城市峡谷，道路长度为1030m，宽度设置为30m，建筑物建模为长方体，假设建筑物高度符合莱斯分布，即
对于x>0具有非中心参数s≥0和扩展参数σ>0，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数。
如果x具有参数s和σ的莱斯分布，那么正值莱斯分布平均值为
其中，L1/2是次的Laguerre多项式。这一平均值略高于非中心参数。因此，非中心参数可以解释为接近城市地区平均建筑高度的变量。在后续的仿真实例中，将高度相关的非中心参数设为s＝20m，扩展参数σ＝5m，可以方便地通过设置建筑物的高度的均值和方差来模拟不同类型的城市峡谷。直观地推论，真实城市建筑的高度均值和方差并没有典型或标准的值，根据特定的片区样本形成统计值就可认为是合理的。
参考CJJ37-2012《城市道路工程设计规范》中的道路横断面组成及宽度一般规定，据此确定仿真模型中城市道路的宽度和布置。图5为三幅路横断面形式示意图，包含人行道、绿化带和设施带的路侧带的宽度取为5m，非机动车道宽度取3m，机动车道宽度取7m。因此，在本申请的场景模型中，道路总宽度设置为30m。
此外，还有一种常见的获取三维地图的途径是从开放式街道地图(open streetmap)获取具有开源众包特点的城市地理数据。该种途径的优点是接近真实的应用环境，缺点是无法推广到新的环境，不能灵活地调整几何参数。上述两种途径都可应用于射线跟踪模型计算，本申请基于灵活性的考虑选用几何随机的方式。
S102：用户终端接收机运动建模
参见图6，用户终端被置于车辆或由行人手持。当用户终端被置于车辆时，接收天线位于车顶，天线高度为1.55m，车辆以5m/s的速度匀速直线运动，称之为车辆配置；当由行人手持时，用户终端的高度为1.2m，运动速度为1.2m/s，称之为行人配置。
例如，使用北纬28.2166°，东经112.9864°的地理位置作为用户终端的出发点。如图7所示，车辆行驶在道路右侧的机动车道上，设置车辆由南向北行驶1 030m。同时设置行人由南向北在路侧带的人行道中心线上步行相同的距离。
车辆和行人的轨迹的全局视图见图7，沿x轴放大的视图见图8。
S103：卫星星座建模
卫星星座建模目的是模拟卫星的无摄椭圆轨道运动。即用包含6个参数的开普勒轨道根数(Keplerian elements)来确定GNSS星座的卫星在地心地固(Earth-Centered&Earth-Fixed，ECEF)参考系中的位置坐标。在每个历元时间，都产生了所有卫星的位置坐标，以及卫星的仰角和方位角。本申请所述卫星星座模型可以加载多个种类的卫星星座进行分析。
根据计算得到24小时内的卫星的ECEF坐标，画出GPS系统、伽利略系统和北斗系统的星座轨道运行轨迹如图9、图10和图11所示。其中，北斗星座的包含轨道参数的卫星历书，可在网址：www.csno-tarc.cn/system/almanac获得。GPS卫星星座和伽利略卫星星座的包含轨道参数的卫星历书也可以通过公开的渠道获得。
可选的，对特定通信、导航或其它用途的卫星系统，可以获得其卫星星座的轨道参数，从而使用本申请所述步骤建模卫星星座及其轨道运动。
总之，所述步骤S1按照“源——场景——端”的信号传播关系概括了卫星星座建模、局部城市峡谷场景随机建模和终端接收机运动建模。场景与运动建模的实施例建立了混合信道模拟所依赖的场景和运动模型，根据信号传播所需要素建立了虚拟城市峡谷场景模型、终端接收机运动模型和时空基准模型。为信道建模提供了尽可能接近真实和兼具灵活性的基础环境。
S2：通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径
注意到，单独采用射线跟踪模型存在一些不足：由于缺乏详细的几何信息支持，建筑简化为光滑的墙壁，因此忽略了墙面的几何细节和材料差异；除此以外，传播路径的数量通常受到较高计算代价的限制，而不得不做出简化。因此，与真实值相比，这可能导致射线跟踪模型产生的多径信道过于稀疏。
给定所有卫星的位置和用户终端的位置，通过镜像法射线跟踪算法确定它们之间的可能路径(直接或反射)。采用镜像法计算反射点的具体过程如下：对于每个时间历元，给定卫星位置s、用户终端天线a位置和生成的所有平面，对于其中给定一个平面上一点p及其法线pnorm，计算反射。
首先，计算天线位置的镜像点pm
其次，使用投影计算平面中的反射点：
射线跟踪算法的几何和电磁参数通常与所考虑的局部环境信息相关。本申请考虑所述的局部城市峡谷场景，并认为所有建筑物墙面材料都是混凝土，道路路面材料是干燥地面。
总之，所述步骤S2将射线跟踪算法限制为仅考虑镜面主反射多径，获得信道确定性主要部分的信道传递函数(Channel Transfer Function,CTF)，其主要作用就是通过简化的射线跟踪算法识别每颗可见卫星的主反射路径。
S3：结合传播图模型渲染密集的多径分量细节
传播图(Propagation Graph,PG)是一种频率选择性、空间一致性的信道模型，适用于散射环境中的快速信道模拟。其图的递归结构可以高效模拟包括多次反射、漫反射在内的传播效应。
在所述步骤S2的基础上，本申请提出结合传播图模型，形成新的混合模型。所述步骤S3引入了传播图模型，负责生成粗糙表面散射形成密集多径的信道传递函数。
传播图用直观的图论来建模混响无线信道，传播图的概念可用来描述广泛类型的信道模型。在传播图理论中，将传播信道环境中的要素抽象为图论中有向图的顶点和边。顶点的概念用来代表发射机、接收机和散射体，顶点之间用有方向的边连接。边用来模拟电波传播的路径。
如图12所示，传播图包括顶点集合V与边集合E。顶点集合V表示为
V＝VSTX∪VRX∪VSC (5)
其中包含3个子集：卫星顶点集VSTX、终端顶点集VRX和散射顶点集VSC。顶点之间用有方向的边e相连接。边集合E由4个子集组成：
E＝ETR∪ETS∪ESR∪ES (6)
其中，ETR为卫星到终端边集，ETS为卫星到散射体边集，ESR为散射体到终端边集，ES为散射体到散射体边集。信号依据边的映射关系进行传播，一条边关联一个复CTF，用Ae(f)表示。总之，卫星顶点向它的输出边广播信号，终端顶点将抵达它的输入边的信号相加，散射顶点既要对输入边抵达的信号求知，又要将散射信号发送到输出边上。
一般的传播图的CTF解析表达式如下：
HPG(f)＝D(f)+R(f)[I-B(f)]-1T(f) (7)
式中，D(f)、T(f)、R(f)和B(f)分别对应ETR、ETS、ESR和ES的边CTF。需要注意的是，在射线跟踪模型中已经考虑了卫星到终端直射传播的计算，在本申请所考虑的示例中，卫星到终端边集ETR对应的信道传递函数设置为D(f)＝0。因此，式(7)变为
HPG(f)＝R(f)[I-B(f)]-1T(f) (8)
由于经典传播图模型中所考虑的室内混响引起的漫散射尾现象在室外场景中并不显著，因此简化散射作用的阶数是合适的。作为一种优选的实施例，本申请根据传播图建模方法来建模单跳散射和双跳散射，其CTF如下
HPG(f)＝R(f)T(f)+R(f)B(f)T(f) (9)
其中R(f)T(f)为单次散射分量，R(f)B(f)T(f)为双跳散射部分。
参见图13，具体而言，所述步骤S3依次完成获取主反射路径参数、添加散射顶点、建立传播边集合、计算边传递函数等具体步骤如下：
S301：获取主反射路径参数
在所述步骤S2识别的主反射路径为基础，所述主反射路径参数包括：反射点的三维位置坐标、反射点对应的建筑物墙面或道路面几何参数、反射点对应的建筑物前面或道路面材料参数等。
S302：添加散射顶点
建立传播图的首先需要获取顶点集VSTX、VRX和VSC中顶点的位置坐标。具体过程如下：
●获取顶点集VSTX中顶点的位置坐标，该坐标由卫星星座建模确定，也就是当前历元可见的卫星的坐标；
●获取顶点集VRX中顶点的位置坐标，该坐标由终端和运动建模确定，是地面终端的坐标；
·添加散射顶点到顶点集VSC中，所述散射顶点以步骤S301获取的主反射路径参数为基础，以几何随机的方式放置在主反射点所在的平面上。
每一个仿真历元，所述几何随机的方式添加散射顶点的具体过程如下：
·运行射线跟踪模型计算得到K个主反射分量，这些分量分别对应各自的卫星；
·以K个反射点位置为中心，建立半径为rC的圆盘形几何随机簇；
·设置散射顶点以密度ρSC均匀分布于几何随机簇中，K个几何随机簇对应K个散射顶点子集
·将添加的散射顶点与主反射顶点子集合并起来形成散射顶点集，表示为
/>
·圆盘形几何随机簇位于城市建筑物墙面或道路路面表面，密度参数ρSC可根据实验研究进行调整。
S303：建立传播边集合
建立传播边集合ETR、ETS、ESR和ES，实质上就是确定信号的传播路径。边集ETR对应于直射路径，而卫星和用户终端之间的直射路径是否存在取决于步骤S2的遮挡计算结果。
另外，主反射点也由步骤S2的计算结果给出，在主反射点周围随机添加散射顶点之后，以顶点集VSTX中的卫星为起始顶点，连接到该顶点对应的主反射点和关联的随机散射顶点，形成边集ETS；从主反射点和关联的随机散射顶点出发，连接终端顶点集VRX，建立边集ESR。
S304：计算边传递函数
计算传播边集合ETS、ESR和ES中元素的边传递函数。定义边e对应的复信道传递函数为
式中，τe为传播延迟，为在区间[0,2π)均匀分布的随机相位；ae(f)为边e的增益，ae(f)取值如下：
其中odi(e)表示边e的初始顶点的出边数。对于任意边集E′∈E定义
其中| |符号表示集合基数。对于任意边集E′∈E定义
为简单起见，假设散射体间增益值为固定值ae(f)＝a,e∈ES。以上根据边e属于哪一类边集合，用不同的算式计算边增益ae(f)。
最后将传播边集合ETS、ESR和ES中元素的每个边传递函数Ae(f)代入式(8)或(9)即可得到整个传播信道的传递函数。
S4：计算多频混合信道传递函数
步骤S4结合步骤S2所述的简化射线跟踪算法和步骤S3所述的传播图模型，将二者在频域上进行混合，得到混合信道传递函数HHCM(f)表示为
HHCM(f)＝HRT,0:1(f)+HPG(f) (14)
其中，射线跟踪模型的CTF为HRT,0:1(f)，其中包含直射路径和一阶镜面反射路径；传播图模型的CTF为HPG(f)，对应于城市建筑的墙面以及道路的随机漫散射，包括高阶相互作用，但不包括直射路径和一阶镜面反射路径。
进一步的，多频信道传递函数HHCM(f)按照以下方法进行计算。假设需要计算的第1个频段的频率范围是[f1,min,f1,max]，该频段的信道传递函数H1,HCM(f)可用M个采样表示，其中第m个离散值为
H1,HCM[m]＝HHCM(f1,min+mΔf),m＝0,1,...,M-1 (15)
式中
按照以上方式计算频率范围是[f2,min,f2,max]的第2个频段的CTF采样函数H2,HCM(f)，以此类推。
S5：计算信道冲激响应参数
所述步骤S5生成与多频信道传递函数相应的信道冲激响应。
因为信道传递函数与信道冲激响应函数互为傅立叶变换对，将多频混合信道传递函数H1,HCM(f),H2,HCM(f),H3,HCM(f)……做快速傅立叶逆变换，就可得到对应的信道冲激响应函数h1(τ),h2(τ),h3(τ)……，提取信道冲激响应参数用于星地多频信道的实时仿真。
混合模型的输出是多个可见卫星传播到终端接收机的信道冲激响应参数，而且传播图模型可以在多个频段计算CTF，由此可得到卫星多频信道冲激响应参数，
S6：星地多频信道实时模拟；
参见图14，所述步骤S6的具体步骤如下：
S601：从所述步骤S1中的卫星星座建模输出可见卫星信息到卫星信号模拟源；
S602：卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号；
S603：可见卫星信号与所述步骤S5得到的信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号；
S604：所述多频信号作为接收终端的测试输入信号。
其中，所述可见卫星信息包括可见卫星的数量，以及每个可见卫星的编号、信号频段及数量、移动速度、轨道参数等；所述可见卫星信号为当前时刻场景下NT个可见卫星信号，NT由每个可见卫星包含的信号频段数量相加得到；所述接收终端数量为NR。
下面给出用本申请方法所得到的信道仿真结果对本申请的技术效果作进一步的描述。
分别在北斗、GPS和伽利略三大卫星系统下进行了仿真。选择其中代表性的卫星传播到沿图7和图8所示轨迹运动车辆的时变功率延迟谱(Power Delay Profile,PDP)图。
PDP将作为主要的信道仿真结果呈现方式。其中，单一的射线跟踪模型和射线跟踪几何随机单跳散射模型的PDP会作为对比结果一同给出。
(1)北斗卫星系统
考虑到现实环境具有海量细节，所建模的场景并不致力于建立非常复杂的环境模型，而是做了许多简化表征。考虑了卫星轨道、城市峡谷和运动终端三个重要因素，目的是为了验证混合建模和多频传播的概念。
图15和图16示出了虚拟城市峡谷场景中的北斗星座传播可见性三维示意图，其中图15是车辆配置时从起点运动150m处射线跟踪模型得到的仿真结果；图16是行人配置时相同位置的仿真结果。对比二者的卫星可见性情况，位于靠近道路中心的车辆配置可以接收到的卫星较多。需要说明的是，仿真结果有一定程度的简化。它并不代表汽车或行人在城市峡谷中运动时发生的所有反射，缺乏对不同反射之间的动力学和过渡的特别表示。射线跟踪模型计算也仅限于一次反射。
图17示出了随着移动距离变化的车辆和行人配置的主反射路径的数量的比较图。从中看出在大部分时间，行人配置接收到的反射信号比车辆配置要多。以上图示的仿真结果是在考虑整个星座时，仅使用射线跟踪模型得到的部分结果。
下面介绍对虚拟城市峡谷场景中，终端接收机运动过程的单个卫星的信道进行建模仿真的结果。所仿真的对象是PRN-26卫星。在仿真频率响应上获得的时变PDP。图18至图20是车辆沿着图7和图8所示轨迹的时PDP谱图。可以清楚地观察到图18中由单一确定性射线跟踪模型(仅射线跟踪模型)展现的多径是“稀疏的”，因为环境细节单调而导致密集多径的缺乏。图19显示了仅在主反射点周围放置单次弹射簇的射线跟踪几何随机单跳散射模型，由于引入了额外的单级相互作用，显示出PDP谱细节程度的轻微改善。图20示出了本文所提出的混合模型的PDP谱，显然可以看到更加明确而丰富的密集多径。结果表明，该模型能够考虑密集多径及其对PDP谱的影响。采用本模型进行多频信道仿真，既能避免繁重的实测，又能有效反映从稀疏到密集的不同程度的多径信道特性。
(2)GPS卫星系统
上文已在北斗系统下呈现了比较详细的信道仿真结果。下面使用GPS卫星系统进行类似的仿真。需要说明的是，所生成的虚拟城市峡谷场景使用相同的算法，但由于城市建筑物每次仿真是随机生成的，建筑物与北斗卫星系统的仿真并不一致，而终端接收机运动轨迹是一样的。所仿真的发射机对象是GPS PRN-05卫星。图21至图23是车辆沿着图7和图8所示轨迹的PDP谱图。比较图21～23与图18～20中对应的PDP谱，显示出类似的结果。
(3)伽利略卫星系统
下面在伽利略卫星系统下进行类似的仿真。所仿真的发射机对象是伽利略卫星系统的PRN-25卫星，在运动轨迹上获得的时变PDP谱图。图24至图26是车辆沿着相同的轨迹的PDP图。将图24～26与图18～20和图21～23中对应的PDP谱对比，有类似的结果。区别之处在于，在图24～26中有几个显示为竖状白色条形的空缺。这些空缺意味着在这些时刻无法生成信道冲激响应，这是因为该卫星的LOS传播路径在这段时间或距离上被建筑物遮挡。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述方法的星地传播混合信道模拟装置，该装置包括：
场景与运动建模模块，用于进行局部城市峡谷场景随机建模、用户终端接收机运动建模以及卫星星座建模；
主反射路径识别模块，通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；
多径分量结合模块，用于计算直射和反射路径的参数，添加散射点并建立传播边集，计算出边传递函数；
多频混合信道传递函数计算模块，用于结合所述简化的射线跟踪算法和所述传播图模型，将二者在频域上进行混合，获得混合信道传递函数；
信道冲激响应参数计算模块，用于生成与多频信道传递函数相应的信道冲激响应；
星地多频道实时模拟模块，从所述卫星星座建模输出可见卫星信息得到卫星信号模拟源卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号，可见卫星信号与所述信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号，所述多频信号作为接收终端的测试输入信号。
具体的，本申请实施例的装置中各模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
参照图27所示，电子设备800可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)802中的程序或者从存储装置808加载到随机访问存储器(RAM)803中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM803中，还存储有电子设备800操作所需的各种程序和数据。处理装置801、ROM802以及RAM803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接至总线804。
通常，以下装置可以连接至I/O接口805：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置806：包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置807；包括例如磁带、硬盘等的存储装置808：以及通信装置809。通信装置809可以允许电子设备800与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。
虽然图27示出了具有各种装置的电子设备800，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
图27中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。
特别地，根据本申请的一些实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的一些实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的一些实施例中，该计算机程序可以通过通信装置809从网络上被下载和安装，或者从存储装置808被安装，或者从ROM802被安装。在该计算机程序被处理装置801执行时，执行本申请的一些实施例的方法中限定的上述功能。
特别地，根据本申请的一些实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的一些实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的一些实施例中，该计算机程序可以通过通信装置809从网络上被下载和安装，或者从存储装置808被安装，或者从ROM802被安装。在该计算机程序被处理装置801执行时，执行本申请的一些实施例的方法中限定的上述功能。
需要说明的是，本申请的一些实施例上述的计算机存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件，或者上述的任意合适的组合。
在本申请的一些实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请的一些实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机存储介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
在一些实施方式中，客户端、服务器可以利用诸如HTTP(Hyper Text TransferProtocol，超文本传输协议)之类的任何当前已知或未来研发的网络协议进行通信，并且可以与任意形式或介质的数字数据通信(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)，广域网(“WAN”)，网际网(例如，互联网)以及端对端网络(例如，ad hoc端对端网络)，以及任何当前已知或未来研发的网络。
上述计算机存储介质可以是上述电子设备中所包含的：也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备实现图1所示的步骤S1～S6。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的一些实施例的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言―诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言：诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，该模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。
例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框，以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请的一些实施例中的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元也可以设置在处理器中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。
以上描述仅为本申请的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。例如上述特征与本申请的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (13)
1.一种星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：场景与运动建模；
S2：通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；
S3：结合传播图模型渲染密集的多径分量细节；
S4：计算多频混合信道传递函数；
S5：计算信道冲激响应参数；
S6：实现星地多频信道的实时模拟。
2.根据权利要求1所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S1具体包含以下步骤：
S101：局部城市峡谷场景随机建模；
具体的，采用几何随机的方式建立一个以选定位置为中心的虚拟峡谷场景的三维模型；
S102：用户终端接收机运动建模；
其中，所述用户终端接收机被置于车辆或由行人手持，选定一个地理位置作为用户终端的出发点，获取车辆和行人的运动轨迹；
S103：卫星星座建模；
具体的，通过卫星星座建模模拟卫星的无摄椭圆轨道运动，根据计算得到24小时内的卫星ECEF坐标，画出星座轨道运行轨迹。
3.根据权利要求2所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中，给定所有卫星的位置和用户终端的位置，通过镜像法射线跟踪算法确定它们之间的可能路径，具体过程如下：对于每个时间历元，给定卫星位置s、用户终端天线a位置和生成的所有平面，对于其中给定一个平面上一点p及其法线pnorm，计算反射；
其中，天线位置的镜像点pm计算公式如下：
使用投影计算平面中的反射点的公式如下：
4.根据权利要求3所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：
所述步骤S3中，传播图包括顶点集合V与边集合E。顶点集合V表示为：
V＝VSTX∪VRX∪VSC
其中包含3个子集：卫星顶点集VSTX、终端顶点集VRX和散射顶点集VSC，顶点之间通过有方向的边e相连接，边集合E由4个子集组成：
E＝ETR∪ETS∪ESR∪ES
其中，ETR为卫星到终端边集，ETS为卫星到散射体边集，ESR为散射体到终端边集，ES为散射体到散射体边集；信号依据边的映射关系进行传播，一条边关联一个复CTF，用Ae(f)表示，卫星顶点向它的输出边广播信号，终端顶点将抵达它的输入边的信号相加，散射顶点既对输入边抵达的信号求知，又将散射信号发送到输出边上，则一般的传播图的CTF解析表达式如下：
HPG(f)＝D(f)+R(f)[I-B(f)]-1T(f)
式中，D(f)、T(f)、R(f)和B(f)分别对应ETR、ETS、ESR和ES的边CTF；
由于在射线跟踪模型中已经考虑了卫星到终端直射传播的计算，卫星到终端边集ETR对应的信道传递函数设置为D(f)＝0，则传播图的CTF解析变式为：
HPG(f)＝R(f)[I-B(f)]-1T(f)
根据传播图建模方法来建模单跳散射和双跳散射，CTF解析式如下：
HPG(f)＝R(f)T(f)+R(f)B(f)T(f)
其中，R(f)T(f)为单次散射分量，R(f)B(f)T(f)为双跳散射部分。
5.根据权利要求4所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S3具体包含以下步骤：
S301：获取主反射路径参数；
以所述步骤S2识别的主反射路径为基础，所述主反射路径参数包括：反射点的三维位置坐标、反射点对应的建筑物墙面或道路面几何参数、反射点对应的建筑物前面或道路面材料参数；
S302：添加散射顶点；
由卫星星座建模获取顶点集VSTX中顶点的位置坐标，由终端和运动建模获取顶点集VRX中顶点的位置坐标，添加散射顶点到顶点集VSC中，所述散射顶点以步骤S301获取的主反射路径参数为基础，以几何随机的方式放置在主反射点所在的平面上；
S303：建立传播边集合；
建立传播边集合ETR、ETS、ESR和ES，即确定信号的传播路径；
S304：计算边传递函数；
计算传播边集合ETS、ESR和ES中元素的边传递函数，定义边e对应的复信道传递函数为
式中，τe为传播延迟，为在区间[0,2π)均匀分布的随机相位；ae(f)为边e的增益，ae(f)取值如下：/>其中odi(e)表示边e的初始顶点的出边数。对于任意边集E′∈E定义
其中||符号表示集合基数。对于任意边集E′∈E定义/>假设散射体间增益值为固定值ae(f)＝a,e∈ES，根据边e属于哪一类边集合，用不同的算式计算边增益ae(f)，最后将传播边集合ETS、ESR和ES中元素的每个边传递函数Ae(f)代入所述CTF解析变式，或者代入单跳散射和双跳散射的CTF解析式即可得到整个传播信道的传递函数。
6.根据权利要求5所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：在所述步骤S302中，每一个仿真历元，所述几何随机的方式添加散射顶点的具体过程如下：
运行射线跟踪模型计算得到K个主反射分量，这些分量分别对应各自的卫星；
以K个反射点位置为中心，建立半径为rC的圆盘形几何随机簇；
设置散射顶点以密度ρSC均匀分布于几何随机簇中，K个几何随机簇对应K个散射顶点子集
将添加的散射顶点与主反射顶点子集合并起来形成散射顶点集，表示为
圆盘形几何随机簇位于城市建筑物墙面或道路路面表面，密度参数ρSC可根据实验研究进行调整。
7.根据权利要求6所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S4结合步骤S2所述的简化射线跟踪算法和步骤S3所述的传播图模型，将二者在频域上进行混合，得到混合信道传递函数HHCM(f)表示为
HHCM(f)＝HRT,0:1(f)+HPG(f)
其中，射线跟踪模型的CTF为HRT,0:1(f)，其中包含直射路径和一阶镜面反射路径；传播图模型的CTF为HPG(f)，对应于城市建筑的墙面以及道路的随机漫散射，包括高阶相互作用，但不包括直射路径和一阶镜面反射路径；
多频信道传递函数HHCM(f)计算方法如下：假设需要计算的第1个频段的频率范围是[f1,min,f1,max]，该频段的信道传递函数H1,HCM(f)可用M个采样表示，其中第m个离散值为：
H1,HCM[m]＝HHCM(f1,min+mΔf),m＝0,1,...,M-1
式中，
第n个频段的CTF采样函数计算方式与第1个频段的CTF采用那该函数计算方式相同。
8.根据权利要求7所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S5中，信道传递函数与信道冲激响应函数互为傅立叶变换对，将多频混合信道传递函数H1,HCM(f),H2,HCM(f),H3,HCM(f)……做快速傅立叶逆变换，即可得到对应的信道冲激响应函数h1(τ),h2(τ),h3(τ)……，提取信道冲激响应参数用于星地多频信道的实时仿真；
混合模型的输出是多个可见卫星传播到终端接收机的信道冲激响应参数，而且传播图模型能够在多个频段计算CTF，可得到卫星多频信道冲激响应参数。
9.根据权利要求8所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S6具体包含以下步骤：
S601：从所述步骤S1中的卫星星座建模输出可见卫星信息到卫星信号模拟源；
S602：卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号；
S603：可见卫星信号与所述步骤S5得到的信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号；
S604：所述多频信号作为接收终端的测试输入信号，实现星地多频信道的实时模拟。
10.根据权利要求9所述的星地传播混合信道模拟方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述可见卫星信息包括可见卫星的数量，以及每个可见卫星的编号、信号频段及数量、移动速度、轨道参数；所述可见卫星信号为当前时刻场景下NT个可见卫星信号，NT由每个可见卫星包含的信号频段数量相加得到；所述接收终端数量为NR。
11.一种星地传播混合信道模拟装置，其特征在于：包括：
场景与运动建模模块，用于进行局部城市峡谷场景随机建模、用户终端接收机运动建模以及卫星星座建模；
主反射路径识别模块，通过简化的射线跟踪算法识别主反射路径；
多径分量结合模块，用于计算直射和反射路径的参数，添加散射点并建立传播边集，计算出边传递函数；
多频混合信道传递函数计算模块，用于结合所述简化的射线跟踪算法和所述传播图模型，将二者在频域上进行混合，获得混合信道传递函数；
信道冲激响应参数计算模块，用于生成与多频信道传递函数相应的信道冲激响应；
星地多频道实时模拟模块，从所述卫星星座建模输出可见卫星信息得到卫星信号模拟源卫星信号模拟源根据所述可见卫星信息，实时模拟生成当前时刻场景下可见卫星信号，可见卫星信号与所述信道冲激响应进行信道卷积计算，计算生成被信道畸变的多频信号，所述多频信号作为接收终端的测试输入信号。
12.一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述处理器实现如权利要求1至10任意一项所述的方法。
13.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至10任意一项所述的方法。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1148761A (zh) * | 1995-08-02 | 1997-04-30 | 摩托罗拉公司 | 同步通信系统中语音间隙期间传输数据的方法 |
| EP1487139A1 (de) * | 2003-06-11 | 2004-12-15 | ARC Seibersdorf research GmbH | Kanalsimulator |
| US20170353228A1 (en) * | 2016-06-03 | 2017-12-07 | Lockheed Martin Corporation | Resilient virtual ground receivers |
| CN114301546A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-04-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 时变nlos场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统 |
| CN116318341A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-06-23 | 南京航空航天大学 | 一种低轨卫星信道建模方法、硬件模拟装置及模拟方法 |
-
2023
- 2023-10-16 CN CN202311337674.6A patent/CN117674952A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1148761A (zh) * | 1995-08-02 | 1997-04-30 | 摩托罗拉公司 | 同步通信系统中语音间隙期间传输数据的方法 |
| EP1487139A1 (de) * | 2003-06-11 | 2004-12-15 | ARC Seibersdorf research GmbH | Kanalsimulator |
| US20170353228A1 (en) * | 2016-06-03 | 2017-12-07 | Lockheed Martin Corporation | Resilient virtual ground receivers |
| CN114301546A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-04-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 时变nlos场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统 |
| CN116318341A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-06-23 | 南京航空航天大学 | 一种低轨卫星信道建模方法、硬件模拟装置及模拟方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张冬洋;姚长虹;黄文清;朱秋明;杨阳;宁本哲;: "基于虚拟仪器的数据链测试模拟器研制", 电讯技术, no. 09, 27 September 2020 (2020-09-27) * |
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