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申请/专利权人：南京航空航天大学

摘要：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。

主权项：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；所述步骤1中信道模型的表达式为： 式中，hqpt,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，NTxt和NRxt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；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 其中，Δrp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： 式中，E{·}表示平均值算符；所述步骤3具体包括：31假设高空平台初始位置高空平台发射端第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LTxt0和地面接收端位置矢量为LRxt0；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，vTxt和vRxt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LTxt0和LRxt0，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： 式中，RTxt表示高空平台发射端的旋转矢量，RRxt表示地面接收端的旋转矢量，RPt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，ap,n,m、bq,n,m、cn,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ap,n,mt+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cn,mt+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；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dLoSt，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： 其中，arctan2{·}为反正切函数，ex、ey和ez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： 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ap,n,mt，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： 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，随机数数值服从[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： 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： 式中，k＝2πf0c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RTxt和RRxt、高空平台姿态矩阵RPt，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； 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；

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