一种气象卫星Markov时变信道仿真模型的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气象卫星通信领域，具体地说，涉及天气变化时的气象卫星时变信道 仿真模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 气象卫星通信环境主要是大气层空间物理环境，气象卫星下行传输气象信息时， 会受到天气现象的影响。阴雨天气时，因云层厚、云量多，在地面接收站上空相当大的范围 形成全阴影遮挡，若地面接收站接收信号没有直射信号只包含多径散射分量信号时，其包 络的概率密度服从Rayleigh分布；多云天气时，若仅考虑单效应，地面接收站接收信号含 有直射信号以及一定强度的绕射、折射和散射形成的多径信号，多径效应会造成信号的快 衰落 [2]，信号包络的概率密度服从Rice分布[1]。时不变信道条件下，气象卫星信道的状态 参数在通信过程中可以保持固定不变。而从各种气象观测资料可以看出天气过程的一个显 著特征即天气状态的时间序列随机变化特征，表明大气层空间物理状态具有时间序列的随 机运动性。随着时间的推进，天气状态可能会从一种状态转移到另外一种状态，状态转移的 速率和在某一个状态的驻留时间都取决于天气过程的时间相关性。气象卫星通信条件也随 着天气现象的转换而变化，表现为与大气层物理状态相一致的随机运动特性，这种时间序 列状态的随机运动性具有Markov转移特性。因此，气象卫星通信时信号在大气中的传输就 是在随机介质中的传输，其信道状态也是时变随机变化的。
【发明内容】
[0003] 本发明针对气象卫星通信环境主要是大气层空间物理环境，根据天气变化时的气 象卫星通信信道状态具有Markov转移效应的特点，将运动云层对气象卫星信号的影响作 为动态的Markov转移特性进行分析，给出了晴空、多云、阴雨天气的稳态概率分布和状态 转移矩阵。建立气象卫星Markov时变信道仿真模型，通过计算机仿真实验表明了仿真模型 与理论模型中接收信号包络的概率密度曲线和误码率曲线符合程度较好，验证了该信道仿 真模型有效性。
[0004] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0005] 本发明的气象卫星Markov时变信道仿真模型的建立方法流程如图1所示，主要包 括以下步骤：
[0006] 1)对影响气象卫星通信的主要因素-云进行分类统计，给出晴空、多云、阴雨天气 的稳态概率分布和状态转移矩阵；
[0007] 2)据统计的稳态概率分布和信道状态转移矩阵建立气象卫星Markov时变信道仿 真模型，通过计算机仿真实验；
[0008] 3)对比仿真模型与理论模型的接收信号包络概率密度分布曲线和误码率曲线。
[0009] 将天气系统分为n+1个状态，即Stl,S1…Sn，则天气系统中可能出现的状态用状态 空间S可以表示为
[0010] S= (S01S1-Sn)
[0011] 假设状态转移符合一阶Markov链特性，其状态转移概率矩阵可表示为
[0012]
[0013] 式中，Pij=P(xt=S」Ixt_i=S)表示天气系统在t_l时刻处于Si状态，经过一步 转移到第t时刻，天气系统演变为&状态的转移概率，t_l表示比t小一个时间增量的时 亥IJ，因此t可看作离散时间序数，若Pu只与前后两个时刻的差值相关，而与状态转移发生的 时间坐标无关，则具有平稳转移的均匀Markov链；
[0014] 若将天气状态分为ScilS1,S2三种情况时，即分别表示晴空少云、多云和阴雨天 气，任意选择某一时刻作为初始时刻，则三种天气状态可能出现的概率相同，即在t时刻， Markov模型在状态Si的概率nit表示为
[0015] n,t=p[s,J
[0016] = [not，nlt，n2 t]
[0017] = [0. 33, 0. 33, 0. 33]
[0018] 随着大气的运动，天气会从一种状态演变到另外一种状态，这种状态的演变具有 一定的概率，若状态转移概率矩阵为
[0020] 贝Ijt+n时刻的天气状态的概率分布为
[0021] IIit+n=ni
[0022] 建立气象卫星Markov时变信道仿真模型，分别用SpSjPS2表不晴空少云、多云 和阴雨三种天气条件下的气象卫星信道状态，前一状态的气象卫星信道状态可以为S1 和S2中的任一种，从任一种前一状态的气象卫星信道状态均可变化为Sd、SjPS2中任一种 的后一状态的气象卫星信道状态，因此从任一种前一状态的气象卫星信道状态到后一状态 的气象卫星信道状态之间均设立三个变化信道：Stl信道、Si信道和S2信道，即晴空少云、多 云和阴雨天气信道，并分别用Kp心和K2作为S^信道、Si信道和S2信道的选择开关；
[0023] 从SpSdPS2的前一状态的气象卫星信道状态到后一状态之间的各信道的选择开 关的选择概率分别用U1 (0,I)、U2 (0, 1)和U3 (0, 1)确定，所述的U1 (0,I)、U2 (0, 1)和U3 (0, 1) 为[0，1]区间上均匀分布的随机数发生器，且相互独立，随机数产生的频率和云的移动速 率相关；
[0024] 气象卫星Markov时变信道仿真的实现方法为：
[0025] (1)当气象卫星信道前一状态为Stl时，选择开关K^工作，开关KJPK2悬空， 当Utl (0, 1)产生的随机数G ，则开关Ktl选择S^信道，即保持原状态；当 pQ(i>GApc^pci2,则开关Ktl选择s2信道；当pQ(l>pQ1>eQ>pQ2,则开关Ktl选择si信道；
[0026] (2)当气象卫星信道前一状态为，选择开关K1工作，开关Ktl和1(2悬 空。当U1(O1I)产生的随机数G1^Jp1Pp12，则开关1选择S1信道，即保持原状态；当 pn>GApic^p12，则开关Ktl选择S2信道；当pn>p1(l>ePp12，则开关K1选择Stl信道；
[0027] (3)当气象卫星信道前一状态为&时，选择开关K2工作，开关 空。当U2(0，1)产生的随机数e2>p22>p21>p2(l，则开关1(2选择S2信道，即保持原状态；当p22>G2>p21>p2(l，则开关K2选择Si信道；当P22>p21>e2>p2(l，则开关K2选择S。信道；
[0028] 由此，根据不同天气条件的转移概率、根据所建立的气象卫星Markov时变信道仿 真模型实现方法可以对气象卫星Markov时变信道进行仿真。
[0029] 气象卫星Markov时变信道仿真时，数据源为二进制随机序列，经过QPSK调制后分 别接入Gauss信道、Rice信道和Rayleigh仿真信道，以获得Stl信道状态信号、S^言道状态 信号和S2信道状态信号，初始时刻t时气象卫星信道状。
[0030] 气象卫星信道Markov时变的初始状态实现方法为：初始时刻t时，当U(0, 1)产生 的随机数Gn1Jnc^n2t，则开关K选择S1信道；当n^GnciJn2t，则开关K选择 Stl信道；当nJncuM>n2，t，则开关Ktl选择s2信道，所产生的初始信道状态作为气象卫 星Markov时变信道的前一状态进入状态演变进程并进行100次的状态转移。
[0031] 有益效果：
[0032] 本发明目的是针对天气变化时下云层对气象卫星通信的影响问题，研宄气象卫星 时变信道特性，通过理论分析和建模仿真可知：（1)气象卫星信道特性决定于天气状态，天 气变化的随机过程决定了气象卫星信道的Markov时变特性，根据北京气象卫星地面站上 空的云类型统计结果，给出了晴空、多云和阴雨天气时气象卫星信道三种状态的稳态概率 分布和信道状态转移矩阵，提出了气象卫星Markov时变信道仿真模型的建立方法。（2)通 过计算机仿真实验对理论模型和仿真模型的包络概率密度分布和误码率曲线进行了对比， 两种曲线符合程度较好，说明所建立的仿真模型可以描述气象卫星时变信道的特性，为评 估气象卫星通信系统的性能和优化气象卫星通信体制提供了一定的技术基础。
【附图说明】
[0033] 图1:气象卫星Markov时变信道仿真模型的建立方法流程图。
[0034] 图2:三状态Markov模型。
[0035] 图3:像元灰度图（a.为晴空少云像元灰度图；b.为多云像元灰度图