面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法

本发明涉及月球无线信道建模领域，具体涉及面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法。

背景技术：

1、本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

2、月球作为地球最大的天然卫星，因其独特的位置和资源(例如：可开采的钛金属和氦-3等)，往往作为各个国家太空战略的第一步，而如何在月球表面保证有效的通信是各国探月工程中至关重要的一环；近年来，很多学者投身关于月球表面无线信道建模方法的研究，并且已经有了众多成熟的研究成果和针对各种典型场景的建模方法；然而，针对月球表面复杂的电磁波传播环境，如何形成完备面对月球表面多场景的无线信道建模方法亟待进一步研究。

3、目前，在月球表面无线信道建模中，研究主要关注的是地形地貌对于月球表面电磁波传播影响的问题，针对月球表面某一种或者两种典型场景例如(障碍物场景和绕射场景)，参考地面无线信道建模的方法，并加入月球表面典型地形参数，建立月球表面电磁波传播模型，但只考虑了地形地貌影响，没有考虑带电粒子场景中无线信道建模的问题，同时缺乏针对月球表面各个典型场景完备的无线信道建模方法。

4、而针对月尘粒子场景的研究主要关注的是由于探月器着落和月球车在月面行驶时造成扬尘的影响；利用采用欧拉—拉格朗日等方法，建立月尘曳力模型，得到月尘粒子的不同粒径与月尘颗粒扬尘角和速度的关系，得到月尘的腐蚀特性与带电特性，并建模其影响；但也仅只考虑月尘粒子场景这一单一场景，缺乏针对月球表面各个典型场景完备的无线信道建模方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前解决在月面表面通信时，缺乏针对月球表面各个典型场景完备的无线信道建模方法的问题和现有的月球表面无线信道建模方法，只考虑了地形地貌影响，没有考虑带电粒子场景中无线信道建模的问题，提供了面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，在原有的月球表面无线信道建模的基础上，利用射线追踪法，面向月球表面不同的典型场景(近月面自由空间场景、月海场景、障碍物场景、陨石坑场景)，建立不同的电磁波射线传播模型，并在陨石坑场景时，给出陨石坑深度和宽度与建议射线数目之间的关系；同时在面向月球表面漂浮带电粒子的场景，分别建立传播损耗模型；针对月面漂浮带电月尘的场景，建立粒子散射吸收模型，给出衰减系数与电磁波频率、月尘粒子带电量以及能见度的关系；针对月面漂浮太阳风带电粒子的场景，建立太阳闪烁指数与地月距离以及rician因子的关系，从而建立信道模型，根据太阳闪烁因子的大小，将信道模型分为rayleigh信道模型或者gaussian信道模型；给出较为完备的月球表面无线信道建模方法，从而解决了上述问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，包括：

4、步骤s1：将月球表面电磁波的传播场景分为多个典型场景；

5、步骤s2：针对月球表面电磁波传播的不同典型场景，分别建立电磁波传播损耗模型；

6、步骤s3：判断目标所处月球表面的具体典型场景，依据对应的电磁波传播损耗模型计算传播系数。

7、进一步地，所述步骤s1，包括：

8、根据月球表面地形地貌不同，将月球表面电磁波的传播场景分为：近月球表面自由空间场景、月球表面月海场景、月球表面多障碍物场景、月球表面陨石坑场景；

9、根据月球表面存在的带电粒子不同，将月球表面电磁波的传播场景分为：月球表面漂浮带电月尘粒子场景和月球表面漂浮太阳风粒子场景。

10、进一步地，所述步骤s2，包括：

11、面向近月球表面自由空间场景建立电磁波传播损耗模型；

12、利用射线追踪法面向月球表面月海场景建立电磁波传播损耗模型；

13、面向月球表面多障碍物场景建立电磁波传播绕射损耗模型；

14、利用射线追踪法面向月球表面陨石坑场景建立电磁波传播损耗模型；

15、针对月球表面漂浮带电月尘粒子场景建立电磁波传播损耗模型；

16、针对月球表面漂浮太阳风粒子场景建立电磁波传播损耗模型。

17、进一步地，面向近月球表面自由空间场景建立的电磁波传播损耗模型，包括：

18、pr＝20lg(d)+20lg(f)+32.44

19、其中：

20、d为接收发机间的距离；

21、f为电磁波频率。

22、进一步地，利用射线追踪法面向月球表面月海场景建立的电磁波传播损耗模型，包括：

23、采用两射线模型建模电磁波传播损耗；

24、接受天线上收到的信号可以通过将直射波和反射波矢量叠加得到，反射信号的大小和相位由路径长度差和地面反射系数决定，因此得到预测点场强计算公式以及传播过程中的月表反射损耗计算公式：

25、

26、

27、其中：

28、r0是月海表面反射系数；

29、ht为发射机高度；

30、hr为接收机高度；

31、λ为电磁波波长。

32、进一步地，面向月球表面多障碍物场景建立的电磁波传播绕射损耗模型，包括：

33、将障碍物当做绕射刃形的边缘来估计损耗，即将障碍物看做是刀刃形障碍物；

34、将刀刃形障碍物考虑为无限吸收屏绕射理论模型，理论上单个刀刃形障碍物绕射损耗为：

35、

36、

37、其中：

38、r0为刀刃形障碍物顶端圆弧的曲率半径；

39、dt为发射机顶端到刀刃形障碍物尖端的距离；

40、dr为接收机顶端到刀刃形障碍物尖端的距离；

41、λ为电磁波波长；

42、h为刀刃形障碍物的高度。

43、进一步地，利用射线追踪法面向月球表面陨石坑场景建立的电磁波传播损耗模型，包括：

44、在月球表面陨石坑场景下建模时，采用射线追踪法分析场强和损耗，以此选用最合适的建模射线数目；

45、在月球表面陨石坑场景下电磁波传播过程中的月表反射损耗计算公式与在月球表面月海场景时的一致；

46、仿真时运用射线追踪法，确定可以把能量从发射端传输到接收端的所有射线，计算出自由空间和有限发射系数引起的损耗，从而给出多径分量的参数。

47、进一步地，针对月球表面漂浮带电月尘粒子场景建立电磁波传播损耗模型，包括：

48、利用常规散射理论来描述带电月尘粒子对电磁波衰减的宏观影响，并结合月面实际情况，衰减系数为：

49、

50、其中：

51、amax为月尘粒子的最大半径；

52、amin为月尘粒子的最小半径；

53、qt(a)为半径为a的月尘粒子的衰减截面；

54、n(a)为单位体积内月尘粒子在a和a+da之间的数量；

55、

56、式中，a0是月尘粒子的平均半径。

57、衰减截面可以分为散射截面和吸收截面，月尘粒子微分散射截面表达式为：

58、

59、其中：

60、k为电磁波的波束；

61、ε0为真空介电常数；

62、εs为月尘粒子的介电常数；

63、σ为月尘粒子单位面积内的带电量；

64、ε0为由于月尘粒子带电产生的电场；

65、θ0为电荷分布角；

66、为球坐标下引入的电场与x轴的夹角；

67、散射截面是月尘粒子周围各个方向产生总散射能量的截面，将月尘粒子rayleigh近似，可以表示为：

68、

69、将月尘粒子进行rayleigh近似之后，月尘粒子内部电场模量的平方可以写成：

70、

71、其中：

72、利用积分表达式解δ2得到最后的表达式：

73、

74、与没有电荷的月尘粒子表达式相同，意味电荷对于吸收截面没有影响，总衰减部分可以通过散射部分和接收部分相加：

75、

76、当月尘粒子被认为具有相同半径a时，衰减系数为：

77、

78、其中：

79、v是球形粒子的体积，因为难以测量，所以用光学能见度vb表示；

80、最终得到衰减系数和光学能见度vb之间的关系：

81、

82、进一步地，针对月球表面漂浮太阳风粒子场景建立电磁波传播损耗模型，包括：

83、在太阳风活动或者发生太阳日冕活动时期，太阳会对外抛射出大量不规则的带电粒子；

84、定义闪烁指数m为信号波动幅度的均方根值和幅度均值的对比，m与sep有一定的关系。

85、一般情况下，sep与m成反比，闪烁指数m的计算公式如下：

86、

87、其中：

88、α1＝0.85；

89、rmin为接收机到发射机与太阳连线的最短距离；

90、cno为对应信号波动幅度变化的系数，与带电粒子密度σnε关系如下：

91、

92、式中：

93、l0是湍流外尺度；

94、根据闪烁指数大小可以区分弱闪烁和强太阳闪烁；一般认为，闪烁指数m<1属于弱太阳闪烁；其中m从0.3增加到饱和前属于闪烁过度；闪烁指数m为1，即到达饱和后，属于强闪烁；

95、闪烁系数的包络，即强度闪烁具有rician统计特性，其概率密度函数为：

96、

97、其中：

98、k＝ks为rician因子，是接收信号的镜反射和散射信号的功率比；

99、i0(·)为零阶第一类修正的bessel函数；

100、ks与视距接收信号功率成正比；

101、nsc(t)为经带电粒子散射的非视距传输的复高斯随机信号；

102、太阳闪烁指数m随着信号频率的增大而减小，并随着太阳到月球间距离的增大而减小；

103、电磁波在穿越这些带电粒子时会产生多径效应，这种多径信号的包络分布服从rician分布，并且rician因子k与太阳闪烁指数m具有如下关系：

104、

105、m逼近0，k逼近∞；m＝1时，k＝0；

106、rician分布简化为：

107、

108、此时，信道变为rayleigh信道；

109、当k较大，即nsc较小时，展开非零均值的复高斯随机过程|αsc(t)|得：

110、

111、其中：

112、φ为[-π,π]上均匀分布的随机相移；

113、re{e-jφnsc}为零均值，方差为高斯过程，这样psc(r)可近似表示为：

114、

115、此时，psc(r)可近似为高斯分布。

116、与现有的技术相比本发明的有益效果是：

117、1、面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，在原有的月球表面无线信道建模的基础上，利用射线追踪法，面向月球表面不同的典型场景，建立不同的电磁波射线传播模型，并在陨石坑场景时，给出陨石坑深度和宽度与建议射线数目之间的关系，给出较为完备的月球表面无线信道建模方法。

118、2、面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，面向月球表面漂浮带电粒子的场景，分别建立传播损耗模型。针对月面漂浮带电月尘的场景，建立粒子散射吸收模型，给出衰减系数与电磁波频率、月尘粒子带电量以及能见度的关系；针对月面漂浮太阳风带电粒子的场景，建立太阳闪烁指数与地月距离以及rician因子的关系，从而建立信道模型，根据太阳闪烁因子的大小，将信道模型分为rayleigh信道模型或者gaussian信道模型。