面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明的技术方案如下：

面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，包括：

步骤S1：将月球表面电磁波的传播场景分为多个典型场景；

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；

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。

进一步地，所述步骤S1，包括：

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；

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。

进一步地，所述步骤S2，包括：

面向近月球表面自由空间场景建立电磁波传播损耗模型；

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；

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；

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；

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；

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。

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：

P

其中：

d为接收发机间的距离；

f为电磁波频率。

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：

采用两射线模型建模电磁波传播损耗；

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：

其中：

R

h

h

λ为电磁波波长。

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：

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；

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：

其中：

r

d

d

λ为电磁波波长；

h为刀刃形障碍物的高度。

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：

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；

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；

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。

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：

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：

其中：

a

a

Q

n(a)为单位体积内月尘粒子在a和a+da之间的数量；

式中，a

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：

其中：

k为电磁波的波束；

ε

ε

σ为月尘粒子单位面积内的带电量；

Ε

θ

为球坐标下引入的电场与x轴的夹角；

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：

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：

其中：

利用积分表达式

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：

当月尘粒子被认为具有相同半径a时，衰减系数为：

其中：

V是球形粒子的体积，因为难以测量，所以用光学能见度V

最终得到衰减系数和光学能见度V

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：

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；

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。

一般情况下，SEP与m成反比，闪烁指数m的计算公式如下：

其中：

α

r

c

/>

式中：

L

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；

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：

其中：

K＝K

I

K

n

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；

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：

m逼近0，K逼近∞；m＝1时，K＝0；

Rician分布简化为：

此时，信道变为Rayleigh信道；

当K较大，即n

其中：

φ为[-π,π]上均匀分布的随机相移；

Re{e

此时，p

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

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。

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。

附图说明

图1为面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法的流程图；

图2是月面反射双路径模型示意图；

图3是刀刃形障碍物示意图；

图4是陨石坑场景示意图；

图5是电磁波在近月面自由空间场景的传输损耗；

图6是月海平面场景电磁波传播损耗；

图7是障碍物场景电磁波传播损耗；

图8是四射线模型和自由空间模型的场强预测示意图；

图9是六射线模型和自由空间模型的场强预测示意图；

图10是地面沙尘粒子和月尘粒子对信号衰减对比图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1，面向月球表面多场景通信的无线信道建模方法，包括：

步骤S1：将月球表面电磁波的传播场景分为多个典型场景；

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；优选地，损耗分为两个部分建模，由于月球表面地形地貌造成的衰减和由于月球表面存在的带电粒子造成的衰减；

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；例如月球表面反射系数等；

月球表面反射波的幅值和相位取决于反射点处的反射系数，不同极化方式(水平极化或垂直极化)下反射系数也不同；

其反射系数取决于一些相关参数，主要是电导率σ和介电常数ε。

对于水平极化的电磁波，反射系数由下式给出：

对于垂直极化的电磁波，对应的反射系数为：

其中，ε'＝ε/ε

在本实施例中，具体的，所述步骤S1，包括：

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；

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。

在本实施例中，具体的，所述步骤S2，包括：

面向近月球表面自由空间场景建立电磁波传播损耗模型；

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；

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；

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；

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；

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。

在本实施例中，具体的，月球表面和外太空均为真空环境，可以认为是理想传播环境，因此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：

P

其中：

d为接收发机间的距离；

f为电磁波频率，用于计算地对空通信的最大范围。

在本实施例中，具体的，请参阅图2，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：

月海是比较低洼的平原，在月海区域进行通信时，很少有单一路径传播的情况，一般会出现两径传播的现象，因此采用两射线模型建模电磁波传播损耗；

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：

其中：

R

h

h

λ为电磁波波长；

和/>

在月海建模时，当发射机和接收机之间距离足够大时，角度变化很小，可以忽略不计。因此，简化为：

在本实施例中，具体的，请参阅图3，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：

当遮挡由单个物体，或者山脉引起时，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；

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：

其中：

r

d

d

λ为电磁波波长；

h为刀刃形障碍物的高度。

在本实施例中，具体的，请参阅图4，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：

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；

当电磁波射到介质平面时，会发生反射和折射现象。在月球表面使用UHF波段通信时，入射到月表的电磁波大部分被反射，小部分发生折射；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；

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(损耗和场强)；

假设射线追踪法中选用的射线数目为n(2≤n≤6)，T-R距离小于

在本实施例中，具体的，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：

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：

其中：

a

a

Q

n(a)为单位体积内月尘粒子在a和a+da之间的数量；

式中，a

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：

/>

其中：

k为电磁波的波束；

ε

ε

σ为月尘粒子单位面积内的带电量；

Ε

θ

为球坐标下引入的电场与x轴的夹角；

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：

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：

其中：

利用积分表达式

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：

/>

当月尘粒子被认为具有相同半径a时，衰减系数为：

其中：

V是球形粒子的体积，因为难以测量，所以用光学能见度V

最终得到衰减系数和光学能见度V

在本实施例中，具体的，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：

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；这种影响会造成信号的闪烁或者间断，对通信质量和效率造成巨大的影响；

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。

一般情况下，SEP与m成反比，闪烁指数m的计算公式如下：

其中：

α

r

c

式中：

L

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；

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：

其中：

为Rician因子，是接收信号的镜反射和散射信号的功率比；

I

K

n

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；

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：

m逼近0，K逼近∞；m＝1时，K＝0；

Rician分布简化为：

此时，信道变为Rayleigh信道；

当K较大，即

其中：

φ为[-π,π]上均匀分布的随机相移；

Re{e

此时，p

实施例二

实施例二为体现所提技术的先进性，展现了建模方法对于月球表面多场景下电磁波传播特性描述的准确性。

本发明仿真场景设置为月球表面典型场景(近月面自由空间场景、月海平面、陨石坑场景)，建立射线追踪模型，给出建议的射线数目，然后再建模月球表面漂浮的带电粒子(月尘粒子)对电磁波传播的造成的损耗建模。

由图5可得，电磁波在近月面自由空间场景传播损耗与传播距离和电磁波的频率有关，与电磁波的频率和传播距离成对数关系；又因月球表面没有大气，基本属于真空状态，因此在月球表面建模传播损耗与真空中相同，服从路径损耗指数n＝2的衰减规律；259.7MHz频率的电磁波的传输损耗在3.8英尺(一个波长)为22dB，与“阿波罗”登月报告中的一致，用于计算地对空通信的最大范围，验证了建模方法在近月面自由空间场景的准确性。

图6为面向月海场景时，利用本发明中的射线两径模型和Apollo前期登月报告中的理论模型分别对电磁波传播损耗建模，实验结果显示：当接收发机距离在10英尺内时，两个模型建模电磁波传播损耗基本一致；当接收发机距离大于10英尺时，两径模型会比Apollo前期理论模型损耗大2-3dB，在后续探月工程中得到验证，原因是月表反射系数的修正以及对月面的探察发现月面并不是光滑的平面。

图7为面向月球表面障碍物场景时，本发明利用发明中的绕射损耗模型和Apollo前期登月报告中的理论模型分别对电磁波传播损耗建模，结果显示，在有障碍物时，绕射损耗模型会比Apollo模型大2-3dB，因为在Apollo前期登月报告中利用的标准边缘衍射方程在粗糙边缘时并不适用，会出现大于光滑表面损耗，这部分Apollo前期登月报告中并未考虑，而在本发明模型中，通过加入地面反射系数，建模了此部分的损耗。

图8和图9分别为在Apollo前期登月报告中的自由空间模型与射线追踪模型对在陨石坑内的电磁波传播建模，自由空间模型在建模电磁波在陨石坑内传播时，没有考虑到，陨石坑内和坑底对电磁波的反射作用，因此射线追踪法更准确，在后续的探月工程中也得到验证。根据传播损耗以及场强的理论预测结果，可以面向月面陨石坑场景对不同大小的陨石坑给出射线数据的参考，假设射线追踪法中选用的射线数目为n(2≤n≤6)，T-R距离小于

目前，并没有关于月尘粒子影响的仿真及测量工作，因此本发明中，利用与月尘粒子相近的沙尘粒子，对比两者对相同频率电磁波传播的影响。图10对比仿真工作频率在415MHz(嫦娥三号通信频率)时，地球沙漠环境下带电沙尘粒子和月面带电月尘粒子造成的衰减影响，造成差异的主要因素是沙尘和月尘的粒子半径和复介电常数的不同。可以发现，相同能见度下月面环境衰减效应显著低于地球沙漠环境，得到的仿真结果与实际探月计划相对应。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。