本發明屬于低軌衛星通信，具體涉及一種低軌衛星傳播信道建模方法。

背景技術：

1、在現代衛星通信系統中，低軌衛星(leo)的應用越來越廣泛，特別是在全球通信覆蓋、遙感監測和導航等領域。低軌衛星由于其較低的軌道高度，能夠提供更高的信號強度和更低的傳輸延遲，但同時也面臨著復雜的信號傳播環境。這些環境包括大氣層的不均勻性、地形障礙物(如建筑物、山脈)以及衛星和接收機之間的相對運動，這些因素都會對信號的傳播產生顯著影響。

2、傳統的衛星通信信道模型通常假設信號傳播環境是理想化的，忽略了多路徑效應和多普勒頻移等復雜因素。這些模型在簡單環境下能夠提供一定的準確性，但在實際應用中，特別是在城市和山區等復雜環境中，信號的傳播特性與理想模型存在顯著差異。多路徑效應會導致信號的反射、折射和散射，而衛星和接收機之間的相對運動則會引起多普勒頻移，這些現象都會影響信號的質量和可靠性。

3、盡管現有的信道模型在一定程度上能夠描述信號的基本傳播特性，但在處理多路徑效應和多普勒頻移時存在不足。特別是在動態環境和多任務場景下，這些模型無法準確預測信號的傳播行為，導致通信系統的設計和優化面臨挑戰。因此，開發一種能夠精確模擬低軌衛星傳播信道的模型，對于提高衛星通信系統的性能和可靠性具有重要意義。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明提出一種低軌衛星傳播信道建模方法，本發明通過精確模擬多路徑效應和多普勒頻移，為無線通信系統的設計和優化提供了重要的理論依據和實踐指導，顯著提升了系統在復雜環境下的性能和可靠性。

2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、本發明提供的一種低軌衛星傳播信道建模方法，包括：

4、步驟s1、采用rrt算法進行路徑規劃，生成從衛星到目標接收點的最優信號傳播路徑；

5、步驟s2、根據corazza模型模擬直射路徑分量和多徑分量的傳播；

6、步驟s3、按照lognormal分布對直射路徑分量進行衰減模擬；

7、步驟s4、對于多徑分量，基于信號的傳播距離和傳播速度進行時延分布模擬，并模擬實際空間環境中的反射、折射和散射情況確定其幅度和相位變化；

8、步驟s5、將直射路徑分量和多個多徑分量按照各自的時延、幅度和相位進行合成；

9、步驟s6、根據衛星和接收機的相對運動速度計算多普勒頻移，并利用高斯分布來模擬多普勒頻移的分布；

10、步驟s7、基于直射路徑分量和多個多徑分量的合成結果以及加性高斯白噪聲構建低軌衛星傳播信道模型。

11、優選的，步驟s1包括：

12、步驟s11、將衛星的當前位置作為路徑規劃的起點，將目標接收點的位置作為終點，將起點作為隨機樹的根節點；

13、步驟s12、在衛星和接收點之間的空間區域中隨機生成一個目標點；

14、步驟s13、在已有的隨機樹中找到距離目標點最近的節點，在預設的范圍內通過線性插值或基于物理模型的插值方法生成一個新節點以連接最近節點和目標點；

15、步驟s14、檢查新節點是否與障礙物相交，其中障礙物包括大氣層的不均勻區域、山體以及地面建筑物；

16、步驟s15、當新節點與障礙物相交，則返回步驟s12，若不相交則將新節點加入隨機樹中，形成一條新的路徑；

17、步驟s16、使用多項式插值或樣條插值方法對路徑進行平滑處理，以減少路徑的抖動和不必要的轉彎，并基于rrt算法的重布線操作來優化路徑長度和形狀，從而找到最優的路徑。

18、優選的，步驟s3包括：

19、根據corazza模型所模擬的直射路徑分量的傳播，考慮直射路徑分量受到的陰影效應，按照lognormal分布進行衰減模擬，確定其對應的概率密度函數fz(z)：

20、

21、其中，μ表示lognormal分布中對數值的均值，σ表示lognormal分布中對數值的標準差，z表示直射路徑分量的幅度。

22、優選的，步驟s4包括：

23、根據實際環境中的障礙物分布和信號傳播特性，生成多個多徑分量；

24、通過指數分布或瑞利分布近似多徑分量的時延分布，并模擬實際空間環境中的反射、折射和散射情況確定其幅度和相位變化；

25、構建多徑分量的表示模型：

26、

27、其中，d(t)表示多徑分量，αn(t)為由路徑損耗和陰影衰落確定的隨機變量，τn(t)為不同路徑的信號路徑傳輸時延，e為自然對數，j為虛數單位，rn(t)表示第n條路徑的信號傳播距離，c表示光速，u(t)表示等效基帶信號，φn(t)表示多普勒相移：

28、

29、其中，fc表示信號的載波頻率，表示第n條路徑的多普勒相移，為第n條路徑的多普勒頻移。

30、優選的，低軌衛星傳播信道模型表示為：

31、

32、其中，r(t)表示接收端的接收信號，z(t)表示直射路徑分量，n(t)表示在時間t時刻可解析的多路徑分量個數，n(t)表示加性高斯白噪聲，fd表示多普勒頻移其中v表示衛星和接收機的相對運動速度，c表示光速，f0表示發射信號頻率；

33、其中多普勒頻移的分布近似為高斯分布，其概率密度函數為：

34、

35、其中，表示為多普勒頻移的概率密度函數，表示多普勒頻移的均值，為多普勒頻移的標準差；

36、加性高斯白噪聲n(t)服從高斯分布，其概率密度函數為：

37、

38、其中，fn(n)表示加性高斯白噪聲的概率密度函數，σn為噪聲的標準差。

39、優選的，確定到達接收端信號的衛星通信信號概率密度函數表示為：

40、frs(r，s)＝fr(r)·fs(s)

41、其中，frs(r，s)表示到達接收端信號的衛星通信信號概率密度函數，fr(r)表示接收信號包絡的概率密度函數，服從rician分布且：

42、

43、其中，r表示接收信號的包絡，ρ表示接收信號的直射路徑分量的幅度，σ2表示平均多徑功率，i0為第一類零階修正的bessel函數；

44、fs(s)為接收信號相位的概率密度函數，服從均勻分布且：

45、

46、其中，s為接收信號的相位，s∈[0，2π]。

47、本發明至少取得了以下有益效果：

48、1.模型能夠全面模擬低軌衛星通信信道中的多徑效應、陰影效應、多普勒效應和加性高斯白噪聲，為低軌衛星通信系統的性能評估和優化提供參考。

49、2.基于隨機樹的逐步構建和優化，通過實時檢測和規避障礙物，確保生成的路徑不僅可行，而且高效和光滑，顯著提高了路徑規劃的效率和可靠性，特別適用于復雜環境中的動態路徑規劃。

50、本發明的其他優點、目標和特征將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上對本領域技術人員而言是顯而易見的，或者本領域技術人員可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。