文摘

改善海上无线电链接通常需要增加发射功率或接收机灵敏度。另一种方法是取代传统的水面舰艇鞭子的可怜的天线增益小说天线结构与指令属性。然而,船舶运动,特别是当发射,可能影响收音机链接质量。因此,一个工具,模拟船舶运动在这样的天线结构的影响。它有助于天线辐射参数的规范,提高了无线电性能评估。这个工具包括一个确定性的双线海面无线电波传播模型。船舶运动的几何3 d引擎的优势兼容任何传播模型和天线结构。

1。介绍

介绍了确定性传输通道模型的发展改进的高数据率(> 10 mbit·s⁻¹)在s波段无线电连接(2到4 GHz)。这个链接应该达到的最大可能范围之间的小型水面舰艇。首先,链路预算方法的无线电层通过ITU P.526模型(1)计算。这表明船只之间建立这种联系需要大量增加发射功率如果贫穷的天线增益(约2 dBi)。因此,传输模型的目的是帮助小说的规范收益高于10 dBi天线结构。尽可能准确地再现真实情况,尤其是当船运动相关,三维几何模型。计算引擎可以容纳任何天线和传播模型。然而,一个简单的双线模型和偶极子天线在本文中用于例证。

传播模型的描述后,然后部分致力于展示几何内容的集成船舶运动。下一节是献给天线角偏差的最大值的计算给海波数据。然后,集成天线辐射参数的解释道。最后,接收功率的表达式推导出使用信道矩阵形式,其次是仿真结果的展示。

2。传播模型

传播由双线描述模型,该模型包括发射机之间的直接路径(一个)和接受者(B条理清楚地反映了()和一个路径P由海面(图)1)。这个模型最近已被证实在2通过测量)。它是应用在有效半径的球面地球这对应于一个意味着大气折射率。根据Snell-Descartes前后一致地反映路径获得法律及其振幅主要是由菲涅耳反射系数: 垂直(或电场平行于入射面)极化, 对水平极化(或正交平面发生率)。

在上面的表达式,代表的相对复介电常数海水表面。它可以定义的德拜公式适用于Stogryn (3]。

反射的能量也是影响差异因素产生更大的孔径光束反射。表达式是由贝克曼和Spizzichino [4),取决于之前定义几何参数在图1: 模型的有效性主要是有界FD的变化。这个因素后不得使用限制距离对应于双线模型之间的转换和ITU P.526模型。试图将后者不给足够的满意过渡范围。此外,这个项目的目标是协助天线规范。链接的设计是在长期的国际电信联盟模式。比较这些不同的模型如图2,获得了2.4 GHz,有效各向同性辐射功率(附近)1瓦特,与天线在6米的海面。

取得预期结果图2因为良好的垂直和水平空间多样性。除此之外,似乎毫无价值将受益于极化多样性观察到短范围由于不利的双线重组在水平极化。

最后,第二个因素是应用于镜面反射能量的海浪。如果一个正态分布假设的海面高度,减少的因素取决于他们的标准偏差σ。根据米勒et al。5),减少因素是由以下表达式: 在这(我) 瑞利判据,(2) 是修改后的第一类贝塞尔函数和秩序为零,然后呢(3) EM波长的米。

图3得到的参数与以前相同,但道格拉斯海规模的海洋状态3 (米)。轻微膨胀就足以显著降低条理清楚地反映了能量。结果是一个部分消失的数据。的能量不再是前后一致地反映导致漫散射。然而,扩散还没有集成在这个确定性模型。进一步的改善可以通过引入扩散传播模型中的组件。一个好的起点是分析提出了(6]Karasawa和Shiokawa。

3所示。集成船舶运动

前面定义的二维几何必须进化到三维集成船舶运动。全球坐标系统,在这是地球中心,如图4。角根据实习单位距离的定义是D(图1),β代表他们的相对取向。

所有坐标将进一步表示在这个全球体系通过平移向量和旋转矩阵。然后,当地坐标系统附加到每个船质心的定义中描述船舶运动(图5)。

关于船的运动,你将定义以下专用术语相关的局部坐标系:(我)胀是一个翻译一起轴(垂直运动),(2)卷是一个旋转轴,(3)球场是一个旋转轴。

上述动作可以简单描述窦功能。因此,他们只在这里的振幅和周期特征。进一步的改善可以通过引入船舶运动的记录数据。天线位置也描述了在这个系统上的坐标和一个合适的定位。最后,一个坐标系统连接到天线中心(一个介绍根据天线测量或模拟(图6)。

表达所有几何对象的全球坐标系统,天线位置和速度,射线到达和出发的角度可以决定在任何时间。

4所示。最大角偏差

没有真正的船舶运动记录,近似几何关系可以导出天线最大角偏离垂直方向。知道最大crest-to-trough波高和波长,一个可以评估天线角偏差的最大值: 几个模拟表明,这个角度偏差代表的最大偏离位置静止的距离超过100米。对于线性极化的天线,它也会导致最大极化损耗系数(PLF) Pierson-Moskowitz频谱的使用的基本模式充分发展常规风力波(7),一个完整的数据集被定义为研究案例。它包括周期和海波海拔的标准差: 介绍了(5)导致 注意结果仍近似为常数。这是由于发育完全正则风浪的假设。然而,如果两个和决心通过任何方式(模型或测量),(5)仍然适用于小型船只。

5。天线集成

辐射向量函数介绍了占两极分化状态和沿任何方向天线增益。在[8),取决于实现增益(集阻抗失配)对于一个给定的出发(发射天线)或到达(接收天线)的角度: 在上面的表达式,和站的仰角和方位角,分别。是归一化向量对应于复杂的比率(振幅和相位)发出(或接收)和组件(参见图6)。

创建一个数据库的模拟。它由多个表的数据提取电磁(EM)模拟器,在我们的案例中基于。这些表代表意识到获得和天线字段组件作为表达(9)。最后,对于宽带通信、辐射向量函数的数据库会生成几个频率。

6。接收功率的表达式

首先,一个通道矩阵是由使用单位向量(见图6表示在同一坐标系。它表达了内在PLF。然后,应用球面发散和相位条件获得直接路径信道矩阵: 发射天线辐射向量函数和接收天线然后应用到两边矩阵获得传输标量吗。因此,(9)和(10), 前后一致地反映道路、单位向量必须分解为一个平行的吗和一个正交组件到海面,如图7。

然后,可以定义一个反映二元: 在这,,,定义在(1),(2),(3)和(4),分别。因此,反射路径的传播信道矩阵 同样的方法用于获得(11)应用于标量变量得出第二个条理清楚地反映路径: 注意单位向量和辐射向量函数(11)和(14)不一样,因为天线极化和增益随传播方向改变。最后,使用经典的公式,我们可以评估接收功率的函数提供的权力在天线终端: 在这和是由(11)和(14),分别。在上面的表达式中,时间(与船舶运动)和频率(电磁波传播)。

7所示。仿真结果

模拟发射机,经历了前面定义的动作(海况5道格拉斯规模),提出了一种接收机上岸(不动)。天线都是6米以上的海面700米的距离。如图2范围,这自然会导致一线复合等于空间路径损耗。以最大的增益为2.1 dBi天线都是偶极子。接收功率与时间的变化如图所示8。不同的模拟表明,这些变化主要是由于双线重组变化与运动。另一方面,较高的重大损失是观察到如果天线方向性。为了说明这一点,图9显示了直接获得传输路径和天线阵列具有更高的方向性。请注意,类似的结果获得了反映路径。的最大增益的线性垂直阵列偶极子大于8 9 dBi,但其半功率波束孔径角小于。因此,瞬时有效增益波动值低于的通过4偶极子的线性垂直数组。这证实了−3 dB海拔孔径角必须至少在秩序(由(5)排除大得到减少。注意,船在方位平面运动对增益变化的影响可以忽略不计。

最后,几个模拟显示,船舶运动导致极化损耗系数(PLF)低于3 dB。这表明使用圆偏振不带来任何优势,因为水平极化产生的深度衰减(见图2)。

8。结论

一个海上无线电信道模拟器的描述。它包括一个双线传播模型、天线参数和三维(3 d)船舶运动模型。每个组件与船舶运动模拟器是独立计算引擎可用于任何传播模型或天线。模拟器的目的是提供一个可靠的天线规格和渠道绩效评估的工具。第一次双线模型的结果表明,经典的行为仍然是主要贡献最大的信道特征如果条件偏差角满足了。天线−3 dB海拔光束孔径必须选择根据船舶运动,给定一个radio-link-operational海洋状态。此外,垂直极化天线的使用似乎是最有利的选择。提供的最大偏差角表达式,小船动作,极化损耗系数和降低天线增益可以预测。对于更大的船只,必须是已知的唯一参数是横滚和俯仰之间角偏差的最大值。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突与ANSYS,基于的编辑。

确认

这项工作已经完成的支持下DCNS公司和电信布列塔尼,Mines-Telecom研究所。