一种复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法

1.本发明属于天地一体化通信与认知网络技术领域，具体涉及一种复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法。


背景技术：

2.卫星宽带通信技术的飞速发展和高精度观测卫星海量数据的实时传输需求，对星地骨干链路传输容量升级提出了巨大挑战。此外，随着人们对随时随地可靠接入和高速率服务需求的不断增长，传统地面基站网络已经无法满足这一需求。近年来，星地激光微波协同传输技术成为解决这一大范围、高速率和实时性接入问题的一种有效手段。
3.传统的星地激光微波协同传输主要有两种方法：基于硬切换的星地激光微波协同传输方法和基于软切换的星地激光微波协同传输方法。基于硬切换的方法切换方式单一，极易造成信道资源的浪费；而基于软切换的方法虽然可以充分利用信道资源，但是容易出现信道频繁切换而引起传输质量下降的问题。此外，复杂的天气条件会对星地激光微波协同传输产生巨大影响。
4.激光通信由于其大带宽、抗电磁干扰、保密性强和功耗低等优势引起国内外研究者的注意。然而，激光通信由于其较窄的波束因而需要完美的视线连接。此外，大气湍流和云、雾、雪等天气条件造成的衰落将对激光通信产生巨大影响。相比之下，射频通信只对降雨敏感，而且这些不同类型的天气很少同时发生。因此，激光链路和射频链路可以作为互补链路，通过灵活的切换减少天气条件的影响。中继技术可以减少星地长距离传输带来的信号质量下降问题。高空平台具有部署灵活、维护方便、成本低、环境友好等优点，广泛应用于灾害监测、应急通信和军事行动等场景。因此可以利用高空平台作为中继节点，将高空平台部署在距离地面17-32km的高度上，高空平台将接收到来自低轨卫星的信号进行转发到地面站。此外，由于云层的遮挡，通过智能反射面辅助的无人机进行空间分集也能够进一步改善星地激光传输链路的质量，增强系统灵活性。


技术实现要素：

5.为改善现有激光微波协同传输系统的性能，本发明提供一种复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法，其基于一种复杂天气条件下的星地激光微波协同传输系统，该系统组成包括低轨卫星、高空平台、智能反射面辅助的无人机、地面基站、激光链路和射频链路，其中高空平台上配备有天气传感器；卫星和地面站之间的下行链路通信采用高空平台进行中继，在高空平台处可以根据天气状况，采用激光链路和射频链路进行传输；采用智能反射面辅助的无人机进行空间分集；所述方法具体实现如下：
6.在卫星处采用正交幅度调制的方式对数据进行调制，调制后的信号表达式为
7.sn(t)＝a
ni
(t)g(t)cos(2πfct)-a
nq
(t)g(t)sin(2πfct)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
8.其中，fc为载波频率，g(t)为脉冲成形函数，a
ni
(t)和a
nq
(t)分别表示同相和正交幅度分量；卫星发射的光信号可以表示为
9.s(t)＝p
t
[1+mssn(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]
其中，p
t
和ms分别表示卫星发射功率和调制指数；
[0011]
采用不同中继模式下地面基站的接收信号分别表示为
[0012][0013]
式中，y
gf
(t)、y
gu
(t)、y
gr
(t)分别表示地面站通过模式1和2中继接收到的信号、地面站通过模式3中继接收到的信号、地面站通过模式4中继接收到的信号；和分别表示卫星到高空平台段的信道系数和噪声，和分别表示模式1、模式3和模式4对应的信道系数，和分别为模式1，模式3和模式4对应的噪声，η为光电转化效率，g
fso
为高空平台激光链路放大系数，射频链路对应的路径损耗；
[0014]
对于模式1，即晴朗天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，考虑被广泛接受的gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减和指向误差影响考虑在内，模式1单跳激光信道的概率密度函数表达式为
[0015][0016]
其中为meijer’g函数，用来表示绝大多数特殊函数，m、n、p、q为表征变量个数的非负整数，α1和β1为大气湍流相关参数，ζ1为衡量指向误差严重程度的参数，为模式1激光链路大气衰减系数，a0为接收机波束中心收到的光功率，γ(α1)、γ(β1)分别表示α1和β1对应的gamma函数值，利用matlab软件直接计算；
[0017]
对于模式2，即阴雨天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，采用与模式1相同的信道分布模型，所不同的是天气相关大气衰减系数
[0018]
对于模式3，即有云天气条件下卫星-高空平台-无人机-地面站激光传输模式，考虑gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减、指向误差和到达角抖动考虑在内，模式3高空平台到地面站的信道概率密度函数表达式为
[0019][0020]
其中，α3、β3、ζ3与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是在不同公式中的具体数值不同，代表不同的天气状况，因此采用不同符号加以区分，δ(
·
)表示狄拉克函数，表示到达角抖动方差，θ
fov
表示视场角，为模式3的大气衰减系数，γ(α3)、γ(β3)分别表示α3和β3对应的gamma函数值对于模式4，即大雾天气条件下卫星-高空平台-地面站激光射频混合传输模式，激光链路采用gamma-gamma信道分布模型，射频链路考虑阴影莱斯rician模型，模式4
高空平台到地面站信道概率密度函数表达式为
[0021][0022]
其中m0表示衰落严重性参数，ω和b分别是是视线分量和多径分量的平均功率，φ1(
·
，
·
，
·
)是合流超几何函数，表示高斯超几何函数的极限情形；
[0023]
激光链路大气衰减系数由比尔斯-兰伯特定律建模为其中α0表示天气相关的链路衰减因子，l表示链路距离；射频链路的衰减模型建模为其中g
t
和gr分别表示发射天线和接收天线增益，f表示射频工作频率，ω
oxy
和ω
rain
表示由氧气和降雨散射吸收引起的衰减；卫星到高空平台的链路距离计算方式为其中hs表示卫星高度，h
p
表示高空平台高度，表示天顶角；高空平台到地面站距离计算方式为其中hg表示地面站高度；
[0024]
中断概率定义为链路瞬时信噪比低于预设定信噪比，不同模式的中断概率表达式为
[0025][0026]
其中，γ
th
表示中断阈值，表示不同模式的信噪比累积分布函数，其中k＝1，2，3，4表示不同的模式，当k＝1，2时，的表达式为
[0027][0028]
其中，γ表示链路信噪比，α2、β2、ζ2与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是数值不同，γ(α2)、γ(β2)分别表示α2和β2对应的gamma函数值，μ1表示卫星到高空平台链路的平均信噪比，μ2表示高空平台到地面基站的平均信噪比，q表示固定增益放大系数，b1＝1和b2＝1表示外差探测系数，外差探测系数，其中，e3和e4表示meijer’g函数中对应的项，表示二元meijer’g函数；表示卫星到高空平台信噪比累积分布函数，函数式如式(9)所示
[0029][0030]
其中，
e1和e2表示meijer’g函数中对应的项；
[0031]
当k＝3时，的表达式为
[0032][0033]
其中，b3＝1表示外差探测系数，μ3表示高空平台-智能反射面辅助无人机-地面基站的平均信噪比，站的平均信噪比，e5和e6表示meijer’g函数中对应的项；
[0034]
当k＝4时，的表达式为
[0035][0036]
其中，s和j表示中间计数变量，c表示模式4增益放大系数，表示meijer’g函数中对应的项，这里k1是代表行向量，但是二元meijer’g函数中的项数是灵活的，类似于数组，不用一一对应，甚至可以是空集，是为了简化表达，集，是为了简化表达，表示高空平台到地面站射频链路平均信噪比；
[0037]
考虑外差探测方式，根据式(7)和式(8)，模式1中断概率表示为
[0038][0039]
由于天气衰减系数不同，模式2的中断概率与模式1中断概率有相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；
[0040]
对于模式3，智能反射面辅助无人机中策略，根据式(7)和式(10)，模式3中断概率表示为
[0041][0042]
对于模式4，高空平台辅助激光射频传输策略，根据式(7)和式(11)，模式4中断概率表示为
[0043][0044]
4种不同的模式下，系统的平均中断概率表示为其中pk表示不同模式的发生概率；
[0045]
误码率表达式为
[0046][0047]
其中，σ，p，qu是与探测方式和调制方式相关的系数，采用bpsk调制，qu＝1；γ(p)表示p对应的gamma函数值，x表示积分变量，考虑外差探测方式，根据式(8)和式(15)，模式1的误码率表示为
[0048][0049]
其中f
p
为卫星到高空平台误码率，表达式为
[0050][0051]
模式2的误码率具有与模式1的误码率相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；
[0052]
根据式(10)和式(15)，模式3的误码率表示为
[0053][0054]
根据式(11)和式(15)，模式4的误码率表示为
[0055][0056]
4种不同的模式下，系统的平均误码率表示为
[0057]
遍历容量表达式为
[0058][0059]
其中，c为与探测方式相关的系数，对于外差探测方式c＝1，e[
·
]表示求均值；
[0060]
考虑外差探测方式，根据式(8)和式(20)，模式1的遍历容量表示为
[0061][0062]
其中，fs表示卫星到高空平台的链路容量，表达式为
[0063][0064]
模式2的遍历容量具有与模式1的遍历容量相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；
[0065]
根据式(10)和式(20)，模式3的遍历容量表示为
[0066][0067]
根据式(11)和(式20)，模式4的遍历容量表示为
[0068][0069]
四种不同的模式，系统的平均误码率表示为
[0070]
在本发明的一个具体实施例中，仿真参数设置如表1所示：
[0071]
表1 仿真参数设置
[0072][0073][0074]
在本发明的另一个具体实施例中，天气相关参数设置如表2所示：
[0075]
表2 天气相关参数设置
[0076]
天气状况α0(db/km)ω
rain
(db/km)晴朗天气0.430.01降雨天气5.845.69有云天气3.340.1大雾天气16.670.1
[0077]
本发明借助于高空平台和智能反射面辅助的无人机，通过灵活选取传输模式实现复杂天气条件下的稳定可靠传输，且结构简单、易于实现。
[0078]
本发明方法基于高空平台中继实现激光微波链路的灵活选择，结构简单易于实现。相较于传统的中继方法，本发明方法能够实现复杂天气条件下较好的传输性能，抗天气状况的鲁棒性能较强；此外，本发明方法考虑到借助于智能反射面辅助的无人机来进行空间分集，增强了链路选择的多样性和灵活性；另外，本发明提供利用中断概率、误码率和遍历容量等信息论性能指标对提出的方法进行评估的方法，并与传统的激光微波中继系统进行了性能比较。
附图说明
[0079]
图1为本发明提出的复杂天气条件下的星地激光微波协同传输示意图；
[0080]
图2为星地激光微波协同传输的实现方法流程图；
[0081]
图3为本发明方法性能与传统方法性能对比图，其中图3(a)示出中断概率；图3(b)示出误码率；图3(c)示出遍历容量。
具体实施方式
[0082]
下面结合附图对本发明所提方法做进一步说明：
[0083]
本发明提供一种复杂天气条件下的星地激光微波协同传输方法，如图1所示，其基于一种复杂天气条件下的星地激光微波协同传输系统，该系统组成包括低轨卫星(以下简称“卫星”)、高空平台、智能反射面辅助的无人机、地面基站(以下简称“地面站”)、激光链路和射频链路，其中高空平台上配备有天气传感器。考虑卫星和地面站之间的下行链路通信。
为减少大气湍流对激光通信的影响，采用高空平台进行中继，在高空平台处可以根据天气状况，灵活采用激光链路和射频链路进行传输。此外，智能反射面辅助的无人机也被用来进行空间分集以提升系统的灵活性。
[0084]
本发明一种复杂天气条件下的星地激光微波协同传输方法的具体实现过程如图2所示。
[0085]
在卫星处采用正交幅度调制的方式对数据进行调制，调制后的信号表达式为
[0086]
sn(t)＝a
ni
(t)g(t)cos(2πfct)-a
nq
(t)g(t)sin(2πfct)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0087]
其中，fc为载波频率，g(t)为脉冲成形函数，a
ni
(t)和a
nq
(t)分别表示同相和正交幅度分量。卫星发射的光信号可以表示为
[0088]
s(t)＝p
t
[1+mssn(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0089]
其中，p
t
和ms分别表示卫星发射功率和调制指数。
[0090]
采用不同中继模式下地面站的接收信号可以分别表示为
[0091][0092]
式中，y
gf
(t)、y
gu
(t)、y
gr
(t)分别表示地面站通过模式1和2中继接收到的信号、地面站通过模式3中继接收到的信号、地面站通过模式4中继接收到的信号。和分别表示卫星到高空平台段的信道系数和噪声，和分别表示模式1、模式3和模式4对应的高空平台到地面站信道系数，和分别为模式1，模式3和模式4对应的噪声，η为光电转化效率，g
fso
为高空平台激光链路放大系数，射频链路对应的路径损耗。
[0093]
对于模式1，即晴朗天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，考虑被广泛接受的gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减和指向误差影响考虑在内，模式1单跳激光信道的概率密度函数表达式为
[0094][0095]
其中为meijer’g函数，可以用来表示绝大多数特殊函数，为本领域技术人员所知，m、n、p、q为表征变量个数的非负整数，α1和β1为大气湍流相关参数，ζ1为衡量指向误差严重程度的参数，为模式1激光链路大气衰减系数，a0为接收机波束中心收到的光功率，γ(α1)、γ(β1)分别表示α1和β1对应的gamma函数值，可以利用matlab软件直接计算。
[0096]
对于模式2，即阴雨天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，采用与模式1相同的信道分布模型，所不同的是天气相关大气衰减系数
[0097]
对于模式3，即有云天气条件下卫星-高空平台-无人机-地面站激光传输模式，考虑gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减、指向误差和到达角抖动考虑在内，模式3高空平台到地面站的信道概率密度函数表达式为
[0098][0099]
其中，α3、β3、ζ3与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是在不同公式中的具体数值不同，代表不同的天气状况，因此采用不同符号加以区分，δ(
·
)表示狄拉克函数，表示到达角抖动方差，θ
fov
表示视场角，为模式3的大气衰减系数，γ(α3)、γ(β3)分别表示α3和β3对应的gamma函数值。
[0100]
对于模式4，即大雾天气条件下卫星-高空平台-地面站激光射频混合传输模式，激光链路采用gamma-gamma信道分布模型，射频链路考虑阴影莱斯(rician)模型，模式4高空平台到地面站信道概率密度函数表达式为
[0101][0102]
其中m0表示衰落严重性参数，ω和b分别是是视线分量和多径分量的平均功率，φ1(
·
，
·
，
·
)是合流超几何函数，表示高斯超几何函数的极限情形。
[0103]
不同天气因素引起激光和射频链路衰减是传输性能下降的重要原因，激光路主要受到云和雾因素引起的衰减，射频链路主要受到雨衰的影响。激光链路大气衰减系数可以由比尔斯-兰伯特定律建模为其中α0表示天气相关的链路衰减因子，l表示链路距离。射频链路的衰减模型可以建模为其中g
t
和gr分别表示发射天线和接收天线增益，f表示射频工作频率，ω
oxy
和ω
rain
表示由氧气和降雨散射吸收引起的衰减。卫星到高空平台的链路距离计算方式为其中hs表示卫星高度，h
p
表示高空平台高度，表示天顶角。高空平台到地面站距离计算方式为其中hg表示地面站高度。
[0104]
星地激光微波传输系统的重要评价指标包括中断概率、误码率和遍历容量。为衡量所提方案的性能，本发明提出一种性能分析方法，并且该方法可以灵活地拓展到其他场景。中断概率定义为链路瞬时信噪比低于预设定信噪比，不同模式的中断概率表达式为
[0105][0106]
其中，γ
th
表示中断阈值，表示不同模式的信噪比累积分布函数，其中k＝1，2，3，4表示不同的模式，当k＝1，2时，的表达式为
[0107]
[0108]
其中，γ表示链路信噪比，α2、β2、ζ2与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是数值不同，γ(α2)、γ(β2)分别表示α2和β2对应的gamma函数值，μ1表示卫星到高空平台链路的平均信噪比，μ2表示高空平台到地面基站的平均信噪比，q表示固定增益放大系数，b1＝1和b2＝1表示外差探测系数，外差探测系数，其中，e3和e4表示meijer’g函数中对应的项，是为了简化式(8)，表示二元meijer’g函数，其含义为本领域内人员所熟知。表示卫星到高空平台信噪比累积分布函数，函数式如式(9)所示
[0109][0110]
其中，e1和e2表示meijer’g函数中对应的项，是为了简化式(9)。
[0111]
当k＝3时，的表达式为
[0112][0113]
其中，b3＝1表示外差探测系数，μ3表示高空平台-智能反射面辅助无人机-地面基站的平均信噪比，站的平均信噪比，e5和e6表示meijer’g函数中对应的项，是为了简化式(10)。
[0114]
当k＝4时，的表达式为
[0115][0116]
其中，s和j表示中间计数变量，c表示模式4增益放大系数，表示meijer’g函数中对应的项，这里k1是代表行向量，但是二元meijer’g函数中的项数是灵活的，类似于数组，不用一一对应，甚至可以是空
集，是为了简化表达，集，是为了简化表达，表示高空平台到地面站射频链路平均信噪比。
[0117]
考虑外差探测方式，根据式(7)和式(8)，模式1中断概率表示为
[0118][0119]
由于天气衰减系数不同，模式2的中断概率与模式1中断概率有相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同。
[0120]
对于模式3，智能反射面辅助无人机中策略，根据式(7)和式(10)，模式3中断概率表示为
[0121][0122]
对于模式4，高空平台辅助激光射频传输策略，根据式(7)和式(11)，模式4中断概率表示为
[0123][0124]
4种不同的模式下，系统的平均中断概率表示为其中pk表示不同模式的发生概率。
[0125]
误码率是衡量激光微波协同传输链路传输准确性的重要性能指标，表达式为
[0126][0127]
其中，σ，p，qu是与探测方式和调制方式相关的系数，本发明采用bpsk调制，因此qu＝1。γ(p)表示p对应的gamma函数值，x表示积分变量，考虑外差探测方式，根据式(8)和式(15)，模式1的误码率表示为
[0128]
[0129]
其中f
p
为卫星到高空平台的链路误码率，表达式为
[0130][0131]
模式2的误码率具有与模式1的误码率相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同。
[0132]
根据式(10)和式(15)，模式3的误码率表示为
[0133][0134]
根据式(11)和式(15)，模式4的误码率表示为
[0135][0136]
4种不同的模式下，系统的平均误码率表示为
[0137]
遍历容量也是激光微波协同传输系统的一个重要性能指标，它表示在随机衰落信道中最大信息速率的时间平均，遍历容量表达式为
[0138][0139]
其中，c为与探测方式相关的系数，对于外差探测方式c＝1，e[
·
]表示求均值。
[0140]
考虑外差探测方式，根据式(8)和式(20)，模式1的遍历容量表示为
[0141][0142]
其中，fs表示卫星到高空平台的链路容量，表达式为
[0143][0144]
模式2的遍历容量具有与模式1的遍历容量相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同。
[0145]
根据式(10)和式(20)，模式3的遍历容量表示为
[0146][0147]
根据式(11)和(式20)，模式4的遍历容量表示为
[0148][0149]
四种不同的模式，系统的平均误码率可以表示为
[0150]
为了验证本发明的有效性和可行性，利用仿真软件matlab对本文所提方法进行分析。仿真参数设置如表1所示，天气相关参数设置如表2所示。
[0151]
表1 仿真参数设置
[0152][0153]
表2 天气相关参数设置
[0154]
天气状况α0(db/km)ω
rain
(db/km)晴朗天气0.430.01降雨天气5.845.69有云天气3.340.1大雾天气16.670.1
[0155]
仿真结果如图3所示，图3(a)给出了所提方案与激光/激光方案和激光/射频方案在不同湍流条件下的中断概率性能比较；图3(b)给出了所提方案与激光/激光方案和激光/射频方案在在不同指向误差下的平均误码率性能比较；图3(c)给出了所提方案与激光/激光方案和激光/射频方案在不同指向误差下的遍历容量性能比较。从中可以看出本专利所提出的激光微波协同传输方法在误码率、中断概率和遍历容量性能上都优于激光/激光方案和激光/射频方案，可以实现在不同天气条件下的高速可靠传输。

技术特征：
1.一种复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法，其基于一种复杂天气条件下的星地激光微波协同传输系统，该系统组成包括低轨卫星、高空平台、智能反射面辅助的无人机、地面基站、激光链路和射频链路，其中高空平台上配备有天气传感器；卫星和地面站之间的下行链路通信采用高空平台进行中继，在高空平台处可以根据天气状况，采用激光链路和射频链路进行传输；采用智能反射面辅助的无人机进行空间分集；其特征在于，所述方法具体实现如下：在卫星处采用正交幅度调制的方式对数据进行调制，调制后的信号表达式为s
n
(t)＝a
ni
(t)g(t)cos(2πf
c
t)-a
nq
(t)g(t)sin(2πf
c
t)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，f
c
为载波频率，g(t)为脉冲成形函数，a
ni
(t)和a
nq
(t)分别表示同相和正交幅度分量；卫星发射的光信号可以表示为s(t)＝p
t
[1+m
s
s
n
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，p
t
和m
s
分别表示卫星发射功率和调制指数；采用不同中继模式下地面基站的接收信号分别表示为式中，y
gf
(t)、y
gu
(t)、y
gr
(t)分别表示地面站通过模式1和2中继接收到的信号、地面站通过模式3中继接收到的信号、地面站通过模式4中继接收到的信号；和分别表示卫星到高空平台段的信道系数和噪声，和分别表示模式1、模式3和模式4对应的信道系数，和分别为模式1，模式3和模式4对应的噪声，η为光电转化效率，g
fso
为高空平台激光链路放大系数，射频链路对应的路径损耗；对于模式1，即晴朗天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，考虑被广泛接受的gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减和指向误差影响考虑在内，模式1单跳激光信道的概率密度函数表达式为其中为meijer’g函数，用来表示绝大多数特殊函数，m、n、p、q为表征变量个数的非负整数，α1和β1为大气湍流相关参数，ζ1为衡量指向误差严重程度的参数，为模式1激光链路大气衰减系数，a0为接收机波束中心收到的光功率，γ(α1)、γ(β1)分别表示α1和β1对应的gamma函数值，利用matlab软件直接计算；对于模式2，即阴雨天气条件下卫星-高空平台-地面站激光传输模式，采用与模式1相同的信道分布模型，所不同的是天气相关大气衰减系数对于模式3，即有云天气条件下卫星-高空平台-无人机-地面站激光传输模式，考虑gamma-gamma信道分布模型，并将大气衰减、指向误差和到达角抖动考虑在内，模式3高空平台到地面站的信道概率密度函数表达式为
其中，α3、β3、ζ3与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是在不同公式中的具体数值不同，代表不同的天气状况，因此采用不同符号加以区分，δ(
·
)表示狄拉克函数，表示到达角抖动方差，θ
fov
表示视场角，为模式3的大气衰减系数，γ(α3)、γ(β3)分别表示α3和β3对应的gamma函数值对于模式4，即大雾天气条件下卫星-高空平台-地面站激光射频混合传输模式，激光链路采用gamma-gamma信道分布模型，射频链路考虑阴影莱斯rician模型，模式4高空平台到地面站信道概率密度函数表达式为其中m0表示衰落严重性参数，ω和b分别是是视线分量和多径分量的平均功率，φ1(
·
，
·
，
·
)是合流超几何函数，表示高斯超几何函数的极限情形；激光链路大气衰减系数由比尔斯-兰伯特定律建模为其中α0表示天气相关的链路衰减因子，l表示链路距离；射频链路的衰减模型建模为其中g
t
和g
r
分别表示发射天线和接收天线增益，f表示射频工作频率，ω
oxy
和ω
rain
表示由氧气和降雨散射吸收引起的衰减；卫星到高空平台的链路距离计算方式为其中h
s
表示卫星高度，h
p
表示高空平台高度，表示天顶角；高空平台到地面站距离计算方式为其中h
g
表示地面站高度；中断概率定义为链路瞬时信噪比低于预设定信噪比，不同模式的中断概率表达式为其中，γ
th
表示中断阈值，表示不同模式的信噪比累积分布函数，其中k＝1，2，3，4表示不同的模式，当k＝1，2时，的表达式为其中，γ表示链路信噪比，α2、β2、ζ2与α1、β1、ζ1具有相同的含义，但是数值不同，γ(α2)、γ(β2)分别表示α2和β2对应的gamma函数值，μ1表示卫星到高空平台链路的平均信噪比，μ2表示高空平台到地面基站的平均信噪比，q表示固定增益放大系数，b1＝1和b2＝1表示外差探测系数，
其中，e3和e4表示meijer’g函数中对应的项，表示二元meijer’g函数；表示卫星到高空平台信噪比累积分布函数，函数式如式(9)所示其中，e1和e2表示meijer’g函数中对应的项；当k＝3时，的表达式为其中，b3＝1表示外差探测系数，μ3表示高空平台-智能反射面辅助无人机-地面基站的平均信噪比，平均信噪比，e5和e6表示meijer’g函数中对应的项；当k＝4时，的表达式为其中，s和j表示中间计数变量，c表示模式4增益放大系数，δ(b1，1-α1)，δ(b1，1-β1)表示meijer’g函数中对应的项，这里k1是代表行向量，但是二元meijer’g函数中的项数是灵活的，类似于数组，不用一一对应，甚至可以是空集，是为了简化表达，函数中的项数是灵活的，类似于数组，不用一一对应，甚至可以是空集，是为了简化表达，表示高空平台到地面站射频链路平均信噪比；考虑外差探测方式，根据式(7)和式(8)，模式1中断概率表示为
由于天气衰减系数不同，模式2的中断概率与模式1中断概率有相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；对于模式3，智能反射面辅助无人机中策略，根据式(7)和式(10)，模式3中断概率表示为对于模式4，高空平台辅助激光射频传输策略，根据式(7)和式(11)，模式4中断概率表示为4种不同的模式下，系统的平均中断概率表示为其中p
k
表示不同模式的发生概率；误码率表达式为其中，σ，p，q
u
是与探测方式和调制方式相关的系数，采用bpsk调制，q
u
＝1；γ(p)表示p对应的gamma函数值，x表示积分变量，考虑外差探测方式，根据式(8)和式(15)，模式1的误码率表示为其中f
p
为卫星到高空平台误码率，表达式为
模式2的误码率具有与模式1的误码率相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；根据式(10)和式(15)，模式3的误码率表示为根据式(11)和式(15)，模式4的误码率表示为4种不同的模式下，系统的平均误码率表示为遍历容量表达式为其中，c为与探测方式相关的系数，对于外差探测方式c＝1，e[
·
]表示求均值；考虑外差探测方式，根据式(8)和式(20)，模式1的遍历容量表示为其中，f
s
表示卫星到高空平台的链路容量，表达式为模式2的遍历容量具有与模式1的遍历容量相同的表达式，但平均信噪比μ2的值不同；根据式(10)和式(20)，模式3的遍历容量表示为根据式(11)和(式20)，模式4的遍历容量表示为
四种不同的模式，系统的平均误码率表示为2.如权利要求1所述的复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法，其特征在于，仿真参数设置如表1所示：表1仿真参数设置。3.如权利要求1所述的复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法，其特征在于，天气相关参数设置如表2所示：表2天气相关参数设置天气状况α0(db/km)ω
raln
(db/km)晴朗天气0.430.01降雨天气5.845.69有云天气3.340.1大雾天气16.670.1。

技术总结
提出一种复杂天气条件下星地激光微波协同传输方法；针对复杂天气的状况设计四种不同的传输模式，利用高空平台和智能反射面辅助的无人机平台来实现低轨卫星和地面站之间灵活的中继链路选择；激光链路由Gamma-Gamma分布建模，射频链路由阴影莱斯模型建模；卫星节点将调制信号发送至高空平台，为减小大气湍流的影响，部署高空平台进行中继传输；高空平台根据天气状况采用激光链路或者射频链路将信号转发至地面站；利用中断概率、误码率和遍历容量为指标对所提方案性能进行评价。本发明方法可以灵活地拓展到其他的场景中；本发明提供的方法可以显著改善复杂天气条件下星地激光微波传输链路的中断性能、误码率性能和遍历容量，且系统复杂度低、易于实现。易于实现。易于实现。


技术研发人员：李勇军 李信 宋鑫康 邵龙 李海
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/19