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摘 要： 建立了月表环境下无线电波传播路径损耗的分段预测模型,并基于NI公司LabWindows/CVI软件平台开发了一套月表电波损耗可视化预测软件.该软件可实现三维的月表数字地形及收发信机位置实时显示,无线电波传播损耗动态预测,以及预测参数及结果的灵活管理.实测结果表明,该软件预测结果与实测数据吻合,操作简便且运行稳定,可用于辅助我国探月工程中月表通信系统的参数设计和性能评估,对于深空探测系统设计也具有一定的参考价值.
关 键 词 ： 月表环境； 电波传播； 预测软件； 三维地形； LabWindows/CVI
中图分类号： TN91934； V448.25+3 文献标识码： A 文章编号： 1004373X（2013）16004504
0 引 言
目前各国的航天事业迅速发展,纷纷加入到登月,登火星甚至其他行星的行列中,而我国嫦娥三号落月工程也已经启动.月表和地球无线通信环境具有非常大的差异,如何实现宇航员和着陆器之间的可靠通信,是未来“落月”工程亟需解决的关键问题之一.国内外科研机构对月表环境下电波损耗预测模型及理论进行了研究,但针对月表电波传播损耗预测的应用软件尚未见公开报道.美国国家航天局公布的“阿波罗”技术报告[12],给出了较为详细的月表视距范围内无线信号功率损耗的理论分析方法；文献[3]通过修正环境参数,将不规则地面电波传播预测模型（ITM）推广至月表场景；国内的国防科技大学和南京航空航天大学等科研单位也进行了相关研究[46].
本文在上述理论研究基础上设计了一款基于LabWindows/CVI软件平台的三维可视化月表电波传播预测软件,该软件利用电磁波分段几何传播模型预测无线信号传波损耗,并应用LabWindows/CVI软件平台实现人机交互可视化计算以及对参数、预测结果的管理,同时逼真的模拟月表三维地形信息.
1.电波传播损耗预测算法与流程
项目组前期经过大量的研究,提出了一种针对月表相对平坦区域的无线信号路径损耗预测模型,该模型中路径损耗可表示为传播距离的分段函数,根据收发端距离的不同分为自由空间模型、地面反射模型和球面绕射模型.本软件利用该分段模型来预测电波传播损耗,算法流程图如图1所示.
当收发端距离很近时（二十几米范围内）,电波在真空状态下的月表传播可近似为自由空间传播,路径损耗可表示为：
[L等于LF等于32.44+20log（f106）+20log（d103）]
式中[f]为电波频率；[d]为收发端距离.
当收发端距离增加,月表面的反射信号不可忽略,此时路径损耗可以表示为自由传播路径损耗与地面反射产生的额外损耗之和,即：
[L等于LF+LR]
式中[LR]为地面反射导致的额外损耗,且为：
[LR等于-10lgEE02等于-10lg1+R2F-2RFcos（Δφ）]
式中：[RF]为等效反射系数；[Δφ]为直射和反射信号的相位差.
当收发端距离较远时,不存在反射路径,但月球弧面将截断收发端的直视路径,此时传播损耗以球面绕射损耗为主.路径损耗可以表示为：
[L等于LF+LD]
式中[LD]表示球面绕射损耗且为：
[LD等于F[X（P）]+G[Y（t,P）]+G[Y（r,P）]]
式中：[F[X（P）]]表示与距离相关的损耗；[G[Y（t,P）]]和[G[Y（r,P）]]则分别对应收发天线高度相关损耗.
当传输距离较近时,还需要考虑级数的其他项,此时绕射影响可表示为内插形式：
[LD等于1-h0.552F1LD,h]
式中：[h]为电路余隙；[F1]为第一费涅尔半径；[LD,h]为视距临界点的参考损耗.
2.三维可视化预测软件设计与实现
2.1 软件功能和设计流程
本软件采用NI公司的LabWindows/CVI作为开发平台,该平台将功能强大、使用灵活的C 语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来,是熟悉C 语言开发设计人员理想的软件开发环境.
该软件实现的主要功能包括动态载入和显示月表三维地形以及宇航员和着陆器的位置,对月表无线电波传播损耗预测以及保存参数和预测结果.系统软件设计流程如图2所示,用户进入软件系统后,可通过“载入配置参数”一次性载入预测所需的参数,也可以根据自己的实际需求修改参数并将之保存成ini格式的配置文件供以后调用.用户可以从外部导入待预测月表场景的三维地形数据,由软件显示出三维地形.软件提供A、B两种预测模式,A模式为用户输入发射、接收天线位置坐标,系统计算显示发射点与接收点直接各个位置的信号损耗值,B模式为用户输入信号损耗值的下限,系统显示小于这一损耗值的区域（即宇航员的安全区域）.软件可以按所选择的模式进行仿真计算和画图,用户可以将所有参数及计算结果以Excel表格的形式保存[8].
2.2 系统参数载入和保存
月表无线电波传播损耗涉及的参数很多,手动输入比较繁琐,而ini格式文件存储量大、操作简单已被广泛应用于软件参数配置.为了提高人机交互性能,我们将常用参数以ini格式的系统配置文件形式进行管理（如图3所示）,实现参数的导入和保存功能,同时也方便了用户对参数的调用和修改.
自动载入配置文件主要有3个步骤,即获得文件路径、获得文件名以及读入数据,实现该功能的代码如下：
GetProjectDir（LastTimeDataDefaultPath）；
strcat（LastTimeDataDefaultPath,
"＼＼LastTimeData.ini"）； status等于Readiniword（LastTimeDataDefaultPath）；
if（!status）
{
SetCtrlVal（panelHandle,PANEL_MOON_RADIUS,iniReaderParameter.Symbol1）；
SetCtrlVal（panelHandle,PANEL_PERMITTIVITY,iniReaderParameter.Symbol2）；
等
}
用户完成电波损耗预测后,可以将与本次预测场景相对应的所有参数保存为ini格式的配置文件,主要代码如下：
GetProjectDir（defaultPath）；
FileSelectPopup （defaultPath, "*.ini", "", "打开配置文件“word”", VAL_OK_BUTTON, 0, 0, 1, 0, sConfigureFilePath）； //用户选择配置文件
status 等于 Readiniword（sConfigureFilePath）； //读配置文件
if（!status）
{
SetCtrlVal（panelHandle,PANEL_MOON_RADIUS, iniReaderParameter.Symbol1）；
SetCtrlVal（panelHandle,PANEL_PERMITTIVITY, iniReaderParameter.Symbol2）；
等
MessagePopup（"提示","成功读取配置文件"）；
}
2.3 月表三维地图显示
为了直观的展示月表地形以及发射接收点的同步显示,利用Ladows/VCI软件提供的Toolslib扩展控件中的3Dgraph控件来实现三维月表地形的显示[7],如图4所示.软件需要获得3Dgraph控件显示所需的二维地形数据,如果用逐个读取方式将文件中的二维地形数据存入软件内的二维数组,需要极大的时间开销.本文利用matlab软件将txt文件中的二维数据转化为一列,然后用ladows软件自带的FileToArray（）函数直接将转化后txt文件中的数据存入一个一维数组,然后将一维数组转化为3Dgraph控件所需的二维数组.这样只需要一句代码,很大程度上缩减了时间开销,同时也提高了程序的稳定性.
if （FileSelectPopup （"", "*.dat", "*.dat", "Name of File to Read",VAL_OK_BUTTON, 0, 1, 1, 0,pathname） > 0）
{
FileToArray（pathname,mf,VAL_DOUBLE,
1000,1,VAL_GROUPS_TOGETHER,VAL_GROUPS_
AS_COLUMNS,VAL_ASCII）；
}
3.软件测试及验证
3.1 用户界面
友好的用户界面设计可以方便用户操作,本软件用户界面如图5所示,它包括3个部分：显示模块、参数设置模块和操作命令模块.显示模块用于展示月表地形三维模拟图和月表信号传播损耗预测结果；参数设置模块包含发射接收端位置、损耗值、环境参数、系统参数,其中环境参数包括月球半径、介电常数、地形起伏、电导率这几个重要的参数,而系统参数主要为发射、接收天线高度以及极化方式；操作命令模块即数据载入、参数保存、计算等几个控制命令.
3.2 预测结果及分析
图6给出了图5所示系统参数条件下该软件对不同频率电波传播损耗的预测结果,该结果与前期利用Matlab软件对分段预测模型的计算结果一致.同时,由图还可看出：
（1）信号传播损耗值随距离增加而增大,随信号频率增加而增加；
（2）当通信距离比较近时,传播损耗与自由空间的传播损耗基本一致,即与距离二次方成反比关系；
（3）当通信距离增大时,传播损耗迅速下降且与距离四次方衰减曲线基本吻合.
4.结 语
月表无线信号损耗预测对月表通信系统的参数设计和性能评估具有重要的作用,本文以较为精确的月表无线电波传播损耗分段模型为算法基础,在LabWindows/CVI软件平台上,开发了一套月表无线电波传播损耗动态三维可视化预测软件.该软件具有友好的用户界面,能够实现配置参数的自动加载和简便管理,并提供了预测场景的三维地形演示,简便而直观地实现了月表场景下无线电波损耗的预测.