杨殿亮，贺卫亮

(北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191)

0 引 言

测控信道是完成对无人飞行器的遥控、遥测、跟踪定位以及任务载荷信息传输的关键所在，其分为上行信道和下行信道。上行信道传输遥控指令;下行信道传输遥测数据和任务载荷信息。地面站通过数据延迟来完成测距［1］，通过天线相位差来完成测角。无人飞行器在复杂飞行任务过程中，要保证其任务的顺利完成，依赖信道设计的实用性和可靠性。

对无人飞行器信道的设计多来源于工程应用实际，研究针对性很强。国内外很多学者都开展了相关的工作。Rice 和Davis 研究了宽带信道遥测特性［2］，Hass 提出了适用地空/空空数据链的宽带信道模型［3］。李三中对小型遥测系统进行了信道设计［4］，张祥莉等对高动态多目标定位系统提出了信道设计方案［5］，以上作者在分析和设计中各有侧重点。本文基于已有研究，针对已提出的技术指标，分析测控信道的链路增益预算，给出链路电平分配和误码率，并采用信道编码(纠错机制)保证上下行误码率的指标要求。

本文研究测控信道的系统任务技术指标如下:

(1)作用距离:不小于100 km;

(2)信号形式:PCM－BPSK/ QPSK;

(3)工作频率:上行1 885 MHz/下行1 980 MHz;

(4)遥控与遥测码速率:上行19.6 kbps/下行2.048 Mbps;

(5)遥测发射机功率:不大于5 W;

(6)误码率:上行不大于10－8，下行不大于10－6。

根据上述系统任务技术指标要求，进行对测控信道设计。

1 链路增益

收发双方的设备性能、电磁波传播路径和基本通信任务需求都对链路增益有影响。将基本通信方程［6］处理可得无人飞行器测控信道增益损耗计算模型，链路增益模型如图1 所示。

图1 增益损耗计算模型图

对应模型给出链路增益公式:

式中:G∑为链路总增益;L∑为链路总衰减;Gt为发射天线增益;Lt为发射机和天线系统损耗;Gr为接收天线增益;Lr为接收机和天线系统损耗;Lbf为链路基本衰减，为遥控遥测系统的自由空间传输损耗;LF为多径衰减;Len为环境衰减;Lother为其他衰减。

1.1 收发天线增益

机载收发天线为全向天线，地面天线为定向/全向切换天线，考虑无人飞行器测控信道的极限距离设计，这里地面收发天线选为定向天线(抛物面)，增益为

式中:Gt/r为发射/接收天线增益;Ae为天线有效口径;η 为效率因子，取值0.55;λ 为电波波长;f 为工作频率;dt/r为发射/接收天线直径;c 为光速。

1.2 信道基本衰减

链路衰落基本衰减Lbf为电波能量自由扩散导致的路径损耗，为接收功率与发射功率的比值，表达式为

式中:D 是发射接收距离，km。

1.3 多径衰减

多径衰减是多条路径不同相位的信号叠加造成，适用于无人飞行器视距通信衰落分析。测控链路通信可视为一个直射波成分和一个散射波成分的叠加［2］，直射波来源于地面天线的发射信号，反射波来源于山地、平原或丘陵等地球表面的反射［7］。F 定义为双径衰落模型深衰落强度，多径衰减为

式中:E 为机载天线接收总场强;E1为直射波的场强;d1，d2为发射电波在反射点前和反射点后的水平投影距离，d =d1+d2;Re为地球半径;h1为地面天线高度;h2为飞行器高度。

1.4 环境衰减

环境衰减为传输信号在传播路径上被吸收而造成，主要有大气吸收、云层衰减、法拉第旋转、电离层和对流层闪烁等。基于无人飞行器的工作频率和作战高度，本文主要采用大气吸收和降雨衰落造成的衰减。根据ITU－R 模型［8］和DAH 模型［9］，环境衰减为

式中:hw，ho分别为水蒸气和干燥空气的有效高度;kw，ko分别为水分子和氧分子的衰减系数;β为地面天线波速仰角;k，α 为降雨参数，随工作频率变化;R0.01为当年0. 01% 时间测得的降雨率，mm/h;Le为降雨带有效路径长度。降雨衰减是传输路径上水滴衰减的积分［10］。

1.5 其他衰减

其他衰减包括天线指向损耗、极化耦合损耗、双工器损耗、孔径－介质耦合损耗，同时也包括反射影响或散射吸收(主要由反射曲面的聚焦或散焦作用引起或由不均匀媒质对电波的散射作用引起)等损耗衰减。

2 误码率计算

信道设计是对信道各参数的折衷处理，使信道的总体性能最佳。而误码率设计就是要使得遥控遥测数据和任务载荷数据［11］能安全、准确地在上下行信道上可靠传输，满足设计的指标要求。对于误码率计算，分三步完成。

第一步，计算地面接收机输入的信噪比。

式中:C/N 为接收机输入端信号功率和噪声谱密度比;Pro为接收处功率;Nt为接收系统的等效功率谱密度;Pt为发射机发射功率;Sf为功率安全裕量。接收系统的等效功率谱密度Nt=10lgKTr，K为波尔茨曼常数，取值1.38 ×10－23J/K;Tr为接收系统的等效噪声温度，约300 K。

考虑整个链路的增益和衰减，设计无人飞行器测控信道时需留有足够的安全裕量。如果对信道参数预测准确，安全裕量可取1 ～3 dB，信道参数预测不准时，安全裕量可取4 ～6 dB。

第二步，计算码元平均能量与噪声谱密度比。

式中:Eb为每比特能量;N0为噪声功率谱密度;Rb为比特速率。

第三步，计算上下行信道的误码率。

上行信道数据传输率低、电平裕量大，易于实现解调门限较低、抗干扰性能较好的BPSK 调制，与直接序列扩频(DSSS)结合后，其误码率为

下行信道数据量大，QPSK 占用带宽只是BPSK 占用带宽的一半，但其具有与BPSK 同等功率利用效率和性能［6］，其误码率为

式中:erf 为误差函数。erf 函数表达式为

3 纠错体制设计

无人飞行器设计遥控信道虽采用扩频传输，但一般上行信道误码率为10－6左右，下行信道误码率为10－4左右，无法满足要求。

上行信道数据传输率低，信道资源多，可通过纠错编码来控制误码率。纠错方式分为前向纠错方式(FEC)、重传反馈方式(ARQ)和混合纠错方式(HEC)。FEC 译码实时性好，控制电路简单，但译码设备复杂，编码效率低;ARQ 译码设备简单，但控制电路复杂，传输信息实时性和连贯性差，效率低;HEC 是FEC 和ARQ 的结合，一定程度上能够避免FEC 和ARQ 的缺点，但是设备复杂。工程实际常同时采用三种纠错方式纠错。若上行链路误码率为5 ×10－6，指令长度为8，则单发条件下的误指令率为

采用收三判二的方式纠错，即将同一帧发送三次，三次中两次判断为正确指令则接受该判定。误指令率为

下行信道误码率与实际的误码率要求相差很大，采用纠错能力为t 的(n，k)线性分组码来对遥测数据进行信道编码，n 为码字长，k 为信息字长。

式中:Peq为等效误码率。若下行信道误码率10－4，采用纠错能力t 为1 的(12，8)分组码，则有

综上，上下行链路误指令率均满足技术指标要求。

4 链路电平分配

上行信道主要传输遥控指令，采用扩频传输，发射机功率10 W，可用带宽34 MHz，选码长1 023的扩频码，扩频处理增益30.1 dB，解扩处理增益32.4 dB，输入信噪比－17.4 dB，具体电平分配见表1。下行信道主要传输遥测数据和任务载荷数据，具体电平分配见表2。

表1 上行链路电平分配表

表2 下行链路电平分配表

5 计算工具开发

结合无人飞行器测控信道链路增益和信道编码的计算模型，为方便信道设计和计算，设计编写GUI 用户界面，将收发天线功率与口径、收发天线损耗、安全裕量、地面天线高度、无人飞行器高度、上下行信道工作频率、大气温度、地面站纬度以及降雨率等作为用户输入参数，可得出双径衰减、大气吸收衰减、降雨衰减、误码率和纠错后的误码率，界面如图2 所示。

图2 设计工具运行界面

首先，针对衰落计算编程，对输入的地面天线高度、飞行器高度、上下行信道工作频率参数进行初步计算，得出双径衰减、大气吸收衰减以及降雨衰减。其次，针对链路增益计算编程，对输入的收发天线功率与口径、收发天线损耗、安全裕量等参数加入计算，得出误码率和接收机灵敏度。最后，对纠错能力不同的线性分组码或2/3，3/3 纠错方式下的最终误码率进行计算。

设计进行相关图形界面操作的菜单栏。手动输入参数:地面天线高度、飞行器高度、作用距离、上下行信道工作频率、收发天线发射功率与口径、收发天线损耗、安全裕量等;默认输入参数:大气温度、水蒸气密度、地面站纬度、降雨率、极化倾角等，均可依用户需求更改。以图2 中下行信道为例，各参数取值:地面天线2 m，飞行器高度3 km，作用距离100 km，温度、水蒸气密度、地面站纬度、降雨率、极化倾角取默认值，下行工作频率1 980 MHz，天线发射功率5 W，天线增益6 dB，发射天线损耗2 dB，其他损耗1.2 dB，地面天线口径2.5 m，地面天线损耗2 dB，安全裕量3 dB。计算结果误码率为3.65 ×10－4。纠错编码后，等效误码率为7.3 ×10－7。

6 结 论

针对给定的某无人飞行器建立了测控信道误码率的计算模型，并通过计算模型给出了合理的误码率设计和链路电平分配数据，保证了设计的测控信道指标参数达到系统任务技术指标要求。编写的GUI 用户界面高效易用，缩短了无人飞行器的上下行信道计算分析设计周期。

［1］聂少军，何兵哲，王宏卓，等.精密测距与高速数传一体化信道设计［J］.现代电子技术，2013，36(5):57－62.

［2］Rice M，Davis A，Bettweiser C. Wideband Channel Model for Aeronautical Telemetry［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2004，40(1):57－69.

［3］Hass E. Aeronautical Channel Modeling［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51(2):254－264.

［4］李三中，李先亮，张其善.小型遥测系统的容量和信道设计［J］.北京航空航天大学学报，1998，2(24):149－152.

［5］张祥莉，李署坚，王丹志，等.一种高动态多目标定位系统的信道设计［J］.遥测遥控，2005，26(1):15－20.

［6］姜昌，范晓玲.航天通信跟踪技术导论［M］.北京:北京工业大学出版社，2003.

［7］Loyka S，Kouki A. Using Two Ray Multipath Model for Microwave Link Budget Analysis［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2001，43(5):31－35.

［8］ITU-R Recommendation P. 530. 5#Propagation Data and Prediction Methods Required for the Design of Terrestrial Line-of-Sight Systems［S］. Geneva，Switzerland，1999.

［9］王艳岭，达新宇.一种改进的Ka 频段雨衰减预测模型［J］.电讯技术，2010，50(1):53－56.

［10］颜俊.无人机遥控遥测系统作用距离的计算［D］. 南京:南京航空航天大学，2007.

［11］吕金龙，陈树新.无人机衰落信道扩频通信性能研究［J］.电子技术应用，2010(3):120－123.