一種無人飛行器測控信道初步設計

楊殿亮，賀衛亮

(北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191)

0 引 言

測控信道是完成對無人飛行器的遙控、遙測、跟蹤定位以及任務載荷信息傳輸的關鍵所在，其分為上行信道和下行信道。上行信道傳輸遙控指令;下行信道傳輸遙測數據和任務載荷信息。地面站通過數據延遲來完成測距［1］，通過天線相位差來完成測角。無人飛行器在復雜飛行任務過程中，要保證其任務的順利完成，依賴信道設計的實用性和可靠性。

對無人飛行器信道的設計多來源于工程應用實際，研究針對性很強。國內外很多學者都開展了相關的工作。Rice 和Davis 研究了寬帶信道遙測特性［2］，Hass 提出了適用地空/空空數據鏈的寬帶信道模型［3］。李三中對小型遙測系統進行了信道設計［4］，張祥莉等對高動態多目標定位系統提出了信道設計方案［5］，以上作者在分析和設計中各有側重點。本文基于已有研究，針對已提出的技術指標，分析測控信道的鏈路增益預算，給出鏈路電平分配和誤碼率，并采用信道編碼(糾錯機制)保證上下行誤碼率的指標要求。

本文研究測控信道的系統任務技術指標如下:

(1)作用距離:不小于100 km;

(2)信號形式:PCM－BPSK/ QPSK;

(3)工作頻率:上行1 885 MHz/下行1 980 MHz;

(4)遙控與遙測碼速率:上行19.6 kbps/下行2.048 Mbps;

(5)遙測發射機功率:不大于5 W;

(6)誤碼率:上行不大于10－8，下行不大于10－6。

根據上述系統任務技術指標要求，進行對測控信道設計。

1 鏈路增益

收發雙方的設備性能、電磁波傳播路徑和基本通信任務需求都對鏈路增益有影響。將基本通信方程［6］處理可得無人飛行器測控信道增益損耗計算模型，鏈路增益模型如圖1 所示。

圖1 增益損耗計算模型圖

對應模型給出鏈路增益公式:

式中:G∑為鏈路總增益;L∑為鏈路總衰減;Gt為發射天線增益;Lt為發射機和天線系統損耗;Gr為接收天線增益;Lr為接收機和天線系統損耗;Lbf為鏈路基本衰減，為遙控遙測系統的自由空間傳輸損耗;LF為多徑衰減;Len為環境衰減;Lother為其他衰減。

1.1 收發天線增益

機載收發天線為全向天線，地面天線為定向/全向切換天線，考慮無人飛行器測控信道的極限距離設計，這里地面收發天線選為定向天線(拋物面)，增益為

式中:Gt/r為發射/接收天線增益;Ae為天線有效口徑;η 為效率因子，取值0.55;λ 為電波波長;f 為工作頻率;dt/r為發射/接收天線直徑;c 為光速。

1.2 信道基本衰減

鏈路衰落基本衰減Lbf為電波能量自由擴散導致的路徑損耗，為接收功率與發射功率的比值，表達式為

式中:D 是發射接收距離，km。

1.3 多徑衰減

多徑衰減是多條路徑不同相位的信號疊加造成，適用于無人飛行器視距通信衰落分析。測控鏈路通信可視為一個直射波成分和一個散射波成分的疊加［2］，直射波來源于地面天線的發射信號，反射波來源于山地、平原或丘陵等地球表面的反射［7］。F 定義為雙徑衰落模型深衰落強度，多徑衰減為

式中:E 為機載天線接收總場強;E1為直射波的場強;d1，d2為發射電波在反射點前和反射點后的水平投影距離，d =d1+d2;Re為地球半徑;h1為地面天線高度;h2為飛行器高度。

1.4 環境衰減

環境衰減為傳輸信號在傳播路徑上被吸收而造成，主要有大氣吸收、云層衰減、法拉第旋轉、電離層和對流層閃爍等。基于無人飛行器的工作頻率和作戰高度，本文主要采用大氣吸收和降雨衰落造成的衰減。根據ITU－R 模型［8］和DAH 模型［9］，環境衰減為

式中:hw，ho分別為水蒸氣和干燥空氣的有效高度;kw，ko分別為水分子和氧分子的衰減系數;β為地面天線波速仰角;k，α 為降雨參數，隨工作頻率變化;R0.01為當年0. 01% 時間測得的降雨率，mm/h;Le為降雨帶有效路徑長度。降雨衰減是傳輸路徑上水滴衰減的積分［10］。

1.5 其他衰減

其他衰減包括天線指向損耗、極化耦合損耗、雙工器損耗、孔徑－介質耦合損耗，同時也包括反射影響或散射吸收(主要由反射曲面的聚焦或散焦作用引起或由不均勻媒質對電波的散射作用引起)等損耗衰減。

2 誤碼率計算

信道設計是對信道各參數的折衷處理，使信道的總體性能最佳。而誤碼率設計就是要使得遙控遙測數據和任務載荷數據［11］能安全、準確地在上下行信道上可靠傳輸，滿足設計的指標要求。對于誤碼率計算，分三步完成。

第一步，計算地面接收機輸入的信噪比。

式中:C/N 為接收機輸入端信號功率和噪聲譜密度比;Pro為接收處功率;Nt為接收系統的等效功率譜密度;Pt為發射機發射功率;Sf為功率安全裕量。接收系統的等效功率譜密度Nt=10lgKTr，K為波爾茨曼常數，取值1.38 ×10－23J/K;Tr為接收系統的等效噪聲溫度，約300 K。

考慮整個鏈路的增益和衰減，設計無人飛行器測控信道時需留有足夠的安全裕量。如果對信道參數預測準確，安全裕量可取1 ～3 dB，信道參數預測不準時，安全裕量可取4 ～6 dB。

第二步，計算碼元平均能量與噪聲譜密度比。

式中:Eb為每比特能量;N0為噪聲功率譜密度;Rb為比特速率。

第三步，計算上下行信道的誤碼率。

上行信道數據傳輸率低、電平裕量大，易于實現解調門限較低、抗干擾性能較好的BPSK 調制，與直接序列擴頻(DSSS)結合后，其誤碼率為

下行信道數據量大，QPSK 占用帶寬只是BPSK 占用帶寬的一半，但其具有與BPSK 同等功率利用效率和性能［6］，其誤碼率為

式中:erf 為誤差函數。erf 函數表達式為

3 糾錯體制設計

無人飛行器設計遙控信道雖采用擴頻傳輸，但一般上行信道誤碼率為10－6左右，下行信道誤碼率為10－4左右，無法滿足要求。

上行信道數據傳輸率低，信道資源多，可通過糾錯編碼來控制誤碼率。糾錯方式分為前向糾錯方式(FEC)、重傳反饋方式(ARQ)和混合糾錯方式(HEC)。FEC 譯碼實時性好，控制電路簡單，但譯碼設備復雜，編碼效率低;ARQ 譯碼設備簡單，但控制電路復雜，傳輸信息實時性和連貫性差，效率低;HEC 是FEC 和ARQ 的結合，一定程度上能夠避免FEC 和ARQ 的缺點，但是設備復雜。工程實際常同時采用三種糾錯方式糾錯。若上行鏈路誤碼率為5 ×10－6，指令長度為8，則單發條件下的誤指令率為

采用收三判二的方式糾錯，即將同一幀發送三次，三次中兩次判斷為正確指令則接受該判定。誤指令率為

下行信道誤碼率與實際的誤碼率要求相差很大，采用糾錯能力為t 的(n，k)線性分組碼來對遙測數據進行信道編碼，n 為碼字長，k 為信息字長。

式中:Peq為等效誤碼率。若下行信道誤碼率10－4，采用糾錯能力t 為1 的(12，8)分組碼，則有

綜上，上下行鏈路誤指令率均滿足技術指標要求。

4 鏈路電平分配

上行信道主要傳輸遙控指令，采用擴頻傳輸，發射機功率10 W，可用帶寬34 MHz，選碼長1 023的擴頻碼，擴頻處理增益30.1 dB，解擴處理增益32.4 dB，輸入信噪比－17.4 dB，具體電平分配見表1。下行信道主要傳輸遙測數據和任務載荷數據，具體電平分配見表2。

表1 上行鏈路電平分配表

表2 下行鏈路電平分配表

5 計算工具開發

結合無人飛行器測控信道鏈路增益和信道編碼的計算模型，為方便信道設計和計算，設計編寫GUI 用戶界面，將收發天線功率與口徑、收發天線損耗、安全裕量、地面天線高度、無人飛行器高度、上下行信道工作頻率、大氣溫度、地面站緯度以及降雨率等作為用戶輸入參數，可得出雙徑衰減、大氣吸收衰減、降雨衰減、誤碼率和糾錯后的誤碼率，界面如圖2 所示。

圖2 設計工具運行界面

首先，針對衰落計算編程，對輸入的地面天線高度、飛行器高度、上下行信道工作頻率參數進行初步計算，得出雙徑衰減、大氣吸收衰減以及降雨衰減。其次，針對鏈路增益計算編程，對輸入的收發天線功率與口徑、收發天線損耗、安全裕量等參數加入計算，得出誤碼率和接收機靈敏度。最后，對糾錯能力不同的線性分組碼或2/3，3/3 糾錯方式下的最終誤碼率進行計算。

設計進行相關圖形界面操作的菜單欄。手動輸入參數:地面天線高度、飛行器高度、作用距離、上下行信道工作頻率、收發天線發射功率與口徑、收發天線損耗、安全裕量等;默認輸入參數:大氣溫度、水蒸氣密度、地面站緯度、降雨率、極化傾角等，均可依用戶需求更改。以圖2 中下行信道為例，各參數取值:地面天線2 m，飛行器高度3 km，作用距離100 km，溫度、水蒸氣密度、地面站緯度、降雨率、極化傾角取默認值，下行工作頻率1 980 MHz，天線發射功率5 W，天線增益6 dB，發射天線損耗2 dB，其他損耗1.2 dB，地面天線口徑2.5 m，地面天線損耗2 dB，安全裕量3 dB。計算結果誤碼率為3.65 ×10－4。糾錯編碼后，等效誤碼率為7.3 ×10－7。

6 結 論

針對給定的某無人飛行器建立了測控信道誤碼率的計算模型，并通過計算模型給出了合理的誤碼率設計和鏈路電平分配數據，保證了設計的測控信道指標參數達到系統任務技術指標要求。編寫的GUI 用戶界面高效易用，縮短了無人飛行器的上下行信道計算分析設計周期。

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

［4］李三中，李先亮，張其善.小型遙測系統的容量和信道設計［J］.北京航空航天大學學報，1998，2(24):149－152.

［5］張祥莉，李署堅，王丹志，等.一種高動態多目標定位系統的信道設計［J］.遙測遙控，2005，26(1):15－20.

［6］姜昌，范曉玲.航天通信跟蹤技術導論［M］.北京:北京工業大學出版社，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.

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