楊殿亮，賀衛(wèi)亮

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

測(cè)控信道是完成對(duì)無(wú)人飛行器的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位以及任務(wù)載荷信息傳輸?shù)年P(guān)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(cè)數(shù)據(jù)和任務(wù)載荷信息。地面站通過(guò)數(shù)據(jù)延遲來(lái)完成測(cè)距［1］，通過(guò)天線相位差來(lái)完成測(cè)角。無(wú)人飛行器在復(fù)雜飛行任務(wù)過(guò)程中，要保證其任務(wù)的順利完成，依賴信道設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性。

對(duì)無(wú)人飛行器信道的設(shè)計(jì)多來(lái)源于工程應(yīng)用實(shí)際，研究針對(duì)性很強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開(kāi)展了相關(guān)的工作。Rice 和Davis 研究了寬帶信道遙測(cè)特性［2］，Hass 提出了適用地空/空空數(shù)據(jù)鏈的寬帶信道模型［3］。李三中對(duì)小型遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了信道設(shè)計(jì)［4］，張祥莉等對(duì)高動(dòng)態(tài)多目標(biāo)定位系統(tǒng)提出了信道設(shè)計(jì)方案［5］，以上作者在分析和設(shè)計(jì)中各有側(cè)重點(diǎn)。本文基于已有研究，針對(duì)已提出的技術(shù)指標(biāo)，分析測(cè)控信道的鏈路增益預(yù)算，給出鏈路電平分配和誤碼率，并采用信道編碼(糾錯(cuò)機(jī)制)保證上下行誤碼率的指標(biāo)要求。

本文研究測(cè)控信道的系統(tǒng)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)作用距離:不小于100 km;

(2)信號(hào)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(cè)碼速率:上行19.6 kbps/下行2.048 Mbps;

(5)遙測(cè)發(fā)射機(jī)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(jù)上述系統(tǒng)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行對(duì)測(cè)控信道設(shè)計(jì)。

1 鏈路增益

收發(fā)雙方的設(shè)備性能、電磁波傳播路徑和基本通信任務(wù)需求都對(duì)鏈路增益有影響。將基本通信方程［6］處理可得無(wú)人飛行器測(cè)控信道增益損耗計(jì)算模型，鏈路增益模型如圖1 所示。

圖1 增益損耗計(jì)算模型圖

對(duì)應(yīng)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(fā)射天線增益;Lt為發(fā)射機(jī)和天線系統(tǒng)損耗;Gr為接收天線增益;Lr為接收機(jī)和天線系統(tǒng)損耗;Lbf為鏈路基本衰減，為遙控遙測(cè)系統(tǒng)的自由空間傳輸損耗;LF為多徑衰減;Len為環(huán)境衰減;Lother為其他衰減。

1.1 收發(fā)天線增益

機(jī)載收發(fā)天線為全向天線，地面天線為定向/全向切換天線，考慮無(wú)人飛行器測(cè)控信道的極限距離設(shè)計(jì)，這里地面收發(fā)天線選為定向天線(拋物面)，增益為

式中:Gt/r為發(fā)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(zhǎng);f 為工作頻率;dt/r為發(fā)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(kuò)散導(dǎo)致的路徑損耗，為接收功率與發(fā)射功率的比值，表達(dá)式為

式中:D 是發(fā)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(hào)疊加造成，適用于無(wú)人飛行器視距通信衰落分析。測(cè)控鏈路通信可視為一個(gè)直射波成分和一個(gè)散射波成分的疊加［2］，直射波來(lái)源于地面天線的發(fā)射信號(hào)，反射波來(lái)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(qiáng)度，多徑衰減為

式中:E 為機(jī)載天線接收總場(chǎng)強(qiáng);E1為直射波的場(chǎng)強(qiáng);d1，d2為發(fā)射電波在反射點(diǎn)前和反射點(diǎn)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(huán)境衰減

環(huán)境衰減為傳輸信號(hào)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(zhuǎn)、電離層和對(duì)流層閃爍等?；跓o(wú)人飛行器的工作頻率和作戰(zhàn)高度，本文主要采用大氣吸收和降雨衰落造成的衰減。根據(jù)ITU－R 模型［8］和DAH 模型［9］，環(huán)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(shù);β為地面天線波速仰角;k，α 為降雨參數(shù)，隨工作頻率變化;R0.01為當(dāng)年0. 01% 時(shí)間測(cè)得的降雨率，mm/h;Le為降雨帶有效路徑長(zhǎng)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(zhì)耦合損耗，同時(shí)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(zhì)對(duì)電波的散射作用引起)等損耗衰減。

2 誤碼率計(jì)算

信道設(shè)計(jì)是對(duì)信道各參數(shù)的折衷處理，使信道的總體性能最佳。而誤碼率設(shè)計(jì)就是要使得遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)和任務(wù)載荷數(shù)據(jù)［11］能安全、準(zhǔn)確地在上下行信道上可靠傳輸，滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。對(duì)于誤碼率計(jì)算，分三步完成。

第一步，計(jì)算地面接收機(jī)輸入的信噪比。

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

考慮整個(gè)鏈路的增益和衰減，設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器測(cè)控信道時(shí)需留有足夠的安全裕量。如果對(duì)信道參數(shù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，安全裕量可取1 ～3 dB，信道參數(shù)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)時(shí)，安全裕量可取4 ～6 dB。

第二步，計(jì)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(jì)算上下行信道的誤碼率。

上行信道數(shù)據(jù)傳輸率低、電平裕量大，易于實(shí)現(xiàn)解調(diào)門限較低、抗干擾性能較好的BPSK 調(diào)制，與直接序列擴(kuò)頻(DSSS)結(jié)合后，其誤碼率為

下行信道數(shù)據(jù)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(shù)。erf 函數(shù)表達(dá)式為

3 糾錯(cuò)體制設(shè)計(jì)

無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)遙控信道雖采用擴(kuò)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(wú)法滿足要求。

上行信道數(shù)據(jù)傳輸率低，信道資源多，可通過(guò)糾錯(cuò)編碼來(lái)控制誤碼率。糾錯(cuò)方式分為前向糾錯(cuò)方式(FEC)、重傳反饋方式(ARQ)和混合糾錯(cuò)方式(HEC)。FEC 譯碼實(shí)時(shí)性好，控制電路簡(jiǎn)單，但譯碼設(shè)備復(fù)雜，編碼效率低;ARQ 譯碼設(shè)備簡(jiǎn)單，但控制電路復(fù)雜，傳輸信息實(shí)時(shí)性和連貫性差，效率低;HEC 是FEC 和ARQ 的結(jié)合，一定程度上能夠避免FEC 和ARQ 的缺點(diǎn)，但是設(shè)備復(fù)雜。工程實(shí)際常同時(shí)采用三種糾錯(cuò)方式糾錯(cuò)。若上行鏈路誤碼率為5 ×10－6，指令長(zhǎng)度為8，則單發(fā)條件下的誤指令率為

采用收三判二的方式糾錯(cuò)，即將同一幀發(fā)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(shí)際的誤碼率要求相差很大，采用糾錯(cuò)能力為t 的(n，k)線性分組碼來(lái)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，n 為碼字長(zhǎng)，k 為信息字長(zhǎng)。

式中:Peq為等效誤碼率。若下行信道誤碼率10－4，采用糾錯(cuò)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(shù)指標(biāo)要求。

4 鏈路電平分配

上行信道主要傳輸遙控指令，采用擴(kuò)頻傳輸，發(fā)射機(jī)功率10 W，可用帶寬34 MHz，選碼長(zhǎng)1 023的擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻處理增益30.1 dB，解擴(kuò)處理增益32.4 dB，輸入信噪比－17.4 dB，具體電平分配見(jiàn)表1。下行信道主要傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)和任務(wù)載荷數(shù)據(jù)，具體電平分配見(jiàn)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(jì)算工具開(kāi)發(fā)

結(jié)合無(wú)人飛行器測(cè)控信道鏈路增益和信道編碼的計(jì)算模型，為方便信道設(shè)計(jì)和計(jì)算，設(shè)計(jì)編寫(xiě)GUI 用戶界面，將收發(fā)天線功率與口徑、收發(fā)天線損耗、安全裕量、地面天線高度、無(wú)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?yún)?shù)，可得出雙徑衰減、大氣吸收衰減、降雨衰減、誤碼率和糾錯(cuò)后的誤碼率，界面如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)工具運(yùn)行界面

首先，針對(duì)衰落計(jì)算編程，對(duì)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(shù)進(jìn)行初步計(jì)算，得出雙徑衰減、大氣吸收衰減以及降雨衰減。其次，針對(duì)鏈路增益計(jì)算編程，對(duì)輸入的收發(fā)天線功率與口徑、收發(fā)天線損耗、安全裕量等參數(shù)加入計(jì)算，得出誤碼率和接收機(jī)靈敏度。最后，對(duì)糾錯(cuò)能力不同的線性分組碼或2/3，3/3 糾錯(cuò)方式下的最終誤碼率進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)圖形界面操作的菜單欄。手動(dòng)輸入?yún)?shù):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(fā)天線發(fā)射功率與口徑、收發(fā)天線損耗、安全裕量等;默認(rèn)輸入?yún)?shù):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(shù)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(rèn)值，下行工作頻率1 980 MHz，天線發(fā)射功率5 W，天線增益6 dB，發(fā)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(jì)算結(jié)果誤碼率為3.65 ×10－4。糾錯(cuò)編碼后，等效誤碼率為7.3 ×10－7。

6 結(jié) 論

針對(duì)給定的某無(wú)人飛行器建立了測(cè)控信道誤碼率的計(jì)算模型，并通過(guò)計(jì)算模型給出了合理的誤碼率設(shè)計(jì)和鏈路電平分配數(shù)據(jù)，保證了設(shè)計(jì)的測(cè)控信道指標(biāo)參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)要求。編寫(xiě)的GUI 用戶界面高效易用，縮短了無(wú)人飛行器的上下行信道計(jì)算分析設(shè)計(jì)周期。

［1］聶少軍，何兵哲，王宏卓，等.精密測(cè)距與高速數(shù)傳一體化信道設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，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，張其善.小型遙測(cè)系統(tǒng)的容量和信道設(shè)計(jì)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，2(24):149－152.

［5］張祥莉，李署堅(jiān)，王丹志，等.一種高動(dòng)態(tài)多目標(biāo)定位系統(tǒng)的信道設(shè)計(jì)［J］.遙測(cè)遙控，2005，26(1):15－20.

［6］姜昌，范曉玲.航天通信跟蹤技術(shù)導(dǎo)論［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)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］王艷嶺，達(dá)新宇.一種改進(jìn)的Ka 頻段雨衰減預(yù)測(cè)模型［J］.電訊技術(shù)，2010，50(1):53－56.

［10］顏俊.無(wú)人機(jī)遙控遙測(cè)系統(tǒng)作用距離的計(jì)算［D］. 南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［11］呂金龍，陳樹(shù)新.無(wú)人機(jī)衰落信道擴(kuò)頻通信性能研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010(3):120－123.