淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系

1、洪都科技hongdu science and technology淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系賈義海喻玉華（洪都航空工業(yè)集團(tuán)）摘 要 衛(wèi)星通信足無(wú)人機(jī)中繼通信的頂要手段。本文對(duì)無(wú)人機(jī)衛(wèi)星通信鏈路中飛機(jī)總體設(shè)計(jì)關(guān)注 的機(jī)載衛(wèi)通天線尺寸選擇問(wèn)題進(jìn)行了較詳細(xì)的計(jì)算、探討。關(guān)n詞 機(jī)載衛(wèi)通夭線 無(wú)人機(jī) 信息速率 射頻功率analysis on relationship between airborne satellite communicatioiiantenna size on uav and digital signal transmission bandwithjia yih

2、ai yu yuhua(hongdu aviation industry group)abstract satellite communication is an important mean for uav relay communication. in uav satellite communication chain, airborne satellite antenna size selection is highly concerned by uav designers. this paper calculates and discusses airborne satellite a

3、ntenna size selection in details.key words airborne satebite communication antenna <lav data transmission rate rf power 1引言在無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路中，經(jīng)常會(huì)碰到這祥的一個(gè)問(wèn)題:當(dāng)傳輸帶寬為2mbps數(shù)字信號(hào)時(shí)，機(jī)載衛(wèi)通天線用lm天線就夠了;而當(dāng)要求傳輸帶寬為20mbps字信號(hào)時(shí)，機(jī)天線就要求加大。許多人對(duì)此不解，認(rèn)為都是通視,信號(hào)都可以直接傳送、接收，為何機(jī)載天線 就要求加大許多,徒然增加工程難度。附圖為無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼通信鏈路示意圖，其中從地面站 發(fā)送經(jīng)衛(wèi)星中繼

4、到達(dá)無(wú)人機(jī)為上行鏈路，從無(wú)人機(jī)發(fā)送經(jīng)衛(wèi)星中繼到達(dá)地面站為下行鏈路。2衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路概說(shuō)實(shí)際上這里涉及數(shù)字信號(hào)傳輸中的信號(hào)誤碼率問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)誤碼率即:在數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)孛嬲靖綀D 無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼通借鏈路示意圖過(guò)程中，接收、解碼后的數(shù)字信號(hào)與發(fā)送端原數(shù)字信號(hào)正確率之比。一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星中繼鏈路數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率要求w10 " 10,最低數(shù)字傳輸誤碼率要求w10 "。在實(shí)際的無(wú)線數(shù)字傳輸過(guò)程中，不僅要求無(wú)線信號(hào)可直接傳送、接收，而且必須保證其誤碼 率在允許范圍內(nèi)。否則，即使數(shù)字信號(hào)可以傳送、接收到指定設(shè)備，但由于誤碼率高，將使得該 設(shè)備不能很好地工作。打個(gè)比方,有些地方的無(wú)線模擬電

5、視信號(hào)傳輸鏈路中，雖然可以接收到 電視節(jié)目信號(hào)，但視屏畫面不清楚，雪花點(diǎn)很多，嚴(yán)重影響觀看效果。3衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路參數(shù)為何傳送不同帶寬的數(shù)字信號(hào)，機(jī)載衛(wèi)通天線必須選擇不同口徑呢？ 要揭示這個(gè)問(wèn)題,其關(guān)鍵就是數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率。在衛(wèi)通數(shù)字信號(hào)傳輸鏈路中，數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率與如下因素有關(guān)：3.1發(fā)射端(1) 發(fā)射機(jī)輸出功率:發(fā)射端射頻功放輸出功率。(2) 發(fā)端總損耗:包括射頻連接饋線、接插件等。(3) 發(fā)射天線增益:當(dāng)天線口徑增大時(shí)，其發(fā)射天線增益也增大。3.2接收端(1) 接收天線增益:當(dāng)天線口徑增大時(shí)，其接收天線增益也增大。(2) 收端總損耗:包括射頻連接饋線、接插件等。(3) 接收機(jī)靈敏度:

6、為使得接收、解碼后的數(shù)字信號(hào)達(dá)到規(guī)定的誤碼率，接收機(jī)需要的最低 輸入射頻信號(hào)強(qiáng)度。3.3路徑損耗此數(shù)值與傳輸距離、傳輸介質(zhì)、載波頻段/頻率有關(guān)。3.4載波調(diào)制方式/糾錯(cuò)率當(dāng)要求誤碼率一定值時(shí),采用不同的調(diào)制方式，選用不同糾錯(cuò)率側(cè)要求有不同的衰落裕度值。3.5傳輸帶寬即碼速率。3.6衛(wèi)星參數(shù)選用不同的衛(wèi)星，對(duì)數(shù)據(jù)的傳送有較大的影響。4衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路各參數(shù)的計(jì)算4.1下行傳輸帶寬為2mbps、20mbps,上行傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算（使用“zw - 1 號(hào)”衛(wèi)星）。表1為使用“zw-1號(hào)”衛(wèi)星,其工作頻段為ku波段。傳輸帶寬分別為2mbps、20mbps時(shí), 對(duì)機(jī)載射頻功率的計(jì)

7、算要求。第1、2列為各有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為2mbps 時(shí)（下行），機(jī)載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為20mbps時(shí)（下行），機(jī)載射頻功率要求;第5 列為傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)（上行），地面站射頻功率要求。表1傳輸帶寬為2mbps%20mbps時(shí)機(jī)裁射頻功率要求zw - 1號(hào)衛(wèi)星）12345衛(wèi)星皋型zw-1號(hào)ku頻段 j1m(g/t)sdb/k設(shè)為+5eirpsdbw設(shè)為50wsdbw/m2設(shè)為-85發(fā)送站天線尺寸m111.21.43.06接收站天線尺寸m661信息速率2mbps20mbps25.6 kbps需機(jī)載（或地面站） 射頻發(fā)射功率w47473327237530

8、.28通過(guò)表1,可以看出：（1）第5列中為上行鏈路計(jì)算，地面站天線口徑為6叫機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬 為25.6kbps。計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為0.28w。（2）第3列中為下行鏈路計(jì)算，傳輸帶寬為2mbps,地面站天線口鋌為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線口 徑為lm。計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為47w。（3）第3列中為下行鏈路計(jì)算，傳輸帶寬為20mbps,地面站天線口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線口 徑分別為lm、1.2 mj.4 m、3.0 mo對(duì)應(yīng)計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為473w（ 1 m）、327w（1.2 m）、237w（1.4 m）、53w（30 m）o通過(guò)表1,可以得出如下結(jié)論：

9、ku頻段衛(wèi)通鏈路上行遙控鏈路很容易實(shí)現(xiàn)，其中原因一為遙控?cái)?shù)據(jù)率很低（25. 6 kbps）, 二為地面站天線口徑較大，地面站射頻發(fā)射功率僅為0.28woku頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路不易實(shí)現(xiàn)，其中原因一為遙測(cè)數(shù)據(jù)率較大（幾mbps到幾十 mbps），二為機(jī)載天線口徑較小。在表1的計(jì)算中，為傳送20mbps帶寬的下行遙測(cè)數(shù)據(jù),機(jī)載衛(wèi)通天線為1 m時(shí)，機(jī)載射頻功 率為473w。對(duì)于實(shí)際發(fā)射功率為473w,工程上選用的功率放大器可能為800w功放，實(shí)際上, 對(duì)于800w射頻功率放大器，其耗電址至少應(yīng)該大于2000w,這對(duì)于機(jī)上供電系統(tǒng)來(lái)講,負(fù)擔(dān)是 相當(dāng)沉重的。光憑此點(diǎn)（還有尺寸、重量等因素），要求機(jī)載

10、射頻功率為473w就是不現(xiàn)實(shí)的。 因此，必須靠提高機(jī)載天線口徑來(lái)減低機(jī)載射頻功率要求。從表1第3列計(jì)算數(shù)據(jù)中看出，把 機(jī)載天線口徑從lm提高到1.4n）,其他所有條件都不變情況下，機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從473w 下降到237w,下降一半！而假設(shè)能把機(jī)載天線口徑提高到3m（實(shí)際工程不允許），則機(jī)載功放 射頻發(fā)送功率下降到53w。因此,加大機(jī)載衛(wèi)通天線口徑是解決下行高傳輸帶寬鏈路緊張的最佳途徑。4.2下行傳輸帶寬為2mbps、20mbps、上行傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算（使用“xn - 1 號(hào)”衛(wèi)星）表2為使用“xn1號(hào)”衛(wèi)星,其工作頻段為ku波段。傳輸帶寬分別為2mbps、20mb

11、ps時(shí), 對(duì)機(jī)載射頻功率的計(jì)算要求。第1、2列為各有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為2mbps 時(shí)（下行），機(jī)載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為20mbps時(shí)（下行），機(jī)載射頻功率要求;第5 列為傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)（上行），地面站射頻功率要求。表2傳輸帶寬為2mhps、20mbp8時(shí)機(jī)載射頻功率要求（xn-1號(hào)衛(wèi)星）12345衛(wèi)星類型xn-1號(hào)ku頻段 衛(wèi)星(g/t)sdb/k設(shè)為+9eirpsdbw設(shè)為54wsdbw/m2設(shè)為-90發(fā)送站天線尺寸m111.21.46接收站天線尺寸tn66 ,1信息速率2mps20mbps25.6 kbps需機(jī)載（或地面站） 射腰發(fā)射功率w181

12、80124900.008通過(guò)表2,可以看岀：（1）第5列中上行鏈路計(jì)算，地面站天線口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬為25.6kbpso計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為0.008wo(2) 第3列中下行鏈路計(jì)算，傳輸帶寬為2mbps,地面站天線口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線口徑 為lm。計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為18w。(3) 第3列中為下行鏈路計(jì)算，傳輸帶寬為20mbps,地面站天線口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線口 徑分別為lm、l2 m.1.4 mo對(duì)應(yīng)計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為180w( lm)、124w( 1. 2 m)、90w( 1.4 m) o通過(guò)表2,可以得出如下結(jié)論：由于“x

13、n- 1號(hào)”衛(wèi)星性能較“zw-1號(hào)”衛(wèi)星略離，無(wú)論上行還是下行鏈路,都較表1容易 實(shí)現(xiàn)。ku頻段衛(wèi)通鏈路上行遙控鏈路使用“zw-1號(hào)”衛(wèi)星時(shí)就很容易實(shí)現(xiàn)，改用性能更高的 “xn-1號(hào)"衛(wèi)星后，并無(wú)太多裨益。傳送2mbps數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)時(shí),ku頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路較易實(shí)現(xiàn),改用性能更高的“xn -1號(hào)”衛(wèi)星后，我們看到:機(jī)載天線口徑同為lm,機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從47w下降到18w。 有一定的改進(jìn)效果。對(duì)于實(shí)際發(fā)射功率為47w和18w,選用的射頻功率放大器均為125w功 放,所以在工程上并沒(méi)有得到太多好處，機(jī)載射頻功放體積、重量都一樣，耗電量略小。傳送20mbps數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)時(shí)，ku頻段

14、衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路不易實(shí)現(xiàn)，改用性能更高的 “xn - 1號(hào)”衛(wèi)星后，我們看到:機(jī)載天線口徑同為lm,機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從473w下降到 180w。改進(jìn)效果明顯。因此，選用性能指標(biāo)高的中繼通信衛(wèi)星是解決下行高傳輸帶寬鏈路緊張的有效途徑。4.3下行傳輸帶寬為20mbps、上行傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算(便用“xn - 1號(hào)”衛(wèi) 星，地面站天線分別為3mj3m)表3為使用“xn -1號(hào)”衛(wèi)星，工作頻段為ku波段。傳輸帶寬為20mbps / 25.6kbps,機(jī)載 天線為im,而地面站天線分別為3m和13m。對(duì)機(jī)載/地面站射頻功率的計(jì)算。第1、2列為各表3傳輸帶寬為20mbps時(shí)機(jī)

15、載/地面站射頻功率要求(xn-1號(hào)衛(wèi)星)123456衛(wèi)星類型xn-1 號(hào)ku頻段 衛(wèi)星(g/t)8db/k+ 9eirpsdbw54wsdbw/m1-90發(fā)送站天線尺寸m13113接收站天線尺寸m31131信息速率20mps25.6 kbps20mps25.6 kbps需機(jī)載(或地面站) 射頻發(fā)射功率w1860.0451790.0025有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為20mbps(下行)，機(jī)載天線為lm,地面站天線為3m 時(shí)機(jī)載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)(上行)，機(jī)載天線為lm,地面站天線為 3m時(shí)地面站射頻功率要求;第5列為傳輸帶寬為20mbps時(shí)(下行)，機(jī)載

16、天線為lm,地面站天 線為13m時(shí)機(jī)載射頻功率要求;第6列為傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)(上行)，機(jī)載天線為ln),地面 站天線為13m時(shí)地面站射頻功率要求。通過(guò)表3,可以看出：(1) 第3列中為下行鏈路計(jì)算，地面站天線口徑為3m,機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬為20mbps。計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為186wo(2) 第5列中為下行鏈路計(jì)算，地面站天線口徑為13m,機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬為20mbps。計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為179w。(3) 第4、6列中為上行鏈路計(jì)算，地面站天線口徑分別為3m和13m,機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為 lm,傳輸帶寬為25.6kbpso計(jì)算得出地面站功放射頻發(fā)送功率分別為0.045w和0.0025w。通過(guò)表3,可以得出如下結(jié)論：機(jī)載衛(wèi)通天線口徑為",地面站天線口徑分別為3m、13m,傳輸帶寬為20mbps,都使用 “xn-1號(hào)”衛(wèi)星。計(jì)算得出機(jī)載射頻發(fā)送功率分別為186wj79w,兩者幾乎相等。因此,加大地面站天線口徑對(duì)無(wú)人機(jī)緊張的下行高速率數(shù)據(jù)鏈路并無(wú)幫助。通俗講:加大 地面站天線口徑并不能彌補(bǔ)機(jī)載小尺寸天線的缺陷；緊張的下行高速率數(shù)據(jù)鏈路的真正瓶頸在機(jī)載到衛(wèi)星這一段。5結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析計(jì)算,說(shuō)明無(wú)