無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

賴劍強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

現(xiàn)代民用、工業(yè)和軍用無人機(jī)的迅速發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)、軍事建設(shè)和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于諸多場(chǎng)合。相較于有人機(jī)，無人機(jī)因?yàn)闊o飛行員直接在機(jī)上操作，除了自主飛行以外，所有機(jī)上的飛行及任務(wù)控制、偵測(cè)回傳、飛機(jī)狀態(tài)、飛行管制以及組網(wǎng)共享信息等，均需要可靠的通信系統(tǒng)作支撐[1]。地面飛行員除了通過衛(wèi)星定位信息、有限視野的定向成像觀察等手段之外，無法在較遠(yuǎn)的距離外快速準(zhǔn)確地通過話音或數(shù)據(jù)通信獲知周邊其他飛機(jī)的飛行情況和告警信息，也無法通過無人機(jī)獲知飛行區(qū)域的地面指揮站或空管塔臺(tái)的引導(dǎo)信息。超短波通信系統(tǒng)裝配于無人機(jī)，將具備航管話音通信、超短波話音、超短波數(shù)據(jù)、超短波話音和數(shù)據(jù)中繼等通信能力，是保障無人機(jī)自身飛行安全、融入地空信息系統(tǒng)、發(fā)揮無人機(jī)效能的重要通信系統(tǒng)。

超短波通信系統(tǒng)話音通信，是通過模擬調(diào)制的方法傳輸話音信號(hào)，根據(jù)無人機(jī)的任務(wù)需求、航空管制等實(shí)現(xiàn)對(duì)外實(shí)時(shí)話音通信，以便飛機(jī)操控人員對(duì)無人機(jī)周邊態(tài)勢(shì)進(jìn)行判斷決策。話音通信的調(diào)制方式通常為調(diào)幅（Amplitude Modulation，AM）和調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）。另外一種是超短波數(shù)據(jù)鏈通信，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N實(shí)時(shí)傳輸/處理傳感器、指控系統(tǒng)與載荷系統(tǒng)之間的格式化數(shù)字信息，是實(shí)現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)與信息系統(tǒng)一體化的重要手段和有效途徑，也是提高無人機(jī)系統(tǒng)整體任務(wù)執(zhí)行能力的關(guān)鍵[2]。通常，數(shù)據(jù)鏈采用網(wǎng)格編碼調(diào)制（Trellis Coded Modulation，TCM）、最小移頻鍵控（Minimun Shift Keying，MSK）調(diào)制以及二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制等數(shù)字調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和組網(wǎng)方式下的自由文電傳輸、視頻、圖像、數(shù)字話音、地理信息、綜合態(tài)勢(shì)信息的實(shí)時(shí)分發(fā)、數(shù)傳指揮引導(dǎo)和控制，也可集成衛(wèi)導(dǎo)功能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

根據(jù)無人機(jī)的應(yīng)用需求，本文提出了一種適用于無人機(jī)的超短波通信系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，并以超短波話音通信為例，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室功能指標(biāo)測(cè)試和外場(chǎng)飛行測(cè)試。通過測(cè)試結(jié)果并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性，體現(xiàn)了該套系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)組成

超短波通信是指以超短波頻段的電磁波作為信息的載波進(jìn)行通信，配備了超短波通信系統(tǒng)的無人機(jī)，可用于飛機(jī)對(duì)外的超短波話音和數(shù)據(jù)通信。話音通信包括民航和常規(guī)超短波地-空話音和空-空話音；數(shù)據(jù)通信包括地-空、空-空數(shù)據(jù)鏈、互聯(lián)網(wǎng)、起降引導(dǎo)以及超短波衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈等。

無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)分為機(jī)載部分和地面部分，如圖1所示。機(jī)載部分包括機(jī)載超短波電臺(tái)收發(fā)信機(jī)及配套天線，地面設(shè)備包括電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備、地面超短波地面電臺(tái)收發(fā)信機(jī)及配套天線。由于機(jī)載電臺(tái)的信息收發(fā)會(huì)利用無人機(jī)測(cè)控鏈路和操控計(jì)算機(jī)，也屬于超短波通信系統(tǒng)的一部分。通常，測(cè)控鏈路需要傳輸飛控、地空監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控以及衛(wèi)導(dǎo)等大量信息，超短波通信只占用了測(cè)控鏈路小部分帶寬。根據(jù)超短波通信需求，它的帶寬為數(shù)千比特每秒至數(shù)十千比特每秒。

圖1 無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)原理

1.1 機(jī)載超短波電臺(tái)

機(jī)載超短波電臺(tái)屬于機(jī)載超短波通信終端，通過其天線對(duì)外收發(fā)信息，實(shí)現(xiàn)超短波通信。該電臺(tái)由雙通道收發(fā)信機(jī)、機(jī)載天線及連接收發(fā)信機(jī)與天線的射頻電纜組成，可實(shí)現(xiàn)單通道通信、雙通道通信和中繼通信，是無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。機(jī)載超短波電臺(tái)收發(fā)信機(jī)的通道組成，如圖2所示。其中，信道模塊由信道組件和數(shù)字處理組件組成，兩者以中頻信號(hào)作為交互界面。功放模塊由功放單元、接口控制單元和接收射頻前端組成。電源模塊由電源處理單元和基準(zhǔn)頻率源組成，為信道模塊和功放模塊提供所需電源及系統(tǒng)需要的基準(zhǔn)時(shí)鐘，同時(shí)完成設(shè)備高頻和低頻信號(hào)的內(nèi)外轉(zhuǎn)接。各個(gè)模塊的低頻連接通過共用母板進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部信息交互和對(duì)外信息交互。

機(jī)載超短波電臺(tái)兩個(gè)通道內(nèi)部硬件組成和駐留軟件相同，通道之間只有數(shù)字處理部分的數(shù)據(jù)和控制電路具有交聯(lián)關(guān)系。兩個(gè)通道工作原理一致，通過通道優(yōu)先級(jí)調(diào)配切換實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道有序協(xié)同工作，任意一個(gè)通道均可通過同一個(gè)端口對(duì)外交互信息。以一個(gè)通道為例，圖2給出了電臺(tái)內(nèi)部工作原理框圖。射頻部分采用二次上下變頻超外差架構(gòu)，通過前端濾波和中頻濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)無用帶外信號(hào)的抑制；數(shù)字處理部分采用FPGA+DSP的架構(gòu)，完成對(duì)信號(hào)的編解碼、調(diào)制解調(diào)和控制管理等功能。

圖2 機(jī)載超短波電臺(tái)通道原理

1.2 電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備

電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備包括主機(jī)、配套的耳機(jī)/受話器組件和話音發(fā)射（Push to Talk，PTT）組件，用于電臺(tái)工作方式和參數(shù)的設(shè)置、話音和數(shù)據(jù)信息的編解碼處理和收發(fā)、電臺(tái)工作狀態(tài)和參數(shù)的回傳顯示。電臺(tái)的工作狀態(tài)包括工作頻率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)類型、發(fā)射通道、靜默/常規(guī)狀態(tài)以及靜噪等級(jí)等，可以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，也可以事先設(shè)置參數(shù)，并以波道號(hào)的方式保存，使用時(shí)直接調(diào)用波道號(hào)。設(shè)備的架構(gòu)及內(nèi)外連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備

無人機(jī)在鏈路通信模式下需要通過測(cè)控鏈路轉(zhuǎn)送接收到的或需要發(fā)射的信號(hào)，話音信號(hào)在測(cè)控鏈中的傳輸需要使用一種特殊的音頻編解碼技術(shù)，使其以很低的占用帶寬傳輸數(shù)字話音信號(hào)，且話音質(zhì)量不顯著降低。這種專門針對(duì)人類語音特征設(shè)計(jì)的編解碼技術(shù)，稱為聲碼話技術(shù)。除了基本硬件的支持，它的核心在于聲碼話算法。本系統(tǒng)采用混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（Mixed Excitation Linear Prediction，MELP）聲碼話算法，在線性預(yù)測(cè)編碼（Linear Prediction Code，LPC）的基礎(chǔ)上，采用混合激勵(lì)的形式，結(jié)合多帶思想，擁有線性預(yù)測(cè)編碼和多帶激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在低速率上得到較高質(zhì)量的合成語音，是目前低速率語音編碼中一種較理想的編碼方案[3]。MELP聲碼化算法本質(zhì)是一種基于分析合成技術(shù)的低速率壓縮編碼算法。語音在經(jīng)過算法處理后，解碼后無法完全復(fù)原原始語音波形，合成后的語音不可避免存在一定失真。但是，合成的語音波形與原始語音波形總趨勢(shì)相同，語音可懂度較高，能夠到達(dá)較好的通信質(zhì)量，這取決于傳輸話音數(shù)據(jù)的信號(hào)帶寬。根據(jù)鏈路分配的話音帶寬，無人機(jī)使用的MELP聲碼化算法可適應(yīng)多種話音速率，通常在0.6～8 kb/s范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)。速率越高，話音質(zhì)量損失越小。為兼顧話音質(zhì)量和占用帶寬，本系統(tǒng)采用2.4 kb/s話音速率，話音略有失真，通話雙方交流順暢，總體效果較好。

話音信號(hào)收發(fā)過程描述如下。鏈路通信模式下發(fā)射話音時(shí)，受話器采集的話音信號(hào)通過A/D數(shù)字化后，由電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備內(nèi)部駐留的聲碼化編解碼程序進(jìn)行聲碼化編碼，以固定的格式通過遙控鏈路上傳至電臺(tái)；話音接收時(shí)，電臺(tái)收發(fā)控制設(shè)備將遙測(cè)鏈路下傳的信號(hào)進(jìn)行聲碼話解碼，通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后放大輸出。機(jī)載超短波電臺(tái)和地面收發(fā)控制設(shè)備都駐留了一套聲碼話編解碼程序，可完成話音信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成對(duì)數(shù)字話音信號(hào)的糾錯(cuò)。在該設(shè)備中，聲碼話軟件部署的聲碼話芯片上，通過聲碼話接口完成與地面處理軟件之間的控制和聲碼話數(shù)據(jù)交互處理，通過數(shù)字音頻接口完成與音頻單元之間的數(shù)字音頻交互處理，并實(shí)現(xiàn)兩路話音的聲碼話編解碼處理和模擬話音處理功能。

1.3 地面超短波電臺(tái)

配備于地面控制站內(nèi)的地面超短波電臺(tái)只具備一個(gè)收發(fā)半雙工通道，其工作原理與機(jī)載電臺(tái)類似。由于它安裝在地面，收發(fā)信機(jī)及天線的體積尺寸沒有嚴(yán)格限制，可以實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)射功率和更高的天線增益，以保證足夠遠(yuǎn)的通信距離。它主要的幾種用途：（1）超短波系統(tǒng)中繼通信模式下，作為通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地面控制站與外界通信；（2）作為飛行管制通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地面控制站與本場(chǎng)或近場(chǎng)空管塔臺(tái)通信；（3）其他有人或無人機(jī)與地面控制站通信；（4）附近地面便攜設(shè)備或通信車等與地面控制站通信。

1.4 測(cè)控鏈路系統(tǒng)

與有人機(jī)相比，無人機(jī)飛行員無法直接操縱飛機(jī)，需要通過某種方式彌補(bǔ)地面飛行員與飛機(jī)之間的距離。最簡(jiǎn)單有效的方法是建立測(cè)控鏈路系統(tǒng)，其本質(zhì)也是一種無線通信系統(tǒng)，主要用于無人機(jī)與地面控制站之間的寬帶信息交互[4-5]。無人機(jī)測(cè)控鏈路通常分為視距測(cè)控鏈路和衛(wèi)通測(cè)控鏈路，如 圖4所示。當(dāng)測(cè)控鏈路系統(tǒng)的地面天線與無人機(jī)處于視距范圍內(nèi)時(shí)，采用視距測(cè)控鏈路。該方式啟動(dòng)時(shí)間短、通信時(shí)延短、配套設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。而當(dāng)無人機(jī)遠(yuǎn)離測(cè)控站（數(shù)百千米以上）時(shí)，由于地球曲率原因或地勢(shì)遮擋，視距鏈路已無法穩(wěn)定有效通信。此時(shí)，需要啟動(dòng)衛(wèi)通鏈路，由地面衛(wèi)星通信端機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行通信，而信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星中繼再與機(jī)載衛(wèi)通設(shè)備進(jìn)行通信。由于衛(wèi)通鏈路經(jīng)過的處理環(huán)節(jié)較多且鏈路距離較長，具有較大的處理時(shí)延。較長的鏈路空間距離會(huì)帶來較大的信號(hào)損耗，所以衛(wèi)通鏈路的地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備均配備高增益的拋物面定向天線，以彌補(bǔ)鏈路損耗。但是，需要機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備天線保持對(duì)星狀態(tài)，以保證衛(wèi)星在天線的波束范圍內(nèi)。這一過程采用自動(dòng)跟蹤技術(shù)由天線伺服系統(tǒng)自動(dòng)完成。

測(cè)控鏈路除了完成超短波通信系統(tǒng)的話音和數(shù)據(jù)信息傳輸之外，還需要傳輸大量其他信息，通常需要數(shù)兆比特每秒及以上的通信帶寬。測(cè)控鏈?zhǔn)褂脦捲綄挘谙嗤瑮l件下對(duì)應(yīng)的通信距離越短。如果要保證較大帶寬的同時(shí)保證足夠的通信距離，最有效可行的辦法是降低鏈路損耗。其中，提升天線增益的效果最顯著也最經(jīng)濟(jì)。所以，不管是視距鏈還是衛(wèi)通鏈，其地面設(shè)備的天線均為定向天線。

圖4 無人機(jī)測(cè)控鏈路

2 工作模式及原理

根據(jù)機(jī)載超短波電臺(tái)和地面設(shè)備的設(shè)計(jì)，本超短波通信系統(tǒng)具備兩種通信模式。當(dāng)測(cè)控鏈路正常時(shí)，機(jī)載電臺(tái)受地面收發(fā)控制設(shè)備控制，處于正常工作狀態(tài)，可工作在鏈路通信模式或中繼通信模式；當(dāng)測(cè)控鏈路異常時(shí)，機(jī)載電臺(tái)將自動(dòng)切換為應(yīng)急工作狀態(tài)，本質(zhì)是中繼通信模式。圖5（a）給出了鏈路通信模式示意，可只使用機(jī)載電臺(tái)一路通道進(jìn)行通信，也可以兩路通道同時(shí)獨(dú)立通信，互不影響；中繼通信模式如圖5（b）所示，兩個(gè)通道一個(gè)作收通道一個(gè)作發(fā)通道，必須同時(shí)工作。

圖5 超短波通信系統(tǒng)兩種通信模式

系統(tǒng)鏈路通信模式下，以接收狀態(tài)為例描述系統(tǒng)工作過程。來自機(jī)載電臺(tái)天線接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)送至電臺(tái)功放模塊，完成收發(fā)切換、限幅濾波和預(yù)放大處理，經(jīng)信道模塊中的信道組件完成射頻濾波、放大、下變頻、中頻濾波以及放大得到中頻信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由數(shù)字處理組件完成解調(diào)處理，得到話音或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。若是工作在話音模式，則將得到的基帶話音完成聲碼話編碼后，經(jīng)對(duì)外低頻接口送給機(jī)載鏈路設(shè)備，通過測(cè)控鏈路將數(shù)字信號(hào)送至地面鏈路設(shè)備，再轉(zhuǎn)發(fā)給地面收發(fā)控制設(shè)備進(jìn)行聲碼話解碼、接收。若工作在數(shù)傳模式，則信號(hào)不經(jīng)過聲碼話編碼過程，直接送給機(jī)載鏈路設(shè)備，通過測(cè)控鏈路將其送至地面鏈路設(shè)備，經(jīng)操控計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)終端對(duì)數(shù)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、解析、拆包等處理后，通過人機(jī)界面顯示。發(fā)射過程與接收過程基本是一個(gè)相反的過程，只是在后端需要將射頻信號(hào)進(jìn)行放大處理后再通過天線發(fā)射出去。鏈路通信模式下，只需要機(jī)載超短波電臺(tái)的任意一個(gè)通道工作正常，則可以保證一路半雙工通信。由于機(jī)載超短波電臺(tái)兩個(gè)通道均獨(dú)立工作，兩個(gè)通道配合可以實(shí)現(xiàn)一收一發(fā)同時(shí)工作，組成全雙工通信。

在中繼工作模式下，電臺(tái)兩個(gè)通道一個(gè)作為接收通道，一個(gè)作為發(fā)射通道。由于兩個(gè)通道的收或發(fā)同時(shí)進(jìn)行，為了避免通道之間相互干擾，要求使用不同的工作頻率。頻率間隔大小主要取決于電臺(tái)兩付天線之間的隔離度大小，與天線在機(jī)上的安裝位置有關(guān)。信號(hào)在電臺(tái)信道組件和功放模塊的收發(fā)過程與鏈路工作模式相同，唯一不同的是，信號(hào)處理完成后不再與測(cè)控鏈路設(shè)備交互，而是通過兩個(gè)通道共用的母板進(jìn)行通道間的基帶信息交互。接收通道將接收到的f1頻率信號(hào)解調(diào)得到的基帶信息傳遞給發(fā)射通道，重新進(jìn)行調(diào)制、放大等處理后，以f2頻率發(fā)射。通信過程中，兩個(gè)通道可根據(jù)需要隨時(shí)轉(zhuǎn)換收發(fā)角色，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)半雙工通信，這個(gè)過程稱作基帶異頻中繼。該方式處理過程較為復(fù)雜，但是交互過程無壓縮，信息不會(huì)丟失，信噪比不會(huì)惡化，信號(hào)質(zhì)量不會(huì)降低，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)等距中繼。中繼通信模式下，測(cè)控鏈路不參與通信，電臺(tái)的兩個(gè)通道分別與兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行超短波通信，通過內(nèi)部交互實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間的通信，屬于半雙工通信。這兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以是與地面控制站不相關(guān)的兩個(gè)外界節(jié)點(diǎn)，叫做站外中繼；其中一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)也可為站內(nèi)地面電臺(tái)，叫做站內(nèi)中繼。

如果測(cè)控鏈路出現(xiàn)故障，鏈路通信模式失效，電臺(tái)檢測(cè)到在一定時(shí)間內(nèi)與測(cè)控鏈路無有效信息交互，電臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急工作狀態(tài)，機(jī)載電臺(tái)進(jìn)入中繼通信模式。此時(shí)，兩個(gè)通道的工作參數(shù)有兩種確定方式：如果測(cè)控鏈的遙控鏈路失效，電臺(tái)調(diào)用事先設(shè)置好的默認(rèn)工作參數(shù)；如果測(cè)控鏈路只是遙測(cè)鏈路失效而遙控鏈路有效，機(jī)載電臺(tái)的工作參數(shù)仍然可以由地面進(jìn)行控制更改，但不能接收到電臺(tái)的回傳參數(shù)。應(yīng)急工作狀態(tài)下，地面控制站內(nèi)配備的超短波地面電臺(tái)作為中繼通信節(jié)點(diǎn)參與通信。

3 通信距離計(jì)算

對(duì)于超短波通信，它的工作波長只有數(shù)米至數(shù)十米，電磁波的繞射能力有限，通信容易受到環(huán)境遮擋的影響，所以通常受視距范圍限制。通信距離的另一個(gè)影響因素是電臺(tái)的通信能力，其中電臺(tái)的有效發(fā)射功率和接收靈敏度最重要，除了與電臺(tái)收發(fā)信機(jī)相關(guān)，還與配套天線的增益和連接電臺(tái)收發(fā)信機(jī)和天線之間的電纜插損直接相關(guān)。

3.1 視距

視距是通信雙方能夠無遮擋直接看到對(duì)方的最大距離，可以理解為電磁波沿直線傳播的最大距離。

不考慮地形的影響，并近似認(rèn)為地球?yàn)榘霃綖閞的理想球體，考慮通信雙方為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可將視距計(jì)算簡(jiǎn)化為如圖6所示的平面模型。

圖6 理論視距計(jì)算模型

設(shè)通信雙方的天線高度分別為h1和h2，則理論視距為雙方天線剛好切著地平線看到對(duì)方時(shí)的距離，即圖中的d1+d2，則理論視距可表示為：

考慮h1、h2遠(yuǎn)小于r，式（1）可近似為：

取r=6 370 km，則可得出如表1所示的地-空理論視距。

表1 不同條件下的理論視距 /km

對(duì)于地-空通信來說，通常地面天線架高有限且遠(yuǎn)小于飛機(jī)飛行高度。從表1中可看出，飛機(jī)飛行高度對(duì)視距的影響較為顯著。空-空視距與上述計(jì)算方法相同，只需將另外一架飛機(jī)的飛行高度代入h2即可。當(dāng)通信雙方任意一方天線高度較低時(shí)，其視距容易受地面天線周邊地理環(huán)境，如地形地貌、植被、建筑物等遮擋影響，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

3.2 電臺(tái)性能

機(jī)載超短電臺(tái)的性能是決定超短波通信系統(tǒng)的性能最重要因素。不考慮外界影響，電臺(tái)的通信能力只與其接收靈敏度、發(fā)射功率、天線增益和線纜插損有關(guān)。不考慮環(huán)境干擾時(shí)的靈敏度計(jì)算公式如下：

其中，NF為接收機(jī)的信道噪聲系數(shù)，BW為信號(hào)解調(diào)帶寬，S/N為靈敏度判據(jù)規(guī)定的信噪比。該電臺(tái)接收機(jī)信道噪聲系數(shù)NF=7 dB，靈敏度信噪比以10 dB作為判據(jù)，以AM或FM窄帶話音信號(hào)解調(diào)帶寬BW=4.5 kHz為例，將NF、BW代入式（2），可得Pr=-120.5 dBm。

在FM模下，由于存在閾值效應(yīng)，實(shí)際靈敏度較理論值降低3～4 dB，因此FM模式靈敏度約為-116.5 dBm。對(duì)于調(diào)制度為m的普通AM調(diào)制信號(hào)，載頻不攜帶信息，傳輸信息的是邊帶信號(hào)，總邊帶功率與載頻功率相差10lg(0.5m2) dB。假設(shè)信號(hào)調(diào)制度m=30%，則總邊帶功率與載波功率相差 13.5 dB。不考慮環(huán)境噪聲時(shí)，30%調(diào)制度的AM信號(hào)靈敏度應(yīng)為-120.5+13.5=-107 dBm?？梢钥闯觯{(diào)幅信號(hào)調(diào)制度越大，對(duì)應(yīng)的靈敏度越高。所以，通常要求發(fā)射機(jī)的發(fā)射調(diào)幅信號(hào)調(diào)制度盡可能高，但不能超過100%即過調(diào)，否則將導(dǎo)致接收端解調(diào)信號(hào)嚴(yán)重失真或無法解調(diào)。

電臺(tái)實(shí)際靈敏度除了與接收機(jī)特性和信號(hào)特性有關(guān)外，還與環(huán)境電磁干擾有關(guān)。對(duì)于機(jī)載環(huán)境，它主要分為寬帶噪聲干擾和點(diǎn)頻干擾。點(diǎn)頻干擾信號(hào)如果在接收頻點(diǎn)附近，會(huì)因接收機(jī)濾波器抑制不足導(dǎo)致射頻前端器件非線性工作，造成信道阻塞或產(chǎn)生交調(diào)、互調(diào)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后端。點(diǎn)頻干擾對(duì)接收機(jī)的影響主要通過判斷干擾信號(hào)是否造成接收電路飽和，通常以器件是否工作在1 dB壓縮點(diǎn)回退10 dB作為判據(jù)。寬帶噪聲干擾因其具有寬帶特性而覆蓋整個(gè)通信頻譜，會(huì)隨有用信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)。對(duì)于常規(guī)非抗干擾通信，當(dāng)噪聲強(qiáng)度與有用信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到可比擬的程度，則會(huì)造成無法解調(diào)。即使能夠解調(diào)，也會(huì)帶來話音質(zhì)量降低或數(shù)據(jù)誤碼率升高的問題。

設(shè)環(huán)境噪聲功率譜密度為NT，與-174+NF進(jìn)行比較，取較大值后，利用式（2）進(jìn)行計(jì)算，即考慮噪聲干擾下的接收機(jī)靈敏度表示為：

電臺(tái)的另一個(gè)重要性能是發(fā)射功率。本系統(tǒng)機(jī)載電臺(tái)AM調(diào)制發(fā)射功率為10 W，F(xiàn)M調(diào)制發(fā)射功率為15 W。

3.3 通信距離

通信過程是通信雙方相互收發(fā)的過程，實(shí)際通信能力按收發(fā)距離較短的一方為準(zhǔn)。為便于計(jì)算，假設(shè)通信雙方電臺(tái)性能相同。以本機(jī)接收到對(duì)方發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度剛好為本機(jī)接收靈敏度為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，則靈敏度可表示為：

其中，Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率，Gt為發(fā)射機(jī)天線增益，Gr為接收機(jī)天線增益，Lt為發(fā)射機(jī)饋線損耗，Lr為接收機(jī)饋線損耗，Lp為空間傳播損耗。

對(duì)于機(jī)載電臺(tái)，可取如下典型值：Pt=10 W （40 dBm），Gt=-3 dB，Gr=-3 dB，Lt=2 dB，Lr=2 dB。 對(duì)于30%調(diào)制度AM信號(hào)，電臺(tái)接收靈敏度 Pr=-107 dBm，則可計(jì)算出允許的空間傳播損耗為Lp=137 dB。需要說明的是，通常發(fā)射和接收共用一付天線，以其工作頻段兼顧考慮折中設(shè)計(jì)。對(duì)于工作頻段內(nèi)不同的頻點(diǎn)，天線在某一方向的增益往往存在差異。天線在飛機(jī)蒙皮的安裝位置附近機(jī)體各個(gè)方向的遮擋情況不同，天線增益方向圖也有差異[6-7]。

超短波傳播的空間損耗可表示為：

其中，f為以吉赫茲為單位的信號(hào)工作頻點(diǎn)，d為以千米為單位的傳輸距離，可得：

以國際救生頻點(diǎn)0.121 5 GHz為例，計(jì)算得到通信距離為d(f=0.1215GHz)=1 390 km。該值為理想值，實(shí)際通信距離需要考慮多徑效應(yīng)等造成的信號(hào)衰落影響，通常需要將信號(hào)強(qiáng)度回退10 dB左右，計(jì)算得到的理論通信距離d0=439 km。假設(shè)通信雙方的視距為D，電臺(tái)的理論通信距離為d0，則雙方實(shí)際通信距離為min(D,d0)。

4 無人機(jī)通信系統(tǒng)測(cè)試

4.1 單機(jī)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室單機(jī)測(cè)試主要考核無人機(jī)電臺(tái)收發(fā)信機(jī)的收發(fā)性能。圖7給出了測(cè)試框圖，分別進(jìn)行了電臺(tái)通道1和通道2調(diào)幅和調(diào)頻方式下的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。其中，最重要的指標(biāo)為接收靈敏度和發(fā)射功率。在工作頻段內(nèi)，AM工作方式下靈敏度在-106.5～ -107.8 dBm，發(fā)射載波功率11.3～12.1 W；FM工作方式下，接收機(jī)靈敏度在-116.2～-117.6 dBm，發(fā)射載波功率16.1～17.9 W。電臺(tái)的其他功能指標(biāo)均符合通信規(guī)定的要求。

圖7 機(jī)載超短波電臺(tái)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

4.2 外場(chǎng)飛行測(cè)試

為了驗(yàn)證根據(jù)本設(shè)計(jì)研制的無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，將該系統(tǒng)裝配在某大型無人機(jī)及其配套地面控制站中，并在西北某機(jī)場(chǎng)開展了飛行測(cè)試。測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。在近場(chǎng)使用2臺(tái)陪測(cè)地面電臺(tái)作為通信節(jié)點(diǎn)A和通信節(jié)點(diǎn)B，地面電臺(tái)天線架高12 m。測(cè)試只針對(duì)超短波話音通信，不計(jì)算測(cè)控鏈路距離。測(cè)試結(jié)果為無人機(jī)與外界通信節(jié)點(diǎn)之間的距離，通信距離以通話質(zhì)量比在近距離通信時(shí)剛開始顯著降低作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)多次進(jìn)行在500～6 500 m飛行高度條件下的鏈路和中繼通信方式的話音通信。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)飛機(jī)飛行高度大于6 500 m時(shí)，地-空通信距離普遍大于300 km；隨著飛行高度的降低，通信距離隨之減??；當(dāng)飛行高度降低至500 m時(shí)，通信距離普遍為85～100 km?？梢?，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值趨勢(shì)大致吻合，但存在一定偏差，表2給出了某次測(cè)試結(jié)果。

表2 無人機(jī)超短波通信系統(tǒng)某次話音通信測(cè)試結(jié)果

在飛機(jī)的常規(guī)升限（設(shè)10 km）范圍內(nèi)，電臺(tái)的理論通信能力大于地-空視距，所以電臺(tái)的實(shí)際地-空通信距離取決于視距。根據(jù)對(duì)本系統(tǒng)機(jī)載電臺(tái)的性能測(cè)試結(jié)果，將表1計(jì)算的理論地-空視距與表2實(shí)際測(cè)試通信距離比較發(fā)現(xiàn)，某些情況下實(shí)際通信距離大于或小于理論視距，某些情況與理論值較為吻合。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值有偏差，主要原因有幾點(diǎn)：（1）測(cè)試環(huán)境近場(chǎng)附近有山地，當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離陪測(cè)電臺(tái)時(shí)，容易受到地形遮擋；（2）飛機(jī)在飛行過程中，陪測(cè)電臺(tái)與飛機(jī)之間的方向不斷變化，遮擋情況也會(huì)隨之變化，而地球?qū)嶋H不是絕對(duì)球形，實(shí)際視距大于或小于理論視距；（3）地球膨脹因子對(duì)視距的影響暫未考慮；（4）測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)空間電磁干擾或機(jī)上艙內(nèi)其他設(shè)備電磁干擾，電臺(tái)接收靈敏度降低；（5）飛機(jī)飛行姿態(tài)變化，如轉(zhuǎn)彎、盤旋等，可能導(dǎo)致機(jī)體對(duì)天線遮擋，影響通信方向的天線增益；（6）在不同的飛行高度和地形情況下，多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響程度不同。。

由于測(cè)試條件的限制，未能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和空-空話音通信的測(cè)試。按照前文理論計(jì)算，空-空視距將顯著增加，預(yù)計(jì)空-空通信距離將比地-空通信增加。當(dāng)后續(xù)條件具備時(shí)，將補(bǔ)充該項(xiàng)測(cè)試。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)超短波通信特性的分析，根據(jù)無人機(jī)對(duì)通信系統(tǒng)的需求，結(jié)合無人機(jī)的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了超短波機(jī)載電臺(tái)、電臺(tái)地面收發(fā)控制設(shè)備、超短波地面電臺(tái)，研制了一種適用于無人機(jī)的超短波通信系統(tǒng)，并借助無人機(jī)測(cè)控鏈路，使得該系統(tǒng)具備話音和數(shù)據(jù)通信能力。對(duì)機(jī)載超短波電臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，接收靈敏度、發(fā)射功率等指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期值。通過將該系統(tǒng)裝配在無人機(jī)及配套地面控制站中進(jìn)行飛行話音通信驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果表明通信距離測(cè)試值與理論值基本吻合，在足夠高的飛行高度情況下，地-空通信距離達(dá)到300 km以上，滿足無人機(jī)通信的需求。根據(jù)應(yīng)用需求，目前該系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了窄帶通信功能，但具備寬帶通信的擴(kuò)展能力，將在后續(xù)工作中進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)普遍適用于大中型無人機(jī)，能夠顯著提升飛機(jī)的通信能力和任務(wù)效能，并可通過適當(dāng)改裝適用于有人機(jī)，在機(jī)載通信領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。