淺論無人機機載衛(wèi)通天線尺寸與數(shù)字信號傳輸帶寬關系

1、洪都科技hongdu science and technology淺論無人機機載衛(wèi)通天線尺寸與數(shù)字信號傳輸帶寬關系賈義海喻玉華（洪都航空工業(yè)集團）摘 要 衛(wèi)星通信足無人機中繼通信的頂要手段。本文對無人機衛(wèi)星通信鏈路中飛機總體設計關注 的機載衛(wèi)通天線尺寸選擇問題進行了較詳細的計算、探討。關n詞 機載衛(wèi)通夭線 無人機 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引言在無人機衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路中，經(jīng)常會碰到這祥的一個問題:當傳輸帶寬為2mbps數(shù)字信號時，機載衛(wèi)通天線用lm天線就夠了;而當要求傳輸帶寬為20mbps字信號時，機天線就要求加大。許多人對此不解，認為都是通視,信號都可以直接傳送、接收，為何機載天線 就要求加大許多,徒然增加工程難度。附圖為無人機衛(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、到達無人機為上行鏈路，從無人機發(fā)送經(jīng)衛(wèi)星中繼到達地面站為下行鏈路。2衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路概說實際上這里涉及數(shù)字信號傳輸中的信號誤碼率問題。數(shù)字信號誤碼率即:在數(shù)字信號傳輸?shù)孛嬲靖綀D 無人機衛(wèi)星中繼通借鏈路示意圖過程中，接收、解碼后的數(shù)字信號與發(fā)送端原數(shù)字信號正確率之比。一般來說，衛(wèi)星中繼鏈路數(shù)字信號傳輸誤碼率要求w10 " 10,最低數(shù)字傳輸誤碼率要求w10 "。在實際的無線數(shù)字傳輸過程中，不僅要求無線信號可直接傳送、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)字信號可以傳送、接收到指定設備，但由于誤碼率高，將使得該 設備不能很好地工作。打個比方,有些地方的無線模擬電

5、視信號傳輸鏈路中，雖然可以接收到 電視節(jié)目信號，但視屏畫面不清楚，雪花點很多，嚴重影響觀看效果。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，機載衛(wèi)通天線必須選擇不同口徑呢？ 要揭示這個問題,其關鍵就是數(shù)字信號傳輸誤碼率。在衛(wèi)通數(shù)字信號傳輸鏈路中，數(shù)字信號傳輸誤碼率與如下因素有關：3.1發(fā)射端(1) 發(fā)射機輸出功率: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:當天線口徑增大時，其發(fā)射天線增益也增大。3.2接收端(1) 接收天線增益:當天線口徑增大時，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) 接收機靈敏度:

6、為使得接收、解碼后的數(shù)字信號達到規(guī)定的誤碼率，接收機需要的最低 輸入射頻信號強度。3.3路徑損耗此數(shù)值與傳輸距離、傳輸介質、載波頻段/頻率有關。3.4載波調制方式/糾錯率當要求誤碼率一定值時,采用不同的調制方式，選用不同糾錯率側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)的計算4.1下行傳輸帶寬為2mbps、20mbps,上行傳輸帶寬為25.6kbps時衛(wèi)通鏈路計算（使用“zw - 1 號”衛(wèi)星）。表1為使用“zw-1號”衛(wèi)星,其工作頻段為ku波段。傳輸帶寬分別為2mbps、20mbps時, 對機載射頻功率的計

7、算要求。第1、2列為各有關計算項及其單位;第3列為傳輸帶寬為2mbps 時（下行），機載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為20mbps時（下行），機載射頻功率要求;第5 列為傳輸帶寬為25.6kbps時（上行），地面站射頻功率要求。表1傳輸帶寬為2mbps%20mbps時機裁射頻功率要求zw - 1號衛(wèi)星）12345衛(wèi)星皋型zw-1號ku頻段 j1m(g/t)sdb/k設為+5eirpsdbw設為50wsdbw/m2設為-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需機載（或地面站） 射頻發(fā)射功率w47473327237530

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

9、ku頻段衛(wèi)通鏈路上行遙控鏈路很容易實現(xiàn)，其中原因一為遙控數(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)通鏈路下行遙測鏈路不易實現(xiàn)，其中原因一為遙測數(shù)據(jù)率較大（幾mbps到幾十 mbps），二為機載天線口徑較小。在表1的計算中，為傳送20mbps帶寬的下行遙測數(shù)據(jù),機載衛(wèi)通天線為1 m時，機載射頻功 率為473w。對于實際發(fā)射功率為473w,工程上選用的功率放大器可能為800w功放，實際上, 對于800w射頻功率放大器，其耗電址至少應該大于2000w,這對于機上供電系統(tǒng)來講,負擔是 相當沉重的。光憑此點（還有尺寸、重量等因素），要求機載

10、射頻功率為473w就是不現(xiàn)實的。 因此，必須靠提高機載天線口徑來減低機載射頻功率要求。從表1第3列計算數(shù)據(jù)中看出，把 機載天線口徑從lm提高到1.4n）,其他所有條件都不變情況下，機載功放射頻發(fā)送功率從473w 下降到237w,下降一半！而假設能把機載天線口徑提高到3m（實際工程不允許），則機載功放 射頻發(fā)送功率下降到53w。因此,加大機載衛(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時衛(wèi)通鏈路計算（使用“xn - 1 號”衛(wèi)星）表2為使用“xn1號”衛(wèi)星,其工作頻段為ku波段。傳輸帶寬分別為2mbps、20mb

11、ps時, 對機載射頻功率的計算要求。第1、2列為各有關計算項及其單位;第3列為傳輸帶寬為2mbps 時（下行），機載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為20mbps時（下行），機載射頻功率要求;第5 列為傳輸帶寬為25.6kbps時（上行），地面站射頻功率要求。表2傳輸帶寬為2mhps、20mbp8時機載射頻功率要求（xn-1號衛(wèi)星）12345衛(wèi)星類型xn-1號ku頻段 衛(wèi)星(g/t)sdb/k設為+9eirpsdbw設為54wsdbw/m2設為-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需機載（或地面站） 射腰發(fā)射功率w181

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

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

14、衛(wèi)通鏈路下行遙測鏈路不易實現(xiàn)，改用性能更高的 “xn - 1號”衛(wèi)星后，我們看到:機載天線口徑同為lm,機載功放射頻發(fā)送功率從473w下降到 180w。改進效果明顯。因此，選用性能指標高的中繼通信衛(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時衛(wèi)通鏈路計算(便用“xn - 1號”衛(wèi) 星，地面站天線分別為3mj3m)表3為使用“xn -1號”衛(wèi)星，工作頻段為ku波段。傳輸帶寬為20mbps / 25.6kbps,機載 天線為im,而地面站天線分別為3m和13m。對機載/地面站射頻功率的計算。第1、2列為各表3傳輸帶寬為20mbps時機

15、載/地面站射頻功率要求(xn-1號衛(wèi)星)123456衛(wèi)星類型xn-1 號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需機載(或地面站) 射頻發(fā)射功率w1860.0451790.0025有關計算項及其單位;第3列為傳輸帶寬為20mbps(下行)，機載天線為lm,地面站天線為3m 時機載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為25.6kbps時(上行)，機載天線為lm,地面站天線為 3m時地面站射頻功率要求;第5列為傳輸帶寬為20mbps時(下行)，機載

16、天線為lm,地面站天 線為13m時機載射頻功率要求;第6列為傳輸帶寬為25.6kbps時(上行)，機載天線為ln),地面 站天線為13m時地面站射頻功率要求。通過表3,可以看出：(1) 第3列中為下行鏈路計算，地面站天線口徑為3m,機載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬為20mbps。計算得出地面站射頻發(fā)送功率為186wo(2) 第5列中為下行鏈路計算，地面站天線口徑為13m,機載衛(wèi)通天線口徑為lm,傳輸帶寬為20mbps。計算得出機載功放射頻發(fā)送功率為179w。(3) 第4、6列中為上行鏈路計算，地面站天線口徑分別為3m和13m,機載衛(wèi)通天線口徑為 lm,傳輸帶寬為25.6kbpso計算得出地面站功放射頻發(fā)送功率分別為0.045w和0.0025w。通過表3,可以得出如下結論：機載衛(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”衛(wèi)星。計算得出機載射頻發(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無人機緊張的下行高速率數(shù)據(jù)鏈路并無幫助。通俗講:加大 地面站天線口徑并不能彌補機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載到衛(wèi)星這一段。5結語通過以上分析計算,說明無