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(guān)系

1、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(guān)系洪都科技HoNGDUSCCEDTECHNoLoGY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(guān)系賈義海喻玉華(洪都航空工業(yè)集團)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(guān)鍵詞機載衛(wèi)通天線無人機信息速率射頻功率AnalysisonRelationshipBetweenAirborneSatelliteCoramunicationAntennaSizeonUAVandmgiudsialTransmissionBandwithJiaYihaiYuYuhua(HongduAviationIndustryGroup)selectioninde

2、tails.KeywordsAirbomesatellitecommunicationantennaiiAVDatatransmissionrateRFpower1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數(shù)字信號時,機載衛(wèi)通天線就要求加大.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)

3、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6第4期賈義海喻玉華: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(guān)系地面站/無人機附圖無人機衛(wèi)星中繼通信鏈路示意圖過程中,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10一lO一,最低數(shù)字傳輸誤碼率要求100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).否那么,即使數(shù)字信號可以傳送,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.打個比方,有些地方的無線模擬電視信號傳輸鏈路中,雖然可以接收到電視

4、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Vi徑呢?要揭示這個問題,其關(guān)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(guān):(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Vi徑增大時,其發(fā)射天線增益也增大.(1)接收天線增益:當天線Vi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:為使得接收,解碼后的數(shù)字信號到達規(guī)定的誤碼率,接收機需要的最低輸入射頻

5、信號強度.7洪都科技此數(shù)值與傳輸距離,傳輸介質(zhì),載波頻段/頻率有關(guān).當要求誤碼率一定值時,采用不同的調(diào)制方式,選用不同糾錯率,那么要求有不同的衰落裕度值.即碼速率.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一1號"衛(wèi)星).表1為使用"ZW一1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算要求.第1,2列為各有關(guān)計算項及其單位;第3列為傳輸帶寬為2Mbps時(下行),機

6、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時機載射頻功率要求ZW一1號衛(wèi)星)12345衛(wèi)星類型ZW一1號Ku頻段衛(wèi)星(G/T)sdB/K設(shè)為+5EI脅dBW設(shè)為50WsdBr/m設(shè)為一85接收站天線尺寸m661需機載(或地面站)W47473327237530.28射頻發(fā)射功率通過表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6m,機載衛(wèi)通天線口徑為1m,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

7、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1m.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1m,1.2m,1.4m,3.0m.對應(yīng)計算得出機載功放射頻發(fā)送功率為473W(1m),327W8第4期賈義海喻玉華: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(guān)系(1.2m),237w(1.4m),53W(3.0m).通過表1,可以得出如下結(jié)論: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(25.6Kbps),二為地面站天線口徑較大,地面站射頻發(fā)射功率僅為0.

8、28W.Ku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1m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,其耗電量至少應(yīng)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1m提高到1.4m,其他所

9、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(shè)能把機載天線口徑提高到3m(實際工程不允許),那么機載功放射頻發(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正確途徑.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一1號"衛(wèi)星)表2為使用"XN一1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算要求.第1,2列為各有關(guān)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

10、;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2Mbps,20Mbps時機載射頻功率要求(XN一1號衛(wèi)星)12345衛(wèi)星類型XN一1號Ku頻段衛(wèi)星(G/T)sdB/K設(shè)為+9EIRPsdBW設(shè)為54WsdBW/m設(shè)為一90接收站天線尺寸m661.o08射頻發(fā)射功率通過表2,可以看出:(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9洪都科技25.6kbps.計算得出地面站射頻發(fā)送功率為0.008W.(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

11、6m,機載衛(wèi)通天線口徑為1m.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m),90W(1.4m).通過表2,可以得出如下結(jié)論:由于"XN一1號"衛(wèi)星性能較"ZW一1號"衛(wèi)星略高,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一1號"衛(wèi)星時就很容易實現(xiàn),改用性能更高的"XN一1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一1

12、號"衛(wèi)星后,我們看到:機載天線口徑同為1m,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頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測鏈路不易實現(xiàn),改用性能更高的"XN一1號"衛(wèi)星后,我們看到:機載天線口徑同為1m,機載功放射頻發(fā)送功率從473W下降到l8Ow.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&

13、#39;25.6kbps時衛(wèi)通鏈路計算(使用"XN一1號"衛(wèi)星,地面站天線分別為3m,13m)表3為使用"XN一1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1m,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時機載/地面站射頻功率要求(XN一1號衛(wèi)星】_rl23456衛(wèi)星類型XN一1號Ku頻段衛(wèi)星(G/T)SdB/K+9EIRPgdBW54WsdBW/m290發(fā)送站天線尺寸ml3l13接收站天線尺寸m3l131需機載(或地面站)W1O第4期賈義海喻玉華:淺論無

14、人機機載衛(wèi)通天線尺寸與數(shù)字信號傳輸帶寬關(guān)系有關(guān)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25.6ICbp時(上行),機載天線為lm,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

15、186W.(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1m,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25.6kbps.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(jié)論:機載衛(wèi)通天線口徑為1m,地面站天線口徑分別為3m,13m,傳輸帶寬為20Mbps,都使用"XN一1號"衛(wèi)星.計算得出機載射頻發(fā)送功率分別為186W,179W,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(jié)語通過以上分析計算,說明無人機衛(wèi)星中繼通信上行鏈路較容