文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)02-0098-03
無人機測控與信息傳輸系統是整個無人機系統設計中的關鍵，而傳輸信道則是無人機測控與信息傳輸系統設計的重要依據。因此，研究無人機測控與信息傳輸系統的傳輸信道,不僅對信道的可用性分析、載波頻率的選擇和無線網絡的規劃具有重要意義，而且對于傳輸技術的選擇和數字接收機的設計起著至關重要作用。
1 無人機測控與信息傳輸信道的特點
無人機測控與信息傳輸系統的傳輸信道屬于移動的無線信道。首先，在無線信道中，電波會隨著傳播距離的增加而發生彌散損耗，并會因地形、建筑物的遮蔽而發生“陰影效應”；同時，由于電波的反射、散射和繞射，信號會通過多條路徑到達接收端，這些多徑信號的到達時間、相位和幅度都不一樣，當它們在接收端被疊加時，同相疊加幅度增強，反相疊加幅度減弱，從而使接收信號的幅度在短時間內發生急劇變化，即產生多徑衰落。多徑衰落在時域上展寬了接收信號，稱之為時延擴展，進而造成了碼間串擾；在頻域上則表現為頻率選擇性衰落，使信號嚴重失真。其次，由于無人機具有很高的飛行速度，因此會引起較大的多普勒頻移，造成多普勒擴展（即頻率色散），使信道出現時間選擇性衰落。
根據參考文獻[1]，無線信道的傳播模型一般可分為大尺度衰落模型和小尺度衰落模型兩種。大尺度衰落模型主要用于描述發射機與接收機之間長距離(幾百或幾千米)上的信號強度變化；小尺度衰落模型用于描述短距離(幾個波長)或短時間(秒級)內接收信號強度的快速變化。在同一個無線信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落，因此，實際的無線信道衰落因子可表示為：
在無人機測控與信息傳輸系統的研究中，選擇傳輸技術和設計數字接收機的重要依據是小尺度衰落模型的建立，因此，本文將主要研究小尺度衰落的信道模型。
2 無人機測控與信息傳輸信道模型的建立
1963年，Bello介紹了一種小尺度衰落信道模型[2]，即廣義平穩不相關散射WSSUS(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering)模型，該模型由散射函數Ps(?子,fD)完全確定，在假設多普勒功率譜與延遲功率譜相互獨立的條件下，有Ps(?子, fD)=Ps(?子)Ps(fD)。在該模型中，可以定義不同的多普勒功率譜和延遲功率譜，并認為以不同時延到達接收天線的信號是不相關的。如果信道中只存在大量的反射路徑而不存在直射路徑，則稱此時的小尺度衰落為瑞利衰落，接收信號的包絡服從瑞利分布；如果還存在直射路徑，則接收信號的包絡服從萊斯分布。
無人機測控與信息傳輸系統中的地面測控站都使用高增益的定向測控天線，因此在接收信號中必然存在一定強度的直射分量。當天線仰角較低時，還會存在較強的地面反射波[3]。由于地形、地貌和大氣等，以及機翼和機體的影響，存在由不同路徑傳播的多徑分量，這里統稱為散射分量。因此，一般情況下，無人機測控與信息傳輸信道可視為以上幾種成分的疊加(在實際應用中可酌情取舍)，其信道模型的沖激響應h(?子,t)表示為：
2.2 萊斯信道模型
當無人機在山區等地形復雜的上空飛行，且其測控與信息傳輸系統的工作頻段較低（如L波段）時，應考慮多徑衰落的影響。此時，若無人機距離地面測控站不遠，有較強的直射分量，而天線的仰角不是很低，可忽略地面反射波的影響，從而可視信道為平坦萊斯衰落信道，其小尺度信道模型的沖激響應h(?子,t)表示為：
由圖4可見，高斯信道下的誤碼率性能最好，其次是萊斯信道， 最后是二徑的萊斯＋地面波信道。不過由于系統采用了有效的同步、信道編碼和信道估計技術等，誤碼率指標均可滿足系統要求。
本文從傳輸信道的角度為無人機測控與信息傳輸系統中傳輸技術的選擇和接收機的設計提供了必不可少的驗證手段。針對無人機飛行中不同的狀態和環境條件，文中分析了無人機測控與信息傳輸系統中傳輸信道的不同特性，建立了不同的信道模型，并給出了相應的信道沖激響應表達式。在此基礎上，設計了一個可用于無人機測控與信息傳輸系統技術研究的信道仿真器，該仿真器通過設置不同的參數，完成對無人機飛行中所處不同通信信道的仿真。
隨著無人機應用領域的不斷拓展，其測控與信息傳輸信道的特點也會發生不斷的變化，因此就需要對信道模型和仿真器進行相應的修改和補充，以便為系統傳輸技術的研究提供可靠的驗證。
參考文獻
[1] 楊大成. 移動傳播環境：理論基礎、分析方法和建模技術[M]. 北京：機械工業出版社，2003.
[2] (美)RAPPAPORT T S.無線通信原理與應用(第二版)[M]. 北京：電子工業出版社，2006.
[3] 金石. 無人機通信信道的統計模型[J].航空學報，2004,25(1)：62-65.
[4] HAAS E. Aeronautical channel modeling[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2002,51(2):254-264.