无人机测控与信息传输信道的建模与仿真设计

摘  要： 分析了无人机测控与信息传输系统中传输信道的特点，针对无人机飞行中不同的状态和环境条件，建立了不同的信道模型，并在此基础上，设计了一个可用于无人机测控与信息传输系统设计的信道仿真器，该仿真器通过设置不同的参数，可对无人机飞行中所处的不同通信信道进行仿真，以全面验证无人机测控与信息传输系统中所采用的传输技术性能及接收机性能。
关键词： 无人机测控与信息传输系统；信道模型；WSSUS；地面反射波；多径

    无人机测控与信息传输系统是整个无人机系统设计中的关键，而传输信道则是无人机测控与信息传输系统设计的重要依据。因此，研究无人机测控与信息传输系统的传输信道,不仅对信道的可用性分析、载波频率的选择和无线网络的规划具有重要意义，而且对于传输技术的选择和数字接收机的设计起着至关重要作用。
1 无人机测控与信息传输信道的特点
    无人机测控与信息传输系统的传输信道属于移动的无线信道。首先，在无线信道中，电波会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并会因地形、建筑物的遮蔽而发生“阴影效应”；同时，由于电波的反射、散射和绕射，信号会通过多条路径到达接收端，这些多径信号的到达时间、相位和幅度都不一样，当它们在接收端被叠加时，同相叠加幅度增强，反相叠加幅度减弱，从而使接收信号的幅度在短时间内发生急剧变化，即产生多径衰落。多径衰落在时域上展宽了接收信号，称之为时延扩展，进而造成了码间串扰；在频域上则表现为频率选择性衰落，使信号严重失真。其次，由于无人机具有很高的飞行速度，因此会引起较大的多普勒频移，造成多普勒扩展（即频率色散），使信道出现时间选择性衰落。
    根据参考文献[1]，无线信道的传播模型一般可分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型两种。大尺度衰落模型主要用于描述发射机与接收机之间长距离(几百或几千米)上的信号强度变化；小尺度衰落模型用于描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度的快速变化。在同一个无线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落，因此，实际的无线信道衰落因子可表示为：

    在无人机测控与信息传输系统的研究中，选择传输技术和设计数字接收机的重要依据是小尺度衰落模型的建立，因此，本文将主要研究小尺度衰落的信道模型。
2 无人机测控与信息传输信道模型的建立
    1963年，Bello介绍了一种小尺度衰落信道模型[2]，即广义平稳不相关散射WSSUS(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering)模型，该模型由散射函数Ps( 子,fD)完全确定，在假设多普勒功率谱与延迟功率谱相互独立的条件下，有Ps( 子, fD)=Ps( 子)Ps(fD)。在该模型中，可以定义不同的多普勒功率谱和延迟功率谱，并认为以不同时延到达接收天线的信号是不相关的。如果信道中只存在大量的反射路径而不存在直射路径，则称此时的小尺度衰落为瑞利衰落，接收信号的包络服从瑞利分布；如果还存在直射路径，则接收信号的包络服从莱斯分布。
    无人机测控与信息传输系统中的地面测控站都使用高增益的定向测控天线，因此在接收信号中必然存在一定强度的直射分量。当天线仰角较低时，还会存在较强的地面反射波[3]。由于地形、地貌和大气等，以及机翼和机体的影响，存在由不同路径传播的多径分量，这里统称为散射分量。因此，一般情况下，无人机测控与信息传输信道可视为以上几种成分的叠加(在实际应用中可酌情取舍)，其信道模型的冲激响应h( 子,t)表示为：

2.2 莱斯信道模型
　当无人机在山区等地形复杂的上空飞行，且其测控与信息传输系统的工作频段较低（如L波段）时，应考虑多径衰落的影响。此时，若无人机距离地面测控站不远，有较强的直射分量，而天线的仰角不是很低，可忽略地面反射波的影响，从而可视信道为平坦莱斯衰落信道，其小尺度信道模型的冲激响应h( 子,t)表示为：



   由图4可见，高斯信道下的误码率性能最好，其次是莱斯信道， 最后是二径的莱斯＋地面波信道。不过由于系统采用了有效的同步、信道编码和信道估计技术等，误码率指标均可满足系统要求。
    本文从传输信道的角度为无人机测控与信息传输系统中传输技术的选择和接收机的设计提供了必不可少的验证手段。针对无人机飞行中不同的状态和环境条件，文中分析了无人机测控与信息传输系统中传输信道的不同特性，建立了不同的信道模型，并给出了相应的信道冲激响应表达式。在此基础上，设计了一个可用于无人机测控与信息传输系统技术研究的信道仿真器，该仿真器通过设置不同的参数，完成对无人机飞行中所处不同通信信道的仿真。
    随着无人机应用领域的不断拓展，其测控与信息传输信道的特点也会发生不断的变化，因此就需要对信道模型和仿真器进行相应的修改和补充，以便为系统传输技术的研究提供可靠的验证。
参考文献
[1] 杨大成. 移动传播环境：理论基础、分析方法和建模技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
[2] (美)RAPPAPORT T S.无线通信原理与应用(第二版)[M]. 北京：电子工业出版社，2006.
[3] 金石. 无人机通信信道的统计模型[J].航空学报，2004,25(1)：62-65.
[4] HAAS E.  Aeronautical channel modeling[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2002,51(2):254-264.