系统设计
链路损耗预计地空通信中，地面设备的天线一般采用带伺服跟踪措施的窄波束定向天线，根据和高空平台的距离不同，地面天线的仰角也不同。在高仰角下，地空信道模型等效为恒参高斯信道，链路损耗近似为自由空间的损耗。在低仰角下，信道模型较为复杂，可以根据接收电平的衰落速度分为快衰落和慢衰落两种，快衰落深度小，由多径造成，慢衰落由阴影衰落或二径信道衰落造成，幅度较深，可能造成链路中断。地空信道为视距通信(LOS)，如果地面站处于地形复杂地区，树木、丘陵和山脉等地形、地物离地面站较近，此时慢衰落的信道模型为对数正态分布阴影衰落模型;如果地面站处于开阔地区，此时慢衰落的信道模型为频率选择性双径模型［2］。如果根据以上理论分析计算链路损耗，非常繁琐，需要根据不同的环境和通信距离选择不同的模型以及模型参数。在工程设计中，L频段以下，Okumura-Hata模型根据试验数据而得到，是移动通信中小区半径大于1km的宏蜂窝小区的电波损耗模型。对于地空通信，在一定范围内可利用此模型［3］。此时地空链路损耗为:PL=69.55+26.16lg(f)－13.82lg(hb)－a(hm)+{44．9－6．55lg(hb)}lg(d)+Cm，(1)式中，f:工作频率［MHz］;hb:基站天线的有效高度［m］;hm:移动台天线高度［m］;d:基站与移动台之间的距离［km］;Cm:地物衰减修正值［dB］;a(hm):移动台高度因子［dB］。大量的野外试验表明，低仰角地空信道存在约20～30dB的深衰落。如果高空平台悬浮或小范围内盘旋，深衰落发生在午夜到凌晨的某一时间段;如果高空平台做直线运动，深衰落发生在与频率，天线高度等相关的特定距离上［3］。深衰落可以由信道的二径模型进行分析，当直射波和反射波的距离差满足式(2)时，深衰落出现。可采用空间分集等措施解决。（式略）交换体制高空平台无线通信系统为实现各种业务的综合交换，以及适应高空平台无线通信系统无线窄带信道的特点，需要选择一种合适的交换体制。从实现原理来看，交换技术分为电路交换和存储转发。存储转发的交换技术可分为报文交换(如电报)和分组交换，而分组交换又可进一步分为数据报(无连接，如IP)和虚电路(面向连接，如ATM)［4］。采用目前高性能路由器以及高速ATM交换结构中的成熟思路，构建ATM/IP混合一体化交换结构，路由信令平面与数据平面分离，交换结构可以独立地处理高速数据交换［5］。交换结构由IP或者ATM专用变为混合使用，采用定长分组交换技术，兼顾IP与ATM，既能够满足目前发展的需求，与当前大多数网系互联，又可以兼容下一代网络。抗多径衰落措施地空通信中的快衰落是由于多径造成的。到达接收机天线的信号不是来自单一路径，而是由许多路径来的众多反射波的合成。减小多径衰落主要有以下技术途径［6］:①增大地面天线口径。一方面天线增益高，可增加系统的电平储备，另一方面天线的方向性增强，可以减小天线对反射波的增益。②利用圆极化天线的左旋、右旋隔离度减少地面反射波的影响。左旋极化天线，其电波经地面反射后，变成右旋方式，而天线的左旋、右旋极化之间具有一定的隔离度，从而减小接收信号的衰落深度。③采取分集措施。只要各分集支路的接收信号之间的相关性很小，可以得到互相补偿的作用。常用的分集方式有空间分集、频率分集、角分集、极化分集和时间分集等。④自适应均衡器。均衡器则是一种理想抗衰落措施。能够自动学习和跟踪信道传输特性，并不断地修正自身工作参数去适应信道特性的变化，从而消除信道造成的干扰或失真，以改善接收系统的性能。自适应均衡器一般采用LMS算法的判决反馈结构，与解调器联合设计，全数字实现。抗多普勒频移措施当高空平台与地面设备的相对运动会有较大的多普勒频移时，将给低速率数字解调的相干载波提取带来影响，导致系统的检测性能下降。接收机零中频信号为:（式略）
设备的小型化设计
高空平台通信设备采用ATR机箱为共用平台，实现了设备的小型化。可以承载4个信道模块，共用平台重量小于18kg。信道模块的小型化设计在信道模块的设计中，发信机结构采用基带信号直接射频调制方案，这样省去传统的中频上变频方案的混频环节和上变频抑制滤波器。收信机结构采用高中频和低中频相结合的方案。先把接收的射频信号变到一个较高的中频，然后直接把高中频变为低中频信号进行数字信号处理。信道模块的有源器件主要采用大规模集成电路。一方面带来设备体积、功耗的减小，另一方面使设备的可靠性提高。信道模块在无源器件上充分利用了目前较成熟的LTCC器件，如小信号射频滤波器、功分器、合路器以及定向耦合器。印制板的设计采用微波多层印制板，提高印制板器件的集成度，缩小信道模块的体积。共用平台的小型化设计信道模块和空中交换单元小型化与共用平台的小型化综合统一考虑。合理地分配功能单元所处的位置，简化各模块间的接口电路，统一供电，降低设备整体功耗。ATR机箱采用母板形式，母板上插件之间连接通过印制板走线完成。信道模块的射频单元与数字处理单元间的连线最多，频率高，且易受到干扰，母板连线采用差分走线，消除了母板走线上拾取的共模噪声和干扰。信道模块的数字处理单元与空中交换单元的接口板，空中交换单元的接口板与主控板之间都采用差分信号形式。
结束语
近年来，无人机迅猛发展，已广泛应用于地质测绘、抢险救灾和军事等场合。无人机上越来越多地配置通信设备，高空平台无线通信系统的需求必将越来越大。将来对高空平台无线通信系统的功能要求是多样化的，空中交换的组网是一种趋势。高空平台设备的小型化应该走专用集成电路路线;为了承载各种业务，与地面网的发展方向一致，高空平台无线通信系统的交换体制应该向全IP网发展。对高空平台无线通信系统设计进行总结，希望能给此方面研究的人员提供参考。
作者：吴俊晨 任文成 单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所
