关于“无人机无线数据链”的常识性问题

昨天收到一个朋友发来的“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿（下面统称“意见稿”），拜读以后发现一些常识性错误。虽然通过一些渠道反馈了过去，后来想想，还是写一点关于“无人机无线数据链”的常识性介绍文章，也许对于无人机行业应用的技术人员有所裨益。

首先，我们顺着“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿进行展开，先讨论一下无线数据链接收灵敏度的常识。下图是征求意见稿的截图：

可能大家觉得，这个灵敏度指标很高，说明参与制定标准的厂家已经达到了这么高的灵敏度，值得敬佩。其实不然，仔细归算一下就发现，这么高的灵敏度，超常规了，全世界谁也达不到这个指标。

关于无线系统的最高接收灵敏度极限，可以首先按照系统的热噪声来估算。如果想把微弱的无线信号接收下来，信号的幅度必须大于系统的热噪声幅度，否则有用的信号就全面湮灭在噪声里面了。热噪声的幅度是多少呢？其实很简单，公式如下：

N=KTB

其中，N是白噪声功率，K是玻尔兹曼常数，T是环境温度，B是射频带宽。K=1.38×10¯²³，T=290°K（假设是温室是17℃）。剩下的我们只要知道射频信道的带宽就可以了。根据“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿第13页的带宽划分，假设B=5MHz，根据以上公式计算如下：

N（dBm）=10×Lg（1.38×10¯²³×5×10⁶×290×1000）=-107（dBm）

就是说，在射频信道是5MHz时，白噪声的功率幅度是-107dBm。那么，如果我们要解调一个频谱带宽为5MHz的信号，这个信号的幅度必须大于-107dBm！否则，信号就全部淹没在噪声里面了，根本无法解调。对于早期的无线信道解调技术，一般是预留10dB的信号冗余，就是说-97dBm才是一个5MHz带宽的信道的实际借解调灵敏度。随着技术的不断发展，人们发现，纠错算法可以大大提高接收机的信道灵敏度。当人们将各种先进的纠错算法（如OFDM交织、LDPC纠错、TURBO纠错等等）引入到调制解调系统以后，接收灵敏度可以大大提高，在接近白噪声功率1-2dB的水平上进行解调，就是说灵敏度可以达到-105dBm。但是考虑到接收机的滤波和放大器的噪声引入，实际可实现的接收灵敏度应该在-102dBm，这才是一个比较合理的灵敏度设置标准。

当然，同样的方法，可以推断出当射频带宽为1.4MHz时，系统接收灵敏度可以建议为-107.5dBm。所以，意见稿中的-110dBm也是不合理的。

第二个要讨论的，还是跟灵敏度相关联的指标。我们既然推算出合理的系统灵敏度指标，那么，很容易就推算出无人机在飞行过程中的数据链传输距离问题。实际上，无人机数据链的真实传输距离才是无人机行业工程师们真正关心的，俗话说是骡子是马牵出来遛一遛，性能好坏要看疗效！根据意见稿的设定，要求无人机的图像数据传输距离如下：

既然要求5MHZ带宽情况下，信道接收灵敏度为-102dBm，规定的等效全向发射功率为39dBm，见下图的意见稿截图：

那么根据要求的这个发射功率和接收灵敏度，怎样才能计算出实际传输距离呢？公式如下：

Pᵣ（dBm）=10×Log{Pᵼ×Gᵼ×Gᵣ×（λ/4πR）²}

以上公式就是著名的传输距离公式。其中，Pᵣ是接收机的输入信号，Pᵼ是无人机机载发射机的发射功率，Gᵼ是机载发射机的天线增益，Gᵣ是地面接收端的天线增益，λ是无线信号的波长，R就是无人机和地面的传输距离。现在，已知Pᵣ=-102dBm，Pᵼ×Gᵼ=39dBm，假设地面接收天线灵敏度是3dB，波长λ=21Cm，我们可以计算出传输距离为： R=103Km 理论上，按照意见稿的标准，无人机的数据链的极限传输距离可以达到103Km。当然，这是个理想数据，实际的数据还要考虑到各种馈线损耗、大气衰减等等。这样我们反推一下，说明这个标准极端不合理！无人机的机载等效全向辐射功率往往不可能做到39dBm，这数据意味着，当机载发射天线增益是3dB时，无人机机载无线发射机的功率为40W，---这是很荒唐的！因为警用无人机多数是微小功率发射机，一般是500-2000mW足够了，也就是27dBm-33dBm

之间，这样，极限传输功率可以达到30Km-51Km左右。即使考虑到其他各种不利因素（比如，为了提高传输的数据带宽而加大调制的密度，会使得系统灵敏度降低），我们用500mW的发射功率，传输10-15Km肯定是可以的！显然，意见稿里面，设定传输距离为5Km距离@5MHz带宽的指标，也是很不合理的。建议更改为10-15Km比较合理。

今天讨论的第三个无线传输的常识问题，就是视距或者非视距传输的问题。上面的讨论，实际上都是基于视距传输（line of sight，或LOS），也叫直线传输。什么环境下是视距传输的呢？大家知道，地球是圆形的，在海平面上是个标准的球面。我们按照海平面的标准球面计算，利用平面几何原理，可以得出很准确的视距传输公式如下：

其中，L（Km）是视距的距离，H1（单位是米）是无人机的高度，H2（单位是米）是地面接收天线的架设高度。也可以根据下图的推导进行计算：

通过以上示例，可以看出，无人机在海平面理想状态下的视距距离，取决于无人机的飞行高度。在陆地的情况可能复杂一些，但是基本原理不变。

在很多无人机的招标PK现场，有的无人机传输图像距离很远，有的无人机则图像卡顿，有时候根本不是无限数据链的质量好坏，其实高度设定是根本原因。笔者所在单位曾经遇到过这个问题，有一个友商购买了我公司的图传，结果现场PK的时候，该公司的技术人员发现，他们的图传不如我公司的距离远，于是怀疑是不是我们公司将质量好的图传留给自己用，将不好的图传卖给同行了！真的是多虑了，传输效果不好的原因有：飞行高度问题，天线增益问题，射频接口是不是链接得好，有没有干扰等等。一般来说，咱们中国厂家为了提高销售量，往往将好的产品销售给客户，自己反而会用差一点的或者过时的，比如，外贸行业的服装出口转内销就是一个例子，有点瑕疵的都自己工厂内部当做福利发给自己员工了。

本文借“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿作为话题引子，主要是这样更容易引起读者关注，不当之处，敬请谅解。