无人机数据链测距：从频段选择到损耗计算的全链路技术解析

不同航天任务对通信距离、带宽、抗干扰性的需求不同，需匹配专属频段——频段选择错误可能导致信号被电离层吸收、雨衰过大或带宽不足，直接影响任务成败。

1.核心频段与任务适配性

无线电频谱按频率从低到高可分为多个区间，其中航天测控的“主力频段”集中在VHF至Ka频段，各频段特性及应用场景如下：

2.频段选择的 “国际规则”

航天频段使用需遵循ITU（国际电信联盟）与CCSDS（空间数据系统咨询委员会）规范，避免跨任务干扰：2025~2110MHz、8400~8450MHz频段仅限空间科学业务，禁止地面设备占用；深空探测X频段（7.145~7.235GHz）需预留10MHz保护带宽，防止与其他国家深空任务（如美国“毅力号”火星车）串扰；近地航天器的上行遥控频段与下行遥测频段需间隔≥200MHz，避免收发信号相互干扰。

航天器轨道运动导致单次过顶时间短（低轨卫星仅10~20分钟），需通过 “地基+空基+天基” 协同布局，实现全轨道无间断测控。

1.地基测控站：全球布点的 “基础单元”

地基站是测控网的核心，布局逻辑围绕 “视距覆盖” 与 “轨道互补” 展开：

视距覆盖计算：对于轨道高度h的航天器，单最大视距距离为：

（R=6378km为地球半径）

例：轨道高度400km的空间站，单站最大视距约 712km，需每700km部署一个地基站才能实现连续跟踪。我国地基网布局：在喀什（东经76°）、佳木斯（东经130°）、阿根廷（西经68°）建设深空站，覆盖东西半球，实现低轨航天器每90分钟过顶时的 “接力测控”。例如天问一号火星探测器飞掠地球时，喀什站与阿根廷站接力捕获信号，确保轨道修正指令无延迟发送。

2.空基平台：填补“低空盲区”

针对航天器上升段、再入段（高度<100km）的低空测控需求，采用“测量飞机 + 无人机”构建空基平台：

三、自由空间损耗

无线电波在传播中会因能量扩散产生损耗，工程中常用简化公式快速估算，其推导过程与单位换算逻辑是链路设计的核心。

1.简化公式的推导

该公式是工程中估算自由空间损耗的“快捷工具”，推导需结合dB定义与单位换算，步骤如下：

从“球面波扩散”原理出发，逐步推导自由空间损耗公式：

步骤 1：发射功率的球面分布假设发射天线为全向天线（增益GT=1），发射功率PT均匀分布在半径为R的球面上，球面上的功率密度（单位面积功率）为：

步骤 2：接收功率的计算接收天线的有效面积为：

（GR为接收天线增益，λ为信号波长），则接收功率为：

步骤 3：推导损耗公式

自由空间损耗Lfr定义为 “发射功率与接收功率的比值”，代入上述公式可得：

注：实际应用中，GT、GR需取天线实测增益，λ=c/f，c为光速3×10^⁸m/s，f为信号频率。

Step 4：原始损耗公式

当发射 / 接收天线为全向天线（增益GT=GR=1）时，自由空间损耗为：

d为传播距离，λ为电磁波波长。

Step 5：转换为 dB 形式dB 定义为“功率比的10倍对数”，即

拆分对数项：

Step 6：代入波长与单位换算波长λ=c/f（c=3×10⁸m/s为光速），代入得：

Step 7：计算常数项代入4π≈12.566、c=3×10⁸m/s，计算常数项：20lg(4π)−20lgc≈20×1.099−20×8.477≈21.98−169.54≈−147.56dB

但此时d单位为米、f单位为赫兹，需转换为工程常用单位（d为千米、f为MHz）：

f(MHz)=f(Hz)/10⁶，

故20lgf(Hz)=20lg[f(MHz)×106]=20lgf(MHz)+120dB；

Step 8：合并常数项代入单位换算后的表达式，合并常数项：

至此，得到工程常用的自由空间损耗简化公式：

Lf=20lgd+20lgf+32.4

Lf：自由空间损耗；d：km，f：MHz。

2.工程实例：不同任务的损耗对比

3.额外损耗的补偿措施

实际链路中除自由空间损耗外，还需应对多种干扰，常用补偿手段如下：

四、噪声与抗干扰

无线电信号在传输中会受噪声干扰，需识别干扰来源并采取针对性抑制措施，确保测控精度。

1.主要噪声类型及影响

• 热噪声：电子元器件热运动产生的“高斯白噪声”，公式为:

是限制接收机灵敏度的核心因素，通过“低温接收机（液氮冷却至77K）”可降低噪声温度至数10K；

• 宇宙噪声：来自银河系、太阳的射电辐射，对S频段以下影响较大，通过 “窄带滤波” 可滤除大部分干扰；

• 人为噪声：工业设备、汽车点火产生的干扰，多集中在120MHz以下，对微波频段测控影响可忽略，通过 “电磁屏蔽” 减少干扰。

2.抗干扰技术的工程应用

五、无线通信路损（Path Loss）

路径损耗（简称路损，Path Loss）是无线通信中的一个核心概念，描述了信号在传播介质中，从发射端传输到接收端时，随着距离增加而产生的衰减或强度减弱。它受到距离、频率、周围环境等因素的影响。

精确的路径损耗计算，对于各类无线系统的设计至关重要，包括蜂窝网络、Wi-Fi和卫星链路。路径损耗的计算可通过多种模型实现，其中Friis传输公式、对数距离路径损耗模型最为常用。

在系统设计中，首先需要评估的是不同接收距离下的路损。作为链路预算的关键部分，对路损的良好估计可以为系统提供非常直观的视图。

3GPP信道模型涵盖了多种不同的环境，每种环境都有不同的路损模型，分别适用于视线（LOS）和非视线（NLOS）条件。支持的环境包括农村宏站（RMa）、城市宏站（UMa）、城市微街峡谷（UMi-SC）和室内热点（InH）。

室内NLOS路径损耗由以下函数定义，并基于标准正态分布N(0,σ2_p)的概率函数：

其中，PL_InH-LOS是LOS条件下的路径损耗，定义为：

而PL_InH-NLOS′定义为：

上述函数假设发射器和接收器都在建筑物内，并且从发射器到接收器有一条信号路径，因此不需要穿透内部墙壁。通过使用类似的公式，可以计算其他环境的路径损耗。当考虑室外基站和室内移动终端时，总路径损耗是室外路径损耗PL_b、室内路径损耗PL_in和额外的墙体穿透损耗PL_tw的总和，如以下公式所示：

PL_tw由以下公式定义：

其中，PL_npi目前使用常数值5dB，pi是墙中第i种材料的比例。

下表给出了每种材料的载波频率依赖值L_material_i。该模型允许计算墙体的穿透损耗，比如，具有特定比例混凝土和标准多面板玻璃的墙壁。