4. 链路预算与传播模型

无人系统遥测遥控链路能否可靠工作，取决于发射功率、天线增益、传播损耗、接收灵敏度之间是否留有足够裕量。链路预算的本质，是把这条链路上所有增益与损耗逐项折算到同一参考点，最后判断接收功率是否高于解调门限，并留出应对衰落、雨衰、多径和指向误差的余量。本节围绕自由空间损耗、大气衰减、雨衰、多径、视距/超视距传播以及链路余量设计展开。

一、自由空间损耗：链路预算的基准

自由空间损耗描述理想无遮挡、无吸收条件下电磁波随距离扩散造成的功率密度下降。工程上常用弗里斯传输公式的对数形式：

Lfs(dB) = 32.44 + 20·lg(d_km) + 20·lg(f_MHz)
接收功率 Pr(dBm) = Pt(dBm) + Gt(dBi) + Gr(dBi) - Lfs - L_other

其中 d_km 为传播距离（km），f_MHz 为工作频率（MHz）。例如某无人机数据链工作在 2.4 GHz（2400 MHz），地面站与飞机相距 50 km，则 Lfs = 32.44 + 20·lg50 + 20·lg2400 ≈ 32.44 + 33.98 + 67.60 ≈ 134.0 dB。若发射功率 30 dBm、收发天线各 6 dBi，则理想接收功率约为 30 + 6 + 6 − 134 = −92 dBm。这个数值只是基准，实际还要叠加各类附加损耗。

从公式可见，频率每提高一倍，自由空间损耗增加约 6 dB；距离每增加一倍，损耗也增加约 6 dB。这解释了为什么高频链路在同等条件下作用距离更短，也说明链路预算必须与工作频段、距离指标一起确定。

二、大气衰减与雨衰

大气衰减主要来自氧气和水汽的吸收，在 1～15 GHz 范围内通常较小，但随频率升高而增大。工程上可用单位距离衰减率乘以等效路径长度估算：L_atm = γ_atm · d。例如 2.4 GHz 时氧气与水汽吸收约 0.01～0.02 dB/km，50 km 仅约 0.5～1 dB，通常可忽略；但在 10 GHz 以上，尤其是 22 GHz 水汽吸收峰附近，必须计入。

雨衰与降雨强度、频率、极化方式和路径穿雨长度有关。常用简化模型为 L_rain = γ_R · d_eff，其中 γ_R 为雨衰率（dB/km），d_eff 为有效穿雨路径。以 10 GHz、降雨强度 25 mm/h 为例，雨衰率约 0.5～1 dB/km；若穿雨路径 5 km，雨衰可达 2.5～5 dB。对 2.4 GHz 链路，同等降雨下雨衰通常小于 0.1 dB/km，影响有限。因此低频链路更关注多径与遮挡，高频链路必须为雨衰预留余量。

三、多径与视距/超视距传播

多径来自地面、海面、建筑或机体的反射，直射波与反射波在接收端矢量叠加，形成频率选择性衰落和深衰落。地面反射两径模型下，路径差 Δd 引起的相位差为 Δφ = 2πΔd/λ。当 Δφ = π 时两径反相，接收功率可能下降十几甚至二十 dB。低空飞行、海面反射、城市环境是典型多径场景。

视距传播要求收发之间第一菲涅尔区无遮挡。第一菲涅尔区半径 F1 = 17.32·√(d1·d2/(f·D))（d1、d2、D 单位 km，f 单位 GHz，结果单位 m）。若障碍物侵入菲涅尔区 20% 以上，损耗明显增加；完全遮挡则进入绕射区。超视距传播依赖对流层散射、绕射或中继，损耗远高于自由空间，通常需要额外 20～40 dB 余量，或改用中继、卫星链路。

四、链路余量设计

链路余量 M = Pr − 接收灵敏度，表示链路对抗额外损耗的能力。工程上通常要求：视距、稳定环境留 6～10 dB；存在雨衰、多径或机动飞行时留 10～20 dB；超视距或高可靠场景留 20 dB 以上。余量不是越大越好，过大会浪费功率、增加干扰和体积，应按任务剖面分级设计。

当余量不足时，可按优先级调整：提高发射功率、增大天线增益、降低频率、缩短距离、改善天线指向与极化匹配、增加中继或采用分集接收。以本节示例为例，若把发射功率从 30 dBm 提升到 37 dBm，余量可增至约 10.7 dB，满足基本视距要求；若同时把天线增益各提高 3 dBi，余量可达约 16.7 dB，能覆盖中等雨衰与多径场景。

综上，链路预算是一条从发射到接收的功率账：自由空间损耗给出基准，大气与雨衰按频段和天气叠加，多径与遮挡按环境叠加，最后用余量判断链路是否可用。掌握这套计算与判断方法，才能在无人系统遥测遥控链路设计中把距离、频段、功率和可靠性统一起来。