随着航空平台的发展，宽带地空通信对信息传输的实时性和传输速率的要求也越来越高，因此建立一系列高效的地空通信系统以满足各种地空通信任务的需求，已成为广大通信工作者一项迫在眉睫的任务。在远距离地空通信以及地面站天线低仰角的条件下，地面障碍物反射、散射等作用将产生严重的多径效应，多径时延较大，且在航空平台高速飞行状态下，多普勒效应明显，信道呈快时变衰落状态。因此消除这些干扰，实现地空通信抗多径衰落传输一直是人们研究的焦点。为实现地空通信的抗多径衰落传输，本论文针对低仰角地空信道特性，建立了相应的地空衰落信道模型，提出将SC-FDE技术作为传输体制应用到宽带地空通信系统中。同时在SC-FDE传统频域线性均衡算法的基础上，深入研究了频域非线性均衡优化算法。本论文首先分析了远距离低仰角条件下地空信道的衰落特性以及建模方法，建立了低仰角条件下的地空衰落信道，并对该信道模型进行了仿真验证。其次阐述了地空通信SC-FDE系统的传输机制与原理，研究了系统数据传输的帧格式设计。对频域线性均衡算法以及混合判决反馈均衡算法进行了误码性能分析。同时对SC-FDE系统性能进行了分析，包括频域线性均衡后系统的冗余符号间干扰分析，系统峰均值功率比以及信道容量分析。接着深入研究了地空通信SC-FDE系统中几种频域非线性均衡算法，包括噪声预测判决反馈均衡算法和迭代块判决反馈均衡算法，并在地空衰落信道条件下给出了算法的误码性能分析。在时域噪声预测均衡器与双向判决反馈均衡器的基础上研究了双向噪声预测判决反馈均衡算法，仿真结果表明，该算法误码性能明显优于噪声预测判决反馈均衡算法。在迭代块判决反馈均衡器的基础上研究了滤波器系数优化的简化迭代块判决反馈均衡算法，由仿真结果可知，在保证系统误码性能的前提下，简化迭代块判决反馈均衡算法显著降低了系统滤波器系数的计算复杂度，且算法的参数鲁棒性性能测试结果表明，算法对预定义参数取值不敏感。