無人機數據鏈自動測試系統設計

梁于勝，王洪琳

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無人機數據鏈是整個信息傳輸系統中鏈接各任務平臺、優化信息資源的核心單元。它采用網絡通信技術和應用協議，實現機載、陸地和艦載信息數據系統之間的數據信息交換［1］，正朝著高速數傳、網絡化、多功能的寬帶數據鏈以及一體化的通用寬帶數據鏈的方向發展，其功能復雜、性能指標要求高。相應的，數據鏈自動測試技術的發展也非常迅速。以前的測試方法適合小批量型研生產，自動測試技術應用直接影響到大批量的數據鏈電子系統驗收及性能狀態的確立，這就需要在真正的應用試驗環境中進行測試。然而外場測試中缺乏大動態、多徑和精確跟蹤等關鍵性能的標準試驗環境，系統性能模糊，數據鏈系統不能主動發現問題。在無人機全系統聯試過程中會經常出現發現問題、解決問題和試驗驗證的插曲，延長了試驗時間，增加了系統定型成本。作為系統研制的最后環節，自動測試技術在未來的數據鏈系統研制過程中，能顯著減少使用誤差、人身誤差，提高系統生產、研制效率，降低成本，并且具有測試功能全、性能指標真實，使用狀態明確的優點。

1 總體設計

測試目的是為了驗證測控與信息傳輸系統設備功能的正確性和指標的合格性，同時對部分分機難以單獨檢驗的功能進行驗證。用于系統平面聯試階段的設備性能指標及功能檢驗。在復雜電磁環境下，高速數傳、網絡化、抗干擾是通用寬帶數據鏈的3個發展方向，主要測試內容包含3部分:①數據鏈設備性能指標及功能檢驗;②復雜電磁環境下高速數傳性能測試;③ 復雜電磁環境下的抗干擾性能測試。

經過以上3方面測試就能夠完成系統全性能測試、功能驗證及系統在復雜電磁環境下的狀態評估，主要指標包括:作用距離、系統功率、靈敏度、傳輸誤碼率和系統電平余量。復雜電磁環境適應性評估信道模型數量包括:城市、山地、丘陵、森林、沙漠和水面等，衰落模型包括:恒參、瑞利、萊斯、對數正態、純多普勒、平坦、高斯和巴特沃茲等。配合網絡測試、調制解調特性測試、誤碼性能測試和干擾適應性測試等，完成全系統指標測試，達到系統效能評估的要求，極大地減少了野外試驗場的試驗時間。野外試驗的目的從原來的發現問題、解決問題，轉變為對系統效能的評估與驗證，包括空中接口性能的測試與比較，也包含復雜電磁環境中的模擬和仿真。自動測試系統軟件通過COM接口與Office軟件進行通訊，利用Office軟件強大的文檔處理功能，在軟件中實現Office文檔的繪制，自動生成所需要的各種測試數據報表。

1.1 硬件設計

以信號源、頻譜儀為基本儀器，利用開關矩陣和網絡技術，將參試設備聯接在一起，通過計算機軟件控制儀器的狀態和參數，實現無人機數據鏈系統(機載設備和地面設備)分機的設計指標上、下行發射功率，接收靈敏度等的自動測試［2］。通過計算機控制數控衰減器、誤碼儀，進行數據傳輸誤碼率等系統指標測試。

發射功率測試原理如圖1所示。將參試設備參照圖1正確連接，采用有線連接方式，衰減器置于保護頻譜儀正常測試狀態，隨后進行指標測試;信號源輸出信號接入開關矩陣1，依次接入發射機，開關矩陣2同步選擇相對應的發射機，輸出信號，經衰減器后由頻譜儀讀取送入計算機顯示并存儲。

圖1 發射單元測試原理

接收靈敏度測試原理如圖2所示。由地面發射端輸出加調制射頻信號經數控衰減器將信號衰減至機載接收靈敏度接入開關矩陣1，依次接入機載接收機，開關矩陣2同步選擇相對應的機載接收機，輸出信號送終端解碼轉422串口送入計算機顯示并存儲。同樣，用機載發射端作輸入信號，就可以測試地面接收靈敏度。

圖2 接收機測試原理

數據鏈系統關鍵指標之一是通信距離，通過無線電波在大氣空間的傳播損失公式L=20lgf+20lgd+32.4式中f為工作頻率，d為作用距離?？捎嬎阍谙到y工作頻段傳播距離d時的總傳播損耗為L［3］。總傳播損耗小于發射功率與接收靈敏度之和，就符合通信距離技術要求。

自動測試系統也可以生成單載波信號和多載波信號，每個載波都可以單獨定義，如設置OFDM的所有參數，從基帶數據、包一直到幀，定義用戶自己的OFDM體制;支持RS(Reed-Solomon)編碼、卷積和加擾;可以在信號加入諸如相位噪聲、多徑或量化等損傷;加入跳頻和選通噪聲等，滿足電磁環境中的發射通道任意波形的應用。

在復雜電磁環境的接收通道，實時信號分析儀的實時頻譜觀測功能，以及實時頻譜概率密度統計功能可以實現頻譜的實時觀測和實時統計，從而完成頻譜占用度和頻譜重合度的測量，對于數字/模擬解調、矢量分析和眼圖等測量，將解調后的基帶信號與實際數據鏈信息數據進行統計比對。

圖3 信道仿真測試原理

1.2 軟件設計

無人機數據鏈自動測試軟件是自動測試系統的核心，在軟件設計的時候不僅要考慮到軟件對當前測試需求的支持，還要易于在未來發展中對軟件進行擴充，并靈活適應自動測試系統用戶多變的需求。所有這些都要求通用化自動測試平臺系統的軟件需要采用一個適當的軟件體系結構統一進行設計規劃，進而保障軟件設計實現的順利進行。采用了分層的軟件體系結構，將自動測試軟件劃分為3層:通信層、控制層和測試應用層。

通信層主要包括儀器的驅動、網絡和串口等的通信。對于網絡和串口等通信接口，通信接口比較成熟，盡量使用成熟、穩定的通信功能模塊［4］。

對于儀器的驅動，選用儀器本身提供的驅動軟件。這些軟件往往是通用的，如VISA、IVI－COM等。這樣即使更換了不同廠家的儀器或測試總線，驅動程序也可以使用。

控制層主要實現控制測試儀器管理，對常用儀器的控制接口進行抽象，以實現自動測試軟件僅了解通用接口即可對多個同類型的儀器進行控制的目的。

測試應用層包括測試應用模塊和校零數據管理。測試應用模塊應符合用戶的需求，不同的測試對象需求不同，設計對應的應用模塊。校零數據管理模塊是管理測試系統中的校零數據，如射頻線纜、連接器的插入損耗等。大部分自動測試系統的校零數據保存在計算機的硬盤中，因為大部分自動測試系統進行一次校準產生的校零數據是可以使用一段時間的，所以再次啟動自動測試軟件時不用再次輸入校零數據，當然需要實時校準的自動測試系統除外［5］。

對照人工測試和系統自動化測試，可以知道，數據鏈自動測試技術減少了對設備的介入，可以用數據、圖形、表格和其他希望的方式給出，結果一目了然。與人工測試相比，測試結果完全相同，但所花時間是人工測試的百分之一，甚至千分之一，極大地提高了測試效率。

無人機數據鏈自動測試技術是一種先進的測試驗收技術，能夠實現系統性能指標測試、功能驗證及系統狀態評估等，實現全自動化，滿足無人機數據鏈系統技術應用［6］。

2 需要解決的問題

無人機數據鏈功能復雜、性能指標要求高，在傳統驗收測試中，缺乏大動態、多徑、精確跟蹤等關鍵性能的試驗環境，系統性能模糊，采用常規的人工方法，數據鏈系統不能主動發現問題，只能被動解決問題，沒有形成數據系統性和專家系統，缺乏經驗增長途徑。在無人機全系統試驗時會經常出現發現問題、解決問題和試驗驗證的重復過程，延長了試驗時間，增加了系統研制定型成本，并且數據的可靠性差，有非常大的離散性，無法充分利用。采用系統自動化測試技術，能夠固化設備狀態，顯著減少測試時間、降低成本，并且提高測試數據與實際應用環境使用性符合度。

3 關鍵技術

無線鏈路自動測試系統的關鍵技術，為信道仿真儀，共由3大部分組成:發信機、接收機及無線鏈路信道。要求信道仿真儀適應性高、模式種類多，對真實的電磁應用環境匹配性好。主要指標包括:①工作波段:L、S、C;② 射頻帶寬:最高300 MHz;③ 輸入信號功率:－30～0 dBm;④ 輸出信號功率:－116～－16 dBm;⑤傳播時延最大處理能力:1300 ms;⑥多譜勒頻移:最高±1．25 MHz;⑦ 衰落模型:恒參、瑞利、對數正態、純多普勒、平坦、高斯和巴特沃茲等。

信道仿真儀可以重建路徑損耗、遮擋、多徑衰落、延遲擴展、多譜勒擴展、角擴展和極化影響等［7］，也可以加入噪聲和干擾。可以創建不同測試環境，如室內、城市、郊區和山地等基于幾何隨機模型的信道模型，其仿真原理是基于文件仿真原理，即只要該信道模型可以描述出來并寫入文件，就可以使用信道仿真儀進行無人機數據鏈系統的空間動態仿真驗證。

4 結果分析

對照有線人工測試和系統無線自動化測試可知，數據鏈無線自動測試技術減少了對設備的介入，顯著減少測試時間、降低了成本，生成的數據與實際應用環境使用性符合度高。通過自動測試軟件，可以實現對儀器的控制，自動完成復雜、繁瑣的測試工作，減少人為因素造成的誤差，最大程度地保證測試結果準確、真實。通過計算機完成大量的統計、計算工作，測量結果可以用數據、圖形、表格和其他希望的方式給出，結果一目了然。采用有線人工測試方法至少需要兩人配合搭好測試環境，每測試一套都必須記錄測試數據、更換被測設備從新連接。而無線自動測試系統只需首次測試前搭好測試環境，依據測試項目選用適合的應用模塊，并自動記錄測試結果。

為了對比測試，使用了一套通用數據鏈系統，采用有線人工測試和無線自動化測試2種方法。測試項目對照如表1所示。

表1 人工、自動測試對照

在升級或增加系統功能時，只需針對射頻控制單元和軟件的測試應用模塊即可，成本低、速度快。并且隨著計算機網絡技術的發展，還可通過計算機網絡實現自動測試的遠程監控。

5 結束語

無人機數據鏈自動測試技術可以實現全自動化測試，測試結果與人工測試結果完全相同，并且有效避免了人工測試條件下長時間重復勞動導致的人身誤差，滿足性能穩定、控制方便的要求。計算機接口兼容性好、重復性好。提高了無人機測控系統的生產測試效率，通過自動測試的數據鏈系統，能夠在不同的地點、不同的環境下，實現高速、抗干擾、寬帶數據傳輸功能。對這些不同環境的測試結果進行比較和綜合分析，可以很客觀地展示無人機數據鏈在復雜電磁環境下的工作性能。對于無人機測控系統的生產、調試、驗收過程有著重大的促進作用。因此該無線自動測試技術具有非常好的應用前景。

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