無人機數據鏈工作效能評估

謝宇迪，盛懷潔

(1.電子工程學院，安徽 合肥 230037;2.解放軍78100部隊，四川 成都 610000)

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無人機數據鏈工作效能評估

謝宇迪1,2，盛懷潔1

(1.電子工程學院，安徽 合肥 230037;2.解放軍78100部隊，四川 成都 610000)

針對無人機數據鏈工作效能評估，建立了無人機工作效能評估指標體系，根據無人機數據鏈的工作原理，利用Simulink搭建無人機上行遙控鏈路動態仿真平臺，利用動態仿真平臺探尋了信道譯碼前后誤碼率變化規律，對無人機上行遙控鏈路的可靠性效能和有效性效能進行了定量評估。

無人機數據鏈；效能評估；動態仿真平臺；誤碼率

0 引 言

無人機數據鏈是指揮控制站完成對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位及信息傳輸的“保障鏈”，也是無人機的“生命鏈”[1]。它通常是一種全雙工、保密、抗干擾、點對點的數據通信鏈路，其中視距鏈路是比超視距鏈路優先級更高的鏈路。當無人機與地面站的距離在視距范圍以內時，上行和下行鏈路都將切入到視距鏈路上，而無人機視距數據鏈系統的工作效能直接影響到無人機作戰效能，因此評估無人機視距數據鏈系統的工作效能具有重要的軍事價值和實際意義。

目前對無人機數據鏈路工作效能評估主要通過工作效能評估指標體系的建立和抗干擾性能評估兩方面進行研究。文獻[2]提出了較為合理的無人機數據鏈效能評估體系，其中誤碼率是衡量數據鏈工作能力的重要指標。文獻[3]針對無人機數據鏈系統抗干擾性能評估問題，提出了評估指標及其測試方法。但文獻[2]沒有提出具體的評估實現方法；文獻[3]提出的評估指標測試方法需要用到實際裝備以及各種檢測設備，實現起來比較復雜和繁瑣。本文針對無人機數據鏈工作效能評估問題，建立效能評估指標體系，搭建了無人機上行遙控鏈路的動態仿真平臺，建立了評估指標計算模型，對無人機數據鏈工作效能進行定量評估。

1 無人機數據鏈工作原理

無人機數據鏈的工作流程可以看作2條途徑：一是無人機上行遙控鏈路的工作流程，二是無人機下行遙測鏈路的工作流程。以上行鏈路工作流程為例，地面控制站遙控指令通過復接后進行加密、信道編碼、擴頻、載波調制、上變頻后，生成射頻信號，再經功率放大器后通過天線向空中輻射至無人機。由于對高速數傳采用擴頻技術困難較大以及指揮控制優先級問題，遙測鏈路一般都不采用擴頻技術[4]。圖1所示為無人機上行遙控鏈路的工作流程。

無人機數據鏈上行鏈路工作流程中，采用的抗干擾技術包括信道編碼、擴頻和載波調制。以上行遙控鏈路為例，其最常采用碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼和直接序列擴頻/二相相移鍵控(DSSS/BPSK)調制方式，擴頻技術可提高對抗干擾的能力，有效隱藏信號頻譜，降低信號被檢測和截獲的概率[5]。

2 無人機數據鏈工作效能評估指標體系

無人機數據鏈工作效能評估應該基于通信可靠性和有效性2個方面考慮。根據無人機數據鏈的系統組成和工作原理，提煉出3個評估指標，其中通信誤碼率作為無人機數據鏈可靠性指標，最大有效傳輸速率和最大有效通信距離作為無人機數據鏈有效性指標。無人機數據鏈工作效能評估指標體系如圖2所示。

3 基于Simulink的無人機數據鏈動態仿真平臺

3.1 動態仿真平臺的構建

根據無人機數據鏈的系統組成和工作原理，設計基于Simulink的無人機上行遙控鏈路動態仿真平臺，其發射部分如圖3所示，利用Random Integer Generator模塊模擬遙控信號發生器；Convolutional Encoder模塊用于實現卷積編碼；PN Sequence Generator模塊用于產生擴頻碼序列；Unipolar to Bipolar Converter模塊實現數據和擴頻碼序列單極性到雙極性轉換；擴頻模塊用乘法器來實現，擴頻輸出的信號經二進制相移鍵控(BPSK)調制傳輸出去。由于信號頻譜位置對整個數據鏈工作效能沒有影響，因此整個平臺沒有將信號搬移到射頻，是一個等效低通平臺。

動態仿真平臺的接收部分如圖4和圖5所示，圖4表示遙控信號譯碼采取硬判決譯碼，圖5表示譯碼采取軟判決譯碼。從發射部分產生的信號需要經過傳輸信道才能到達接收端，加性高斯白噪聲(AWGN) Channel模塊模擬信號的傳輸信道。解擴處理同樣用乘法器來實現，解擴輸出信號進行解調譯碼時可分為硬判決譯碼和軟判決譯碼。采取硬判決譯碼時，利用Viterbi Decoder模塊進行維特比譯碼，模塊的Decision type設為Hard Decision；采取軟判決譯碼時，利用Complex to Real-Imag模塊去除信號的虛部，只留有用的信號實部，Viterbi Decoder模塊中Decision type設為Unquantized便可以實現軟判決譯碼。Error Rate Calculation模塊用于統計仿真時間內原始信號數據和接收信號數據的誤碼率。Delay模塊用于延時，延時時長取決于Viterbi譯碼器的回溯深度。

3.2 動態仿真平臺可行性和有效性驗證

在動態仿真平臺中去掉卷積編碼和維特比譯碼模塊可以得到無編碼的無人機上行鏈路動態仿真平臺，如圖6所示。

下面進行無編碼的上行鏈路誤碼率計算模型推導。

無編碼的機載遙控接收系統實質是一個BPSK調制的擴頻通信系統，在高斯白噪聲下BPSK擴頻系統的誤碼率為[6]：

(1)

式中：Es為每比特(符號)能量(J);N0為系統噪聲功率譜密度(W/Hz)，N0=kT。

將式(2)變換為功率比的形式：

(2)

在擴頻增益為10dB和20dB條件下仿真理論通信誤碼率計算模型和動態仿真平臺，可以得到機載遙控接收機輸入端信噪比與通信誤碼率的關系，如圖7所示。

從圖7可以看出，動態仿真平臺的誤碼率仿真結果與理論推導相符，證明了該平臺的可行性和有效性。

3.3 譯碼前后誤碼率變化規律

由于卷積編碼對通信誤碼率的影響無法直接用公式得到，可以通過Simulink動態仿真平臺仿真得到，只有掌握了譯碼前誤碼率與譯碼后誤碼率之間存在的關系才能對無人機上行遙控鏈路的可靠性效能進行定量評估。遙控接收機對遙控信號的處理過程是先解擴再解調再進行信道譯碼，并且信道編碼的編碼增益是通過譯碼后體現出來的，經仿真后發現無編碼的無人機上行鏈路誤碼率與有編碼無人機上行遙控鏈路信道譯碼前的誤碼率相同。

在擴頻增益為10dB和20dB條件下，運行圖3、圖4、圖5和圖6所示的動態仿真平臺可以直接得到采用卷積編碼的無人機上行遙控鏈路通信誤碼率與輸入端信噪比關系，仿真圖如圖8所示。

從圖8可以看出，Viterbi譯碼采用軟判決譯碼比硬判決譯碼的誤碼率更低；無論是硬判決譯碼還是軟判決譯碼，都存在誤碼率“譯碼臨界點”。譯碼前的誤碼率低于“譯碼臨界點”時，譯碼后誤碼率會明顯降低；而高于“譯碼臨界點”時，譯碼后誤碼率反而會增加，這種現象稱作“錯誤擴散”。在誤碼率低于“譯碼臨界點”時，從編碼增益上看，軟判決譯碼比硬判決譯碼多獲得約2dB的增益，而硬判決譯碼相比無編碼而言多獲得約3dB的編碼增益。譯碼后誤碼率即通信誤碼率與譯碼前的誤碼率存在一一對應的映射關系，這種關系如圖9所示。

圖9中3條曲線分別代表無編碼誤碼率、軟判決譯碼前誤碼率和硬判決譯碼前誤碼率與通信誤碼率的關系，無編碼誤碼率就是無編碼系統的通信誤碼率，而有編碼通信誤碼率隨軟/硬判決譯碼前誤碼率的增加而增加，設這種關系為:

(3)

(4)

4 無人機上行遙控鏈路工作效能評估

4.1 通信誤碼率模型

地面站發射遙控信號到達機載遙控接收機輸入端信噪比為：

(5)

式中：Pt為遙控信號有效全向輻射功率(W)；Gr為機載測控天線在發射方向的增益；L為上行鏈路遙控信號的傳輸損耗；k為玻爾茲曼常數；T為系統熱噪聲溫度(K)；B為遙控信號帶寬(Hz)，B=Wss。

聯立式(2)和(5)，無編碼的無人機上行鏈路的通信誤碼率計算模型為：

(6)

已知無編碼的無人機上行鏈路的通信誤碼率計算模型為：

(7)

那么，卷積編碼無人機上行鏈路的軟判決譯碼和硬判決譯碼通信誤碼率模型為：

(8)

(9)

4.2 仿真示例

設某型無人機上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號傳輸速率為200kbps，機載測控天線為口徑式0.23m的拋物面天線，其最大增益約為24.6dB，地面站在天線3dB波束寬度內，則地面站方向上增益至少約為21.6dB，噪聲溫度約為320K，無人機距離地面站距離為400km，空氣中降雨量約為4.0mm/h，擴頻帶寬為20MHz。仿真遙控信號有效全向輻射功率從5W到300W變化過程中的通信誤碼率變化過程，如圖10所示。

圖10示出了無編碼的無人機上行遙控鏈路通信誤碼率變化曲線、硬判決譯碼和軟判決譯碼下上行遙控鏈路通信誤碼率變化曲線。從圖10可以看出，通信誤碼率隨信號有效全向輻射功率增大而降低。根據文獻[7]中某型無人機的上行遙控鏈路暢通的臨界誤碼率為10-5量級，本文假設無人機上行遙控鏈路通信中斷的臨界誤碼率為10-4，此時上述3種情況下所需要的信號有效全向輻射功率如表1所示。

表1 3種情況的有效全向輻射功率

4.3 最大有效傳輸速率模型

最大有效傳輸速率定義為：一定噪聲條件下，通信時能達到的最大信息傳輸速率。最大有效傳輸速率受到上行鏈路臨界誤碼率和信號有效輻射功率等因素影響，其必定滿足香農第二定理。

圖11為根據式(2)繪制通信誤碼率隨符號能量與噪聲功率譜密度比Es/N0的變化曲線，可以看出誤碼率隨Es/N0增大而減小。本文取無人機上行遙控鏈路通信中斷的臨界誤碼率為10-4，可以得到維持通信的Es/N0的取值范圍為：

(10)

根據式(2)和式(5)可以得到：

(11)

求得無編碼上行鏈路的最大有效信息傳輸速率為：

(12)

由于譯碼后的通信誤碼率與譯碼前的誤碼率存在映射關系，由圖9可以看出f(0.07)=10-4，g(0.035)=10-4，說明軟判決譯碼之前的誤碼率低于0.07，則經過譯碼后的通信誤碼率可以降低到通信中斷的臨界誤碼率10-4以下；若硬判決譯碼前的誤碼率低于0.035，則經過譯碼后的通信誤碼率也能降低到10-4以下。那么，BPSK解調所需要滿足的條件為：

(13)

(14)

求得卷積編碼的最大有效信息傳輸速率為：

(15)

(16)

4.4 仿真示例

設某型無人機上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號傳輸速率為200kbps，機載測控天線在地面站發射方向的增益約為21.6dB，接收機噪聲溫度約為320K，無人機距離地面站距離為400km，空氣中降雨量約為4.0mm/h，擴頻帶寬為20MHz。遙控信號有效全向輻射功率從10W到300W變化過程中最大有效傳輸速率變化過程如圖12所示。

圖12中3條曲線分別代表軟判決譯碼、硬判決譯碼和無編碼情況下無人機上行遙控鏈路最大有效傳輸速率變化曲線。最大有效傳輸速率隨信號全向有效輻射功率的增大而提高，而且受到卷積編碼和譯碼方式的影響。并且其滿足香農定理:即無限的帶寬并不能使信道容量無限增大，增大的效果受到有效功率的制約;而功率的無限增大，無論帶寬有多大，信道容量都能增大到無限。

4.5 最大有效通信距離模型

最大有效通信距離定義為：一定噪聲條件下，通信時能達到的最大傳輸距離。最大有效通信距離主要取決于上行鏈路臨界誤碼率和信號有效輻射功率等因素，反映了無人機上行鏈路通信距離方面的潛在能力。另外，最大有效通信距離必須小于視距傳播距離。

Es/N0的取值范圍為：

(17)

(18)

(19)

傳輸總損耗L隨通信距離增大而增大，因此最大有效通信距離對應著最大傳輸損耗，那么有：

(20)

(21)

(22)

求解得出：

(23)

(24)

(25)

考慮到最大有效通信距離應小于通視距離，那么最大有效通信距離的約束條件為：

(26)

式中:h1為地面站發射天線高度；h2為機載測控天線高度。

4.6 仿真示例

設某型無人機上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號傳輸速率為200kbps，機載測控天線在地面站發射方向的增益約為22dB，系統噪聲溫度約為3 200K，無人機飛行高度15 000m，地面站天線架高3m，空氣中降雨量約為4.0mm/h，擴頻帶寬為20MHz。遙控信號有效全向輻射功率從0W到300W變化過程中，最大有效通信距離變化過程如圖13所示。

圖13中3條曲線分別代表卷積編碼軟判決譯碼、卷積編碼硬判決譯碼和無編碼的無人機上行鏈路最大有效通信距離與信號有效輻射功率的關系。從圖中可以看出，最大有效通信距離隨信號有效全向輻射功率增大而增大，但最大有效通信距離都沒有達到視距傳播的通視距離，本案例的通視距離約為511.7km。

5 結束語

隨著無人機的迅猛發展，它逐漸成為人們關注的重點，本文針對無人機數據鏈工作效能評估的問題，建立了評估指標體系，利用Simulink構建了無人機上行遙控鏈路的動態仿真平臺，利用該平臺探尋了信道譯碼前后誤碼率變化規律；最后對無人機上行遙控鏈路的可靠性效能和有效性效能進行定量評估。本文對無人機數據鏈工作效能評估具有一定指導意義，但在整個研究過程中并未加入任何有意噪聲干擾進行討論，在今后的研究中將加以完善。

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Work Efficiency Evaluation of Data Link for UAV

XIE Yu-di,SHENG Huai-jie

(1.Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China；2.Unit 78100 of PLA,610000,China)

Aiming at the work efficiency evaluation of data link for unmanned aerial vehicle (UAV),this paper establishes the evaluation index system work efficiency for UAV,according to the work principle of UAV data link,builds up the dynamic simulation platform of UAV remote control uplink by using Simulink,explores the change rule of error rate before and after channel decoding by means of dynamic simulation platform,performs quantitative evaluation to the reliability and validity efficiency of UAV remote control uplink.

unmanned aerial vehicle data link;efficiency evaluation;dynamic simulation platform;error rate

2016-09-20

TN91

A

CN32-1413(2017)02-0039-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.010