無人機數據鏈系統性能指標檢測設備設計與實現

劉有才，閆云斌 ，裴薇薇，侯瑞博

(1.中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.陸軍工程大學石家莊校區 無人機工程系，河北 石家莊 050003；3.石家莊信息工程職業學院，河北 石家莊 050001；4.中國人民解放軍第32126部隊，遼寧 沈陽 110113)

0 引言

無人機系統屬于大型復雜高技術武器裝備，而數據鏈分系統是其核心部分，綜合運用了無線通信、電子技術、計算機控制和遙控遙測等多種技術手段，主要功能是實現地面與空中無人機之間測控信息的實時傳輸[1-4]。

無人機數據鏈路系統龐大、技術復雜、信號頻段高、帶寬大和調制特性多樣[5-7]。使用數據鏈設備時，最迫切的需求是如何準確把握數據鏈系統的技術狀態，做到設備“不帶病”飛行，從而保證無人機全系統的安全[8]。

數據鏈系統的故障可分為有外在表象的和無外在表象兩大類[9]。有外在表象的故障包括鏈路失鎖、誤碼增大、接收信號AGC電壓減小和設備供電電壓不穩定等，可通過使用操作、經驗判斷和分機替換等手段進行判定。隨著數據鏈系統的持續使用，會發生由器件老化等原因導致系統性能指標降低，此類故障無明顯外在表象，主要表現為頻率漂移增大、輸出功率減小和靈敏度降低等[10]。若發生了此類故障，當作用距離較近時數據鏈系統仍能正常工作，且不能通過常規的技術手段和地面整機聯調等發現故障。只有在無人機飛出一定距離后，才會表現出數據鏈系統的信號強度偏低甚至鏈路失鎖，嚴重影響任務達成度并嚴重威脅系統安全。因此，如何及時發現、正確處理和合理規避數據鏈系統的此類故障，對提升鏈路系統的可靠性、保障無人機全系統正常運行和確保任務完成率，具有非常重要的意義。

本文在綜合考慮無人機數據鏈系統測試要求的基礎上，以便攜式頻譜分析儀為核心儀器構建檢測設備，重點對數據鏈系統進行整機性能指標測試，包括發射功率、發射頻率和接收靈敏度等指標的測試，旨在解決傳統無人機數據鏈系統性能指標測試所用儀器設備多、測試方法復雜和對測試人員要求高等問題[11-15]。

1 傳統測試方法

1.1 發射功率測試

發射功率測試是指發射機功率放大器輸出信號的功率測試，測試原理如圖1所示[5]。

圖1 發射功率測試原理

發射機功率放大器輸出的大功率信號，經同軸衰減器衰減后輸出小功率信號，功率測量模塊對其測量，并在完成功率測量修正后輸出測量結果。對同一部發射設備而言，發射功率測量應為10個工作頻道的輸出功率測量。功率測量修正是對測量系統及測試附件所引入測量誤差的修訂，應考慮同一條測試電纜在不同工作頻率下所引入的不同測量衰減等。

1.2 工作頻率測試

工作頻率測試是指發射系統輸出射頻信號的頻率測量。射頻信號是指發射機直接輸出未經功率放大器放大的信號。工作頻率測試類同于發射功率測試，測試原理如圖2所示。

圖2 工作頻率測試原理框圖

1.3 接收靈敏度測試

靈敏度測試是指接收系統正常工作時對其輸入端最小信號電平的測試，測試原理如圖3所示。

圖3 接收靈敏度測試原理

靈敏度測試基本過程為：采用有線方式連接發射系統與接收系統，并設置可調衰減器的衰減量為零，系統應工作正常。設置發射系統工作于“去調制” 狀態，斷開接收系統輸入端的信號電纜，測量其信號電平并記為A(dBm)。恢復接收系統輸入端的信號連接，設置發射系統工作于“工作”狀態，逐漸加大可調衰減器的衰減量，直至接收系統工作異常，記錄此時可調衰減器的衰減量為B(dB)。則接收系統靈敏度為P(dBm)=(A-B) dBm。

2 檢測設備設計

2.1 系統組成

無人機數據鏈系統性能指標檢測設備主要由系統軟件、控制模塊和測試儀器等組成。設備全系統組成如圖4所示。

圖4 無人機數據鏈系統性能指標檢測設備組成

在系統軟件作用下，PC104主控制器模塊控制與管理性能測試和故障診斷的全過程。射頻測量組件完成數據鏈路系統的整機指標測試中被測射頻信號的功率測量、頻率測量、信號切換和電平測量與調節等，其中，頻譜分析儀用于觀察信號頻譜及調制信息。

2.2 工作原理

數據鏈系統被測信號由性能指標測試設備面板“射頻入”端輸入，經過K1射頻開關可切換至功率、頻率和靈敏度等測量通道。小功率信號經過K2開關可直接進入功率探頭通過射頻測量組件進行電平大小測量；大功率信號經過同軸衰減器衰減后再進行測量；頻率信號直接進行測量；靈敏度測量通過K3開關先切入射頻測量組件進行基礎電平測量，然后再切入射頻輸出通道，調整可調程控衰減器衰減量最終測出靈敏度值。設計原理如圖5所示。

圖5 性能指標檢測設備設計原理

2.3 測量方法

無人機數據鏈系統的整機指標包括發射系統的發射功率、工作頻率和接收系統的接收靈敏度等三大類，共計十余項。若采用傳統的測量方法，需要使用功率計、頻率計、頻譜分析儀、同軸衰減器和可調衰減器等多種儀器、設備，而且需花費大量的測試時間。

為了實現快速測量，該檢測設備設計有多參數、單過程的快速測量方法，通過簡單地更改測試連接，即可實現無人機數據鏈系統整機指標的快速測量，測量過程以圖像化方式進行引導，人機交互友好，操作簡便，整機指標多參數、單過程快速測量原理如圖6所示。

多參數快速測試方法主要運用了程控自動測試技術，將所要測量的射頻信號送入大帶寬多路射頻開關，經過控制器的切換，可分別送入頻率測量模塊和電平測量模塊，進而完成頻率和電平的指標測試?！吧漕l入”信號先切換至頻率測量模塊可以完成工作頻率指標的測試；“大功率”信號經過衰減器后送至電平測量模塊可以完成發射功率指標的測試；“射頻入”信號切換至電平測量模塊測得基礎電平，然后切換至射頻衰減模塊，經衰減后送至數據鏈接收系統，通過控制器控制衰減量的大小，可完成接收靈敏度的指標測試。這三類指標的測試，只通過“射頻入”和“射頻出”一對測試接口及“大功率”測試接口即可完成，測試連接簡單、方便，測試控制自動、高效，測試數據一致性好。

圖6 整機指標多參數、單過程快速測量原理

3 系統軟件設計

無人機數據鏈系統檢測軟件組成如圖7所示。

圖7 系統軟件組成

該軟件主要包括通用虛擬儀器庫、專用儀器庫、測試庫、故障定位模塊及維修訓練知識庫，可分為管理軟件和測試軟件兩大部分。

管理軟件負責測試程序與數據庫程序之間信息的傳遞與通訊、人機交互和結果處理與分析；測試軟件完成具體項目測試過程的控制?；趧討B鏈接庫(DLL)與數據庫技術，對測試軟件、測試信息和測試儀器進行模塊化設計，實現了對無人機裝備分系統的測試。軟件的設計采用模塊化結構，各部分之間相互獨立，具有開放性，便于代碼的重用和更新。

在整機性能測試中，首先選取測量指標類型，按照系統提示的連接方法和步驟連接被測對象。在完成裝備類別和被測項目選擇后，進入項目測試。在對指定項目測試完畢后，獲取測試結果并輸出測試日志。當有其他測試項目時，返回測試項目并重復以上檢測過程，直到測試完畢并結束測試。性能指標測試軟件流程如圖8所示。

圖8 性能指標測試軟件流程

性能指標測試軟件通過觸控人機交互界面實現對性能指標測試設備的管控，完成發射功率、工作頻率和接收靈敏度三大類整機指標的測試。圖9、圖10和圖11分別為發射功率、工作頻率和接收機靈敏度測試軟件界面圖。

圖9 發射功率測試界面

圖10 工作頻率測試界面圖

圖11 接收機靈敏度測試界面

4 效果分析

為了驗證測試系統的有效性，針對某通用型數據鏈設備，分別采取常規測試方法和利用測試系統進行性能測試，測試結果如表1所示。

表1 自動測試與常規測試對照

測試項目CH1CH2功率/dBm頻率/MHz靈敏度/dB功率/dBm頻率/MHz靈敏度/dB測試時間常規40.621436.000561-9440.761439.000587-941 h/3人測試系統40.591436.000513-9440.711436.000529-9415min/1人

在對不同型號、大批量數據鏈設備測試后，得出比較結果，如表2所示。

表2 自動測試與常規測試比較結果

內容測試系統常規測試檢測手段定量定性測試方式自動人工檢測結果一致性好較好測試效率高低人機交互界面友好無對測試人員的要求低高測試數據可追溯電子版,自動存儲較困難測試結果分析有無測試數據記錄自動手動

上述測試數據表明，自動測試精度等同于常規測試，測試效率明顯提高；自動測試覆蓋測試全過程，測試效果明顯優于常規測試。

5 結束語

本文針對現今無人機數據鏈設備使用單位因缺乏必要的檢測與診斷設備而難以形成數據鏈路系統保障能力的現狀，從提高無人機維修保障能力的實際需求出發，設計開發了無人機數據鏈系統整機性能指標測試系統，提出了數據鏈系統指標多參數、單過程的快速測試方法，開發了數據鏈系統性能指標測試設備，解決了傳統測試所需儀器種類多、操作步驟繁和測試效率低等問題，保證了測試效率和測試準確度，該系統具有模式多樣、適應性強、接口通用、擴展性好、操作簡單和使用方便等優點，為無人機數據鏈設備使用單位的維修保障提供了重要的技術手段。