無人機數據鏈半實物仿真實驗教學方法探索

王 東， 王 濤， 黃克明， 李 猛， 鄭 臣

（陸軍炮兵防空兵學院無人機應用系，合肥230031）

0 引 言

無人機數據鏈是無人機系統的重要組成部分，是實現無人機遙控遙測和圖像傳輸的關鍵。對無人機數據鏈的結構組成和工作原理深入理解，對于提高裝備操作水平和裝備維修保障能力、提高裝備使用效能具有重要意義。從學生素質培養的要求來說，必須“先懂原理，才能操作使用”，這也要求學生必須理解無人機數據鏈系統的原理［1］。

無人機數據鏈技術課程以掌握無人機數據鏈信息傳輸原理為基本要求，在此基礎上著力培養學生的裝備運用能力和維修保障能力。據調查，很多學員反映數據鏈理論抽象，教學枯燥，學習興趣不高。主要原因是該課程是一門集微波通信、計算機網絡和指揮控制等多學科的綜合課程，僅靠幻燈和板書等傳統教學方法難以對抽象的通信技術、信號模型和波形特征有直觀的印象，造成基本概念模糊、技術理解膚淺的問題［2］。

借助信息化教學手段，以仿真實驗的方式，將深奧的通信理論形象、具體地展現出來，提高學員的學習興趣和學習效果。搭建無人機數據鏈半實物仿真平臺是解決上述問題的一種可行方案［3］。

1 無人機數據鏈原理教學面臨的問題

無人機數據鏈原理教學存在以下幾方面的問題。

（1）原理深奧抽象、晦澀難懂，僅靠理論講授教學效果欠佳。無人機數據鏈涉及信源信道編碼、通信信號處理、抗干擾可靠傳輸、微波與天線技術、通信集成電路等復雜的技術理論。這些技術理論復雜抽象，理解起來比較困難，需要學生有深厚的數學基礎和扎實的通信背景知識。

（2）無人機裝備成本高，實裝教學風險大。無人機系統是一種集成度很高的高技術裝備，其生產成本和使用成本都比較高，對于一些行業專用的大中型無人機裝備更是如此。如果采用實裝教學，可能需要反復對裝備進行拆解，這樣會增加裝備故障的風險，縮短裝備使用壽命。

（3）無人機工程專業學生通信專業基礎比較薄弱。無人機工程作為一種應用型較強的專業，旨在培養專業化、職業化的無人機操控與運用人才，重點在于實踐應用。該專業教學屬于裝備教學，主要以崗位任職能力為牽引，側重多個學科知識點的綜合，對學科知識體系是否完整并不做要求。無人機工程專業學生普遍偏重于對無人機的結構組成、操作使用、維護保養等方面的學習，而對裝備的技術原理學習興趣不高。該專業學生本身就沒有進行過通信專業課程的系統學習，缺乏基本的通信背景知識，使得對無人機數據鏈原理的學習更加困難［4］。

2 半實物仿真

2.1 半實物仿真概念

計算機仿真是一種基于數學模型的仿真方法［5］，雖然成本較低，但仿真的效果取決于所建立的模型質量。對于一些非常復雜的實物系統，建立一套符合實際、逼真的數學模型難度很大，有些情況下甚至無法準確地建立數學模型。把實物系統放置在計算機仿真環節中進行分析可以解決上述問題，并能取得較好的效果。

半實物仿真，又稱為硬件在回路仿真，是計算機仿真和物理效應仿真相結合的產物［6］。它通常是將數學模型、實體模型（物理效應模型）和系統的實際設備聯系在一起組成的一種實時仿真系統［2，6］。在這種仿真中，實物的動、靜態特性和非線性因素等都能真實地反映出來。和數學仿真相比，它是一種更接近實際的仿真實驗技術［7］。

2.2 半實物仿真的優勢

隨著通信技術和通信網絡的快速發展，通信設備普遍性使用，各種無線電信號種類繁多、相互干擾，時域上突發多變，頻域上交錯混疊，使得空間電磁環境日益復雜［6，8］。這給無人機數據鏈仿真帶來更大的挑戰。普通的數學仿真模型和仿真系統很難準確地模擬實際的空間電磁環境，更難以精確地仿真電磁環境對數據鏈技術參數和工作狀態的實際影響。采用半實物仿真，構建盡可能接近實際電磁環境和實際裝備特征環境，以盡可能低的成本，滿足無人機數據鏈原理教學中的實驗需求。

無人機數據鏈半實物仿真具有如下優勢。

（1）以較低的成本和復雜度達到較好的教學效果。無人機數據鏈半實物仿真以數學模型加裝備實體替代模型的方式搭建實驗環境，避免了實裝教學的弊端，在較低的成本投入下可達到較好的教學效果。

（2）可根據需要靈活設置仿真科目。在教學過程中，可以分步仿真無人機數據鏈信息傳輸的各個環節，如指令編碼、基帶信號形成、信道編碼、頻譜擴展、數字調制、噪聲模擬、頻率切換等，也可以仿真完整的信息傳輸過程，并進行相關通信功能演示。

（3）信號輸出靈活，波形顯示手段多樣，可視化程度高。在無人機數據鏈半實物仿真系統中，仿真環節的信號是數字化的，可采用虛擬示波器顯示信號波形。對于實物仿真環節，可預留信號輸出接口，以示波器或頻譜儀展示信號波形特征。

（4）參數實時可調，實驗過程可控度較高。在實物模塊的基礎上，結合計算機仿真的優勢，可根據需要調整仿真參數，比如編碼速率、工作頻率、噪聲特征等。通過仿真參數的調制，展示不同傳輸條件下的數據鏈狀態和性能變化，進一步加深對數據鏈原理的理解。

3 無人機數據鏈半實物仿真平臺

3.1 系統組成

無人機數據鏈半實物仿真平臺組成如圖1所示［9-10］，由計算機網絡及仿真軟件系統、遙控鏈路通信設備、遙測鏈路通信設備、圖像傳輸設備、伺服跟蹤設備和無人機模型等部分構成。

圖1 無人機數據鏈半實物仿真平臺組成

機載遙控通信、遙測通信和圖像傳輸等設備，安裝于無人機模型中。無人機吊置于實驗室頂部的滑軌上，沿滑軌可做圓周運動，以模擬機載環境和通信功能。地面遙控鏈路通信、遙測鏈路通信、圖像接收、伺服跟蹤等設備以及計算機網絡及仿真軟件系統，聯合實現地面站信息處理和信號傳輸功能。半實物仿真系統中的硬件實物可采用與裝備技術原理相同的替代設備以降低成本。

通過機載和地面通信設備以及計算機仿真軟件可實現對無人機數據鏈遙控、遙測、圖像傳輸等功能模擬和原理仿真［11-12］。同時，軟件仿真系統可以展示數據鏈的結構組成、信號的數學描述、信息處理原理等，并可在信號處理的每個環節通過虛擬示波器分析、查看輸入、輸出信號的波形。

無人機數據鏈半實物仿真平臺可實現5種類型的實驗，包括數據鏈功能演示、綜合傳輸、信號處理、設計驗證和設備測試等（見圖2）。這5種實驗類型相互結合、相互補充，形成完整的數據鏈半實物仿真功能，從認知、動手、思維和創新等能力，各方面提升教學效果，培養學生的專業素質。

圖2 仿真實驗類型

3.2 計算機仿真軟件

計算機仿真軟件的主要作用，對半實物仿真系統進行控制與管理，如模擬生成遙控指令、調整仿真參數、顯示信號波形等；進行無人機數據鏈原理仿真，實現各個環節的通信仿真和顯示功能。

無人機數據鏈原理仿真軟件根據教學的需要，運用虛擬仿真技術，將實際的硬件設備虛擬化，在計算機上實現與硬件相同的功能及操作方式。在實現過程中，結合教學需要，考慮了以下幾個方面的要求。

（1）針對無人機數據鏈信息傳輸的每個步驟，建立相應的數學模型，盡可能做到每個環節的參數可調，力求在虛擬仿真中感受到接近實際的實驗結果。

（2）將實驗對象按知識體系切割為一個個獨立的模塊，每個模塊相關參數能夠自由調節，這樣就可以按需求將各模塊按不同的方式進行組合，以搭建出技術手段不同的無人機數據鏈功能實體或系統。

（3）提供虛擬的儀器儀表，且儀器儀表的外觀、操作方式和操作習慣與實際的設備基本一致，在實驗過程中可根據需要觀察每個信息傳輸環節的輸入、輸出信號波形。

無人機數據鏈軟件仿真系統可實現上行遙控和下行遙測鏈路的工作原理仿真，實現與實際硬件基本相同的實驗操作與信號展示功能；具有獨特的模塊操作方式，各模塊可通過鼠標拖動，可放大縮小；參數可采用鼠標點擊或鍵盤操作設置。該仿真系統支持的原理教學實驗包括：①遙控鏈路組成及工作原理；②遙測鏈路組成及工作原理；③基帶成型原理及實現；④卷積編譯碼原理及實現；⑤差分編譯碼原理及實現；⑥

擴頻碼產生頻譜擴展；⑦噪聲信道模擬及實現；⑧擴頻碼同步及實現；⑨載波同步原理及實現；⑩PSK調制解調原理及實現；○1 FSK調制解調原理及實現；○12位定時同步及實現。

3.3 射頻前端仿真單元

射頻前端仿真主要包括基于硬件平臺的以頻譜儀為主要測量儀器的測量性實驗和基于仿真軟件的射頻模塊設計性實驗［13］。

射頻前端硬件仿真單元為讓學生在理解數據鏈原理的同時，培養學生應用測試設備能力、儀表操作能力和頻譜分析能力。該單元用來模擬實際裝備的功能與技術參數，并在每個信號處預留測試接口，方便用各類儀器儀表測試信號頻譜波形和相關參數。

射頻前端仿真單元的組成如圖3所示，由雙工器、射頻濾波器、低噪聲放大器、上／下變頻器、中頻濾波器、中頻放大器、功率放大器及頻率源等組成［14-15］。所有模塊安裝在手提式儀器箱中。該單元可實現上／下行數據鏈路從中頻信號到射頻信號的變換和處理功能，每個功能輸出提供測試點，為測試提供便利。頻率源提供與計算機的串行通信接口，計算機仿真軟件可對頻率源進行控制和管理，完成工作頻點設置。

圖3 射頻前端仿真單元組成

射頻前端仿真單元結合信號源、頻譜分析儀、噪聲系數測試儀、網絡分析儀等通用儀器設備，可對射頻前端的發射通道、接收通道、頻率源性能進行測試，比如接收機增益、噪聲系數、鏡頻抑制、交調性能、中頻帶寬及特性、本振相位噪聲、發射功率、帶外抑制、雜散等［15-16］。

4 仿真案例

無人機半實物仿真平臺可實現的仿真內容較多，現舉兩個例子進行簡要介紹。

4.1 遙控傳輸實驗

遙控傳輸過程包括源信號產生、信道編碼、差分編碼、基帶信號成形、頻譜擴展和調制，以及接收端相關的信號反變換過程，需要搭建信息傳輸過程的模塊原理結構圖。主要實驗步驟為：

步驟1新建實驗或從列表選擇已有實驗項目。

步驟2根據需要將虛擬示波器連接至需要測試的信號節點處。

步驟3點擊“開始運行”，同時打開各模塊和儀表的電源開關。

步驟4調節相關參數，觀測和記錄相關波形或數據。

仿真界面如圖4所示，虛擬示波器的兩路探極分別接在編碼數據輸入和解碼數據輸出測試點上。由仿真結果可見，編碼輸入信號波形和解碼輸出信號波形基本一致，時間上存在一定延遲，這是因為仿真算法考慮了傳輸時延因素。在仿真過程中還可改變編碼速率和信道噪聲，以觀察不同條件下的傳輸效果。

圖4 遙控傳輸實驗界面

4.2 頻率測試實驗

射頻前端單元輸出包括上行支路的射頻輸出和下行支路的中頻輸出。頻率測試實驗用到的設備包括穩壓電源、信號源、頻譜儀、仿真控制計算機和射頻前端仿真單元，按圖5所示連接。

圖5 頻率測試設備連接示意圖

主要實驗步驟包括：

步驟1按測試要求連接設備。

步驟2設置信號源頻率和功率。

步驟3設置頻譜儀中心頻率、掃描帶寬、分辨率等。

步驟4改變頻率控制代碼，以改變輸出頻率。

步驟5觀察頻譜圖，測量輸出頻率、信號功率、增益等。

仿真結果如圖6所示。在仿真過程中可以改變信號源的輸出頻率、頻率控制代碼等，觀察分析不同輸入條件下多頻點輸出頻率的準確度、響應時間和增益情況。

圖6 頻率測試實驗圖

5 結 語

針對無人機數據鏈教學過程中存在原理深奧抽象而實驗教學資源缺乏、信息化教學手段不足的問題，采用軟件仿真和硬件設備相結合的方式，構建了無人機數據鏈半實物仿真平臺，以盡可能低的建設成本和使用成本，提高該課程的教學效果。搭建的半實物仿真平臺具備數據鏈功能演示、綜合傳輸、信號處理、設計驗證和設備測試等不同層次類型的功能，在提升教學效果的同時，從認知、動手、思維和創新等能力不同方面培養學生的專業素質。