無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真實驗教學(xué)方法探索

王 東， 王 濤， 黃克明， 李 猛， 鄭 臣

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院無人機應(yīng)用系，合肥230031）

0 引 言

無人機數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)無人機遙控遙測和圖像傳輸?shù)年P(guān)鍵。對無人機數(shù)據(jù)鏈的結(jié)構(gòu)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(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的要求來說，必須“先懂原理，才能操作使用”，這也要求學(xué)生必須理解無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的原理［1］。

無人機數(shù)據(jù)鏈技術(shù)課程以掌握無人機數(shù)據(jù)鏈信息傳輸原理為基本要求，在此基礎(chǔ)上著力培養(yǎng)學(xué)生的裝備運用能力和維修保障能力。據(jù)調(diào)查，很多學(xué)員反映數(shù)據(jù)鏈理論抽象，教學(xué)枯燥，學(xué)習(xí)興趣不高。主要原因是該課程是一門集微波通信、計算機網(wǎng)絡(luò)和指揮控制等多學(xué)科的綜合課程，僅靠幻燈和板書等傳統(tǒng)教學(xué)方法難以對抽象的通信技術(shù)、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(shù)理解膚淺的問題［2］。

借助信息化教學(xué)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(xiàn)出來，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。搭建無人機數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)面臨的問題

無人機數(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)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(xué)效果欠佳。無人機數(shù)據(jù)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(shù)、通信集成電路等復(fù)雜的技術(shù)理論。這些技術(shù)理論復(fù)雜抽象，理解起來比較困難，需要學(xué)生有深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和扎實的通信背景知識。

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

（3）無人機工程專業(yè)學(xué)生通信專業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱。無人機工程作為一種應(yīng)用型較強的專業(yè)，旨在培養(yǎng)專業(yè)化、職業(yè)化的無人機操控與運用人才，重點在于實踐應(yīng)用。該專業(yè)教學(xué)屬于裝備教學(xué)，主要以崗位任職能力為牽引，側(cè)重多個學(xué)科知識點的綜合，對學(xué)科知識體系是否完整并不做要求。無人機工程專業(yè)學(xué)生普遍偏重于對無人機的結(jié)構(gòu)組成、操作使用、維護保養(yǎng)等方面的學(xué)習(xí)，而對裝備的技術(shù)原理學(xué)習(xí)興趣不高。該專業(yè)學(xué)生本身就沒有進行過通信專業(yè)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，缺乏基本的通信背景知識，使得對無人機數(shù)據(jù)鏈原理的學(xué)習(xí)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(shù)學(xué)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(zhì)量。對于一些非常復(fù)雜的實物系統(tǒng)，建立一套符合實際、逼真的數(shù)學(xué)模型難度很大，有些情況下甚至無法準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型。把實物系統(tǒng)放置在計算機仿真環(huán)節(jié)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(yīng)仿真相結(jié)合的產(chǎn)物［6］。它通常是將數(shù)學(xué)模型、實體模型（物理效應(yīng)模型）和系統(tǒng)的實際設(shè)備聯(lián)系在一起組成的一種實時仿真系統(tǒng)［2，6］。在這種仿真中，實物的動、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實地反映出來。和數(shù)學(xué)仿真相比，它是一種更接近實際的仿真實驗技術(shù)［7］。

2.2 半實物仿真的優(yōu)勢

隨著通信技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，通信設(shè)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(fā)多變，頻域上交錯混疊，使得空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜［6，8］。這給無人機數(shù)據(jù)鏈仿真帶來更大的挑戰(zhàn)。普通的數(shù)學(xué)仿真模型和仿真系統(tǒng)很難準(zhǔn)確地模擬實際的空間電磁環(huán)境，更難以精確地仿真電磁環(huán)境對數(shù)據(jù)鏈技術(shù)參數(shù)和工作狀態(tài)的實際影響。采用半實物仿真，構(gòu)建盡可能接近實際電磁環(huán)境和實際裝備特征環(huán)境，以盡可能低的成本，滿足無人機數(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)中的實驗需求。

無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真具有如下優(yōu)勢。

（1）以較低的成本和復(fù)雜度達到較好的教學(xué)效果。無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真以數(shù)學(xué)模型加裝備實體替代模型的方式搭建實驗環(huán)境，避免了實裝教學(xué)的弊端，在較低的成本投入下可達到較好的教學(xué)效果。

（2）可根據(jù)需要靈活設(shè)置仿真科目。在教學(xué)過程中，可以分步仿真無人機數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)，如指令編碼、基帶信號形成、信道編碼、頻譜擴展、數(shù)字調(diào)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(guān)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(shù)據(jù)鏈半實物仿真系統(tǒng)中，仿真環(huán)節(jié)的信號是數(shù)字化的，可采用虛擬示波器顯示信號波形。對于實物仿真環(huán)節(jié)，可預(yù)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(shù)實時可調(diào)，實驗過程可控度較高。在實物模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機仿真的優(yōu)勢，可根據(jù)需要調(diào)整仿真參數(shù)，比如編碼速率、工作頻率、噪聲特征等。通過仿真參數(shù)的調(diào)制，展示不同傳輸條件下的數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)和性能變化，進一步加深對數(shù)據(jù)鏈原理的理解。

3 無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真平臺

3.1 系統(tǒng)組成

無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真平臺組成如圖1所示［9-10］，由計算機網(wǎng)絡(luò)及仿真軟件系統(tǒng)、遙控鏈路通信設(shè)備、遙測鏈路通信設(shè)備、圖像傳輸設(shè)備、伺服跟蹤設(shè)備和無人機模型等部分構(gòu)成。

圖1 無人機數(shù)據(jù)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?shù)仍O(shè)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(huán)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(shè)備以及計算機網(wǎng)絡(luò)及仿真軟件系統(tǒng)，聯(lián)合實現(xiàn)地面站信息處理和信號傳輸功能。半實物仿真系統(tǒng)中的硬件實物可采用與裝備技術(shù)原理相同的替代設(shè)備以降低成本。

通過機載和地面通信設(shè)備以及計算機仿真軟件可實現(xiàn)對無人機數(shù)據(jù)鏈遙控、遙測、圖像傳輸?shù)裙δ苣M和原理仿真［11-12］。同時，軟件仿真系統(tǒng)可以展示數(shù)據(jù)鏈的結(jié)構(gòu)組成、信號的數(shù)學(xué)描述、信息處理原理等，并可在信號處理的每個環(huán)節(jié)通過虛擬示波器分析、查看輸入、輸出信號的波形。

無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真平臺可實現(xiàn)5種類型的實驗，包括數(shù)據(jù)鏈功能演示、綜合傳輸、信號處理、設(shè)計驗證和設(shè)備測試等（見圖2）。這5種實驗類型相互結(jié)合、相互補充，形成完整的數(shù)據(jù)鏈半實物仿真功能，從認知、動手、思維和創(chuàng)新等能力，各方面提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

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(tǒng)進行控制與管理，如模擬生成遙控指令、調(diào)整仿真參數(shù)、顯示信號波形等；進行無人機數(shù)據(jù)鏈原理仿真，實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的通信仿真和顯示功能。

無人機數(shù)據(jù)鏈原理仿真軟件根據(jù)教學(xué)的需要，運用虛擬仿真技術(shù)，將實際的硬件設(shè)備虛擬化，在計算機上實現(xiàn)與硬件相同的功能及操作方式。在實現(xiàn)過程中，結(jié)合教學(xué)需要，考慮了以下幾個方面的要求。

（1）針對無人機數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)拿總€步驟，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，盡可能做到每個環(huán)節(jié)的參數(shù)可調(diào)，力求在虛擬仿真中感受到接近實際的實驗結(jié)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(guān)參數(shù)能夠自由調(diào)節(jié)，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(shù)手段不同的無人機數(shù)據(jù)鏈功能實體或系統(tǒng)。

（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(xí)慣與實際的設(shè)備基本一致，在實驗過程中可根據(jù)需要觀察每個信息傳輸環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號波形。

無人機數(shù)據(jù)鏈軟件仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)上行遙控和下行遙測鏈路的工作原理仿真，實現(xiàn)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(biāo)拖動，可放大縮小；參數(shù)可采用鼠標(biāo)點擊或鍵盤操作設(shè)置。該仿真系統(tǒng)支持的原理教學(xué)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(xiàn)；④卷積編譯碼原理及實現(xiàn)；⑤差分編譯碼原理及實現(xiàn)；⑥

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

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(shè)計性實驗［13］。

射頻前端硬件仿真單元為讓學(xué)生在理解數(shù)據(jù)鏈原理的同時，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用測試設(shè)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(shù)參數(shù)，并在每個信號處預(yù)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(guān)參數(shù)。

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(xiàn)上／下行數(shù)據(jù)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(shè)置。

圖3 射頻前端仿真單元組成

射頻前端仿真單元結(jié)合信號源、頻譜分析儀、噪聲系數(shù)測試儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等通用儀器設(shè)備，可對射頻前端的發(fā)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(shù)、鏡頻抑制、交調(diào)性能、中頻帶寬及特性、本振相位噪聲、發(fā)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(xiàn)的仿真內(nèi)容較多，現(xiàn)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(chǎn)生、信道編碼、差分編碼、基帶信號成形、頻譜擴展和調(diào)制，以及接收端相關(guān)的信號反變換過程，需要搭建信息傳輸過程的模塊原理結(jié)構(gòu)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(jù)需要將虛擬示波器連接至需要測試的信號節(jié)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(guān)。

步驟4調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，觀測和記錄相關(guān)波形或數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)輸入和解碼數(shù)據(jù)輸出測試點上。由仿真結(jié)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(shè)備包括穩(wěn)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(shè)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(shè)備。

步驟2設(shè)置信號源頻率和功率。

步驟3設(shè)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(jié)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(zhǔn)確度、響應(yīng)時間和增益情況。

圖6 頻率測試實驗圖

5 結(jié) 語

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