無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估

謝宇迪，盛懷潔

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

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無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估

謝宇迪1,2，盛懷潔1

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

針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估，建立了無人機(jī)工作效能評(píng)估指標(biāo)體系，根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的工作原理，利用Simulink搭建無人機(jī)上行遙控鏈路動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，利用動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)探尋了信道譯碼前后誤碼率變化規(guī)律，對(duì)無人機(jī)上行遙控鏈路的可靠性效能和有效性效能進(jìn)行了定量評(píng)估。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈；效能評(píng)估；動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)；誤碼率

0 引 言

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵笓]控制站完成對(duì)無人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位及信息傳輸?shù)摹氨Ｕ湘湣?，也是無人機(jī)的“生命鏈”[1]。它通常是一種全雙工、保密、抗干擾、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信鏈路，其中視距鏈路是比超視距鏈路優(yōu)先級(jí)更高的鏈路。當(dāng)無人機(jī)與地面站的距離在視距范圍以內(nèi)時(shí)，上行和下行鏈路都將切入到視距鏈路上，而無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作效能直接影響到無人機(jī)作戰(zhàn)效能，因此評(píng)估無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作效能具有重要的軍事價(jià)值和實(shí)際意義。

目前對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路工作效能評(píng)估主要通過工作效能評(píng)估指標(biāo)體系的建立和抗干擾性能評(píng)估兩方面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]提出了較為合理的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估體系，其中誤碼率是衡量數(shù)據(jù)鏈工作能力的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾性能評(píng)估問題，提出了評(píng)估指標(biāo)及其測(cè)試方法。但文獻(xiàn)[2]沒有提出具體的評(píng)估實(shí)現(xiàn)方法；文獻(xiàn)[3]提出的評(píng)估指標(biāo)測(cè)試方法需要用到實(shí)際裝備以及各種檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜和繁瑣。本文針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估問題，建立效能評(píng)估指標(biāo)體系，搭建了無人機(jī)上行遙控鏈路的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，建立了評(píng)估指標(biāo)計(jì)算模型，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能進(jìn)行定量評(píng)估。

1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作原理

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的工作流程可以看作2條途徑：一是無人機(jī)上行遙控鏈路的工作流程，二是無人機(jī)下行遙測(cè)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(fù)接后進(jìn)行加密、信道編碼、擴(kuò)頻、載波調(diào)制、上變頻后，生成射頻信號(hào)，再經(jīng)功率放大器后通過天線向空中輻射至無人機(jī)。由于對(duì)高速數(shù)傳采用擴(kuò)頻技術(shù)困難較大以及指揮控制優(yōu)先級(jí)問題，遙測(cè)鏈路一般都不采用擴(kuò)頻技術(shù)[4]。圖1所示為無人機(jī)上行遙控鏈路的工作流程。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路工作流程中，采用的抗干擾技術(shù)包括信道編碼、擴(kuò)頻和載波調(diào)制。以上行遙控鏈路為例，其最常采用碼率為1/2、約束長(zhǎng)度為7的卷積編碼和直接序列擴(kuò)頻/二相相移鍵控(DSSS/BPSK)調(diào)制方式，擴(kuò)頻技術(shù)可提高對(duì)抗干擾的能力，有效隱藏信號(hào)頻譜，降低信號(hào)被檢測(cè)和截獲的概率[5]。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估指標(biāo)體系

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估應(yīng)該基于通信可靠性和有效性2個(gè)方面考慮。根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)組成和工作原理，提煉出3個(gè)評(píng)估指標(biāo)，其中通信誤碼率作為無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈可靠性指標(biāo)，最大有效傳輸速率和最大有效通信距離作為無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈有效性指標(biāo)。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。

3 基于Simulink的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)

3.1 動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的構(gòu)建

根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)組成和工作原理，設(shè)計(jì)基于Simulink的無人機(jī)上行遙控鏈路動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，其發(fā)射部分如圖3所示，利用Random Integer Generator模塊模擬遙控信號(hào)發(fā)生器；Convolutional Encoder模塊用于實(shí)現(xiàn)卷積編碼；PN Sequence Generator模塊用于產(chǎn)生擴(kuò)頻碼序列；Unipolar to Bipolar Converter模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和擴(kuò)頻碼序列單極性到雙極性轉(zhuǎn)換；擴(kuò)頻模塊用乘法器來實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)頻輸出的信號(hào)經(jīng)二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制傳輸出去。由于信號(hào)頻譜位置對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)鏈工作效能沒有影響，因此整個(gè)平臺(tái)沒有將信號(hào)搬移到射頻，是一個(gè)等效低通平臺(tái)。

動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的接收部分如圖4和圖5所示，圖4表示遙控信號(hào)譯碼采取硬判決譯碼，圖5表示譯碼采取軟判決譯碼。從發(fā)射部分產(chǎn)生的信號(hào)需要經(jīng)過傳輸信道才能到達(dá)接收端，加性高斯白噪聲(AWGN) Channel模塊模擬信號(hào)的傳輸信道。解擴(kuò)處理同樣用乘法器來實(shí)現(xiàn)，解擴(kuò)輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼時(shí)可分為硬判決譯碼和軟判決譯碼。采取硬判決譯碼時(shí)，利用Viterbi Decoder模塊進(jìn)行維特比譯碼，模塊的Decision type設(shè)為Hard Decision；采取軟判決譯碼時(shí)，利用Complex to Real-Imag模塊去除信號(hào)的虛部，只留有用的信號(hào)實(shí)部，Viterbi Decoder模塊中Decision type設(shè)為Unquantized便可以實(shí)現(xiàn)軟判決譯碼。Error Rate Calculation模塊用于統(tǒng)計(jì)仿真時(shí)間內(nèi)原始信號(hào)數(shù)據(jù)和接收信號(hào)數(shù)據(jù)的誤碼率。Delay模塊用于延時(shí)，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)取決于Viterbi譯碼器的回溯深度。

3.2 動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)可行性和有效性驗(yàn)證

在動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)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(jī)上行鏈路動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，如圖6所示。

下面進(jìn)行無編碼的上行鏈路誤碼率計(jì)算模型推導(dǎo)。

無編碼的機(jī)載遙控接收系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在高斯白噪聲下BPSK擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼率為[6]：

(1)

式中：Es為每比特(符號(hào))能量(J);N0為系統(tǒng)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(kuò)頻增益為10dB和20dB條件下仿真理論通信誤碼率計(jì)算模型和動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，可以得到機(jī)載遙控接收機(jī)輸入端信噪比與通信誤碼率的關(guān)系，如圖7所示。

從圖7可以看出，動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的誤碼率仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)相符，證明了該平臺(tái)的可行性和有效性。

3.3 譯碼前后誤碼率變化規(guī)律

由于卷積編碼對(duì)通信誤碼率的影響無法直接用公式得到，可以通過Simulink動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)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(guān)系才能對(duì)無人機(jī)上行遙控鏈路的可靠性效能進(jìn)行定量評(píng)估。遙控接收機(jī)對(duì)遙控信號(hào)的處理過程是先解擴(kuò)再解調(diào)再進(jìn)行信道譯碼，并且信道編碼的編碼增益是通過譯碼后體現(xiàn)出來的，經(jīng)仿真后發(fā)現(xiàn)無編碼的無人機(jī)上行鏈路誤碼率與有編碼無人機(jī)上行遙控鏈路信道譯碼前的誤碼率相同。

在擴(kuò)頻增益為10dB和20dB條件下，運(yùn)行圖3、圖4、圖5和圖6所示的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)可以直接得到采用卷積編碼的無人機(jī)上行遙控鏈路通信誤碼率與輸入端信噪比關(guān)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(diǎn)”。譯碼前的誤碼率低于“譯碼臨界點(diǎn)”時(shí)，譯碼后誤碼率會(huì)明顯降低；而高于“譯碼臨界點(diǎn)”時(shí)，譯碼后誤碼率反而會(huì)增加，這種現(xiàn)象稱作“錯(cuò)誤擴(kuò)散”。在誤碼率低于“譯碼臨界點(diǎn)”時(shí)，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(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，這種關(guān)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(guān)系，無編碼誤碼率就是無編碼系統(tǒng)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(shè)這種關(guān)系為:

(3)

(4)

4 無人機(jī)上行遙控鏈路工作效能評(píng)估

4.1 通信誤碼率模型

地面站發(fā)射遙控信號(hào)到達(dá)機(jī)載遙控接收機(jī)輸入端信噪比為：

(5)

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

聯(lián)立式(2)和(5)，無編碼的無人機(jī)上行鏈路的通信誤碼率計(jì)算模型為：

(6)

已知無編碼的無人機(jī)上行鏈路的通信誤碼率計(jì)算模型為：

(7)

那么，卷積編碼無人機(jī)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(shè)某型無人機(jī)上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號(hào)傳輸速率為200kbps，機(jī)載測(cè)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(nèi)，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(jī)距離地面站距離為400km，空氣中降雨量約為4.0mm/h，擴(kuò)頻帶寬為20MHz。仿真遙控信號(hào)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(jī)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(hào)有效全向輻射功率增大而降低。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中某型無人機(jī)的上行遙控鏈路暢通的臨界誤碼率為10-5量級(jí)，本文假設(shè)無人機(jī)上行遙控鏈路通信中斷的臨界誤碼率為10-4，此時(shí)上述3種情況下所需要的信號(hào)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(shí)能達(dá)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(hào)有效輻射功率等因素影響，其必定滿足香農(nóng)第二定理。

圖11為根據(jù)式(2)繪制通信誤碼率隨符號(hào)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(jī)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(jù)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(guān)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(jīng)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(jīng)過譯碼后的通信誤碼率也能降低到10-4以下。那么，BPSK解調(diào)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(shè)某型無人機(jī)上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號(hào)傳輸速率為200kbps，機(jī)載測(cè)控天線在地面站發(fā)射方向的增益約為21.6dB，接收機(jī)噪聲溫度約為320K，無人機(jī)距離地面站距離為400km，空氣中降雨量約為4.0mm/h，擴(kuò)頻帶寬為20MHz。遙控信號(hào)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(jī)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(hào)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(nóng)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(shí)能達(dá)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(hào)有效輻射功率等因素，反映了無人機(jī)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(duì)應(yīng)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(yīng)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(fā)射天線高度；h2為機(jī)載測(cè)控天線高度。

4.6 仿真示例

設(shè)某型無人機(jī)上行遙控鏈路工作頻率為10GHz，遙控信號(hào)傳輸速率為200kbps，機(jī)載測(cè)控天線在地面站發(fā)射方向的增益約為22dB，系統(tǒng)噪聲溫度約為3 200K，無人機(jī)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(kuò)頻帶寬為20MHz。遙控信號(hào)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(jī)上行鏈路最大有效通信距離與信號(hào)有效輻射功率的關(guān)系。從圖中可以看出，最大有效通信距離隨信號(hào)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(dá)到視距傳播的通視距離，本案例的通視距離約為511.7km。

5 結(jié)束語

隨著無人機(jī)的迅猛發(fā)展，它逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，本文針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估的問題，建立了評(píng)估指標(biāo)體系，利用Simulink構(gòu)建了無人機(jī)上行遙控鏈路的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，利用該平臺(tái)探尋了信道譯碼前后誤碼率變化規(guī)律；最后對(duì)無人機(jī)上行遙控鏈路的可靠性效能和有效性效能進(jìn)行定量評(píng)估。本文對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作效能評(píng)估具有一定指導(dǎo)意義，但在整個(gè)研究過程中并未加入任何有意噪聲干擾進(jìn)行討論，在今后的研究中將加以完善。

[1] 陸文博,劉春生,黃中瑞.對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)干擾方法的研究[J].艦船電子對(duì)抗,2013,36(2):31-34.

[2] 顧天一,陳云翔,張磊.基于環(huán)境的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估[C]//第五屆中國(guó)無人機(jī)大會(huì)論文集,2014:667- 670.

[3] 閆云斌,田慶民,王永川，等.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)及其測(cè)試方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(12):3925-3928.

[4] 駱光明,楊斌,邱致和.數(shù)據(jù)鏈——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷近[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[5] 馮小平,李鵬,楊紹全.通信對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[6]POISELRA.ModernCommunicationsJammingPrinciplesandTechniques[M].NewYork:ArtechHouselnc.,2011.

[7] 張曉東,張大民,田慶民,等.無人機(jī)電磁輻照試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(3):28- 32.

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