無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)應(yīng)用系，合肥230031）

0 引 言

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙控遙測(cè)和圖像傳輸?shù)年P(guān)鍵。對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的結(jié)構(gòu)組成和工作原理深入理解，對(duì)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(lái)說(shuō)，必須“先懂原理，才能操作使用”，這也要求學(xué)生必須理解無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的原理［1］。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)課程以掌握無(wú)人機(jī)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(shū)等傳統(tǒng)教學(xué)方法難以對(duì)抽象的通信技術(shù)、信號(hào)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(wèn)題［2］。

借助信息化教學(xué)手段，以仿真實(shí)驗(yàn)的方式，將深?yuàn)W的通信理論形象、具體地展現(xiàn)出來(lái)，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。搭建無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)是解決上述問(wèn)題的一種可行方案［3］。

1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)面臨的問(wèn)題

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)存在以下幾方面的問(wèn)題。

（1）原理深?yuàn)W抽象、晦澀難懂，僅靠理論講授教學(xué)效果欠佳。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈涉及信源信道編碼、通信信號(hào)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(lái)比較困難，需要學(xué)生有深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和扎實(shí)的通信背景知識(shí)。

（2）無(wú)人機(jī)裝備成本高，實(shí)裝教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)大。無(wú)人機(jī)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(duì)于一些行業(yè)專用的大中型無(wú)人機(jī)裝備更是如此。如果采用實(shí)裝教學(xué)，可能需要反復(fù)對(duì)裝備進(jìn)行拆解，這樣會(huì)增加裝備故障的風(fēng)險(xiǎn)，縮短裝備使用壽命。

（3）無(wú)人機(jī)工程專業(yè)學(xué)生通信專業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱。無(wú)人機(jī)工程作為一種應(yīng)用型較強(qiáng)的專業(yè)，旨在培養(yǎng)專業(yè)化、職業(yè)化的無(wú)人機(jī)操控與運(yùn)用人才，重點(diǎn)在于實(shí)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(gè)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的綜合，對(duì)學(xué)科知識(shí)體系是否完整并不做要求。無(wú)人機(jī)工程專業(yè)學(xué)生普遍偏重于對(duì)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、操作使用、維護(hù)保養(yǎng)等方面的學(xué)習(xí)，而對(duì)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(méi)有進(jìn)行過(guò)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(shí)，使得對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理的學(xué)習(xí)更加困難［4］。

2 半實(shí)物仿真

2.1 半實(shí)物仿真概念

計(jì)算機(jī)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(duì)于一些非常復(fù)雜的實(shí)物系統(tǒng)，建立一套符合實(shí)際、逼真的數(shù)學(xué)模型難度很大，有些情況下甚至無(wú)法準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型。把實(shí)物系統(tǒng)放置在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)節(jié)中進(jìn)行分析可以解決上述問(wèn)題，并能取得較好的效果。

半實(shí)物仿真，又稱為硬件在回路仿真，是計(jì)算機(jī)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(shí)體模型（物理效應(yīng)模型）和系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備聯(lián)系在一起組成的一種實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)［2，6］。在這種仿真中，實(shí)物的動(dòng)、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來(lái)。和數(shù)學(xué)仿真相比，它是一種更接近實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)［7］。

2.2 半實(shí)物仿真的優(yōu)勢(shì)

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(wú)線電信號(hào)種類繁多、相互干擾，時(shí)域上突發(fā)多變，頻域上交錯(cuò)混疊，使得空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜［6，8］。這給無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真帶來(lái)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(shí)際的空間電磁環(huán)境，更難以精確地仿真電磁環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)參數(shù)和工作狀態(tài)的實(shí)際影響。采用半實(shí)物仿真，構(gòu)建盡可能接近實(shí)際電磁環(huán)境和實(shí)際裝備特征環(huán)境，以盡可能低的成本，滿足無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)需求。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）以較低的成本和復(fù)雜度達(dá)到較好的教學(xué)效果。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真以數(shù)學(xué)模型加裝備實(shí)體替代模型的方式搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，避免了實(shí)裝教學(xué)的弊端，在較低的成本投入下可達(dá)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(guò)程中，可以分步仿真無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)，如指令編碼、基帶信號(hào)形成、信道編碼、頻譜擴(kuò)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(guò)程，并進(jìn)行相關(guān)通信功能演示。

（3）信號(hào)輸出靈活，波形顯示手段多樣，可視化程度高。在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，仿真環(huán)節(jié)的信號(hào)是數(shù)字化的，可采用虛擬示波器顯示信號(hào)波形。對(duì)于實(shí)物仿真環(huán)節(jié)，可預(yù)留信號(hào)輸出接口，以示波器或頻譜儀展示信號(hào)波形特征。

（4）參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程可控度較高。在實(shí)物模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(jìn)一步加深對(duì)數(shù)據(jù)鏈原理的理解。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)

3.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)組成如圖1所示［9-10］，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及仿真軟件系統(tǒng)、遙控鏈路通信設(shè)備、遙測(cè)鏈路通信設(shè)備、圖像傳輸設(shè)備、伺服跟蹤設(shè)備和無(wú)人機(jī)模型等部分構(gòu)成。

圖1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)組成

機(jī)載遙控通信、遙測(cè)通信和圖像傳輸?shù)仍O(shè)備，安裝于無(wú)人機(jī)模型中。無(wú)人機(jī)吊置于實(shí)驗(yàn)室頂部的滑軌上，沿滑軌可做圓周運(yùn)動(dòng)，以模擬機(jī)載環(huán)境和通信功能。地面遙控鏈路通信、遙測(cè)鏈路通信、圖像接收、伺服跟蹤等設(shè)備以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及仿真軟件系統(tǒng)，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)地面站信息處理和信號(hào)傳輸功能。半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的硬件實(shí)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(guò)機(jī)載和地面通信設(shè)備以及計(jì)算機(jī)仿真軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈遙控、遙測(cè)、圖像傳輸?shù)裙δ苣M和原理仿真［11-12］。同時(shí)，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(hào)的數(shù)學(xué)描述、信息處理原理等，并可在信號(hào)處理的每個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)虛擬示波器分析、查看輸入、輸出信號(hào)的波形。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)5種類型的實(shí)驗(yàn)，包括數(shù)據(jù)鏈功能演示、綜合傳輸、信號(hào)處理、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和設(shè)備測(cè)試等（見(jiàn)圖2）。這5種實(shí)驗(yàn)類型相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，形成完整的數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真功能，從認(rèn)知、動(dòng)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(shí)驗(yàn)類型

3.2 計(jì)算機(jī)仿真軟件

計(jì)算機(jī)仿真軟件的主要作用，對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)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(hào)波形等；進(jìn)行無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理仿真，實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的通信仿真和顯示功能。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈原理仿真軟件根據(jù)教學(xué)的需要，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)際的硬件設(shè)備虛擬化，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)與硬件相同的功能及操作方式。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，結(jié)合教學(xué)需要，考慮了以下幾個(gè)方面的要求。

（1）針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)拿總€(gè)步驟，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，盡可能做到每個(gè)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）將實(shí)驗(yàn)對(duì)象按知識(shí)體系切割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)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(jìn)行組合，以搭建出技術(shù)手段不同的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能實(shí)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(shí)際的設(shè)備基本一致，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)需要觀察每個(gè)信息傳輸環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)波形。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈軟件仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上行遙控和下行遙測(cè)鏈路的工作原理仿真，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際硬件基本相同的實(shí)驗(yàn)操作與信號(hào)展示功能；具有獨(dú)特的模塊操作方式，各模塊可通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)，可放大縮??；參數(shù)可采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或鍵盤操作設(shè)置。該仿真系統(tǒng)支持的原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)包括：①遙控鏈路組成及工作原理；②遙測(cè)鏈路組成及工作原理；③基帶成型原理及實(shí)現(xiàn)；④卷積編譯碼原理及實(shí)現(xiàn)；⑤差分編譯碼原理及實(shí)現(xiàn)；⑥

擴(kuò)頻碼產(chǎn)生頻譜擴(kuò)展；⑦噪聲信道模擬及實(shí)現(xiàn)；⑧擴(kuò)頻碼同步及實(shí)現(xiàn)；⑨載波同步原理及實(shí)現(xiàn)；⑩PSK調(diào)制解調(diào)原理及實(shí)現(xiàn)；○1 FSK調(diào)制解調(diào)原理及實(shí)現(xiàn)；○12位定時(shí)同步及實(shí)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(tái)的以頻譜儀為主要測(cè)量?jī)x器的測(cè)量性實(shí)驗(yàn)和基于仿真軟件的射頻模塊設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)［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(shí)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用測(cè)試設(shè)備能力、儀表操作能力和頻譜分析能力。該單元用來(lái)模擬實(shí)際裝備的功能與技術(shù)參數(shù)，并在每個(gè)信號(hào)處預(yù)留測(cè)試接口，方便用各類儀器儀表測(cè)試信號(hào)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(shí)現(xiàn)上／下行數(shù)據(jù)鏈路從中頻信號(hào)到射頻信號(hào)的變換和處理功能，每個(gè)功能輸出提供測(cè)試點(diǎn)，為測(cè)試提供便利。頻率源提供與計(jì)算機(jī)的串行通信接口，計(jì)算機(jī)仿真軟件可對(duì)頻率源進(jìn)行控制和管理，完成工作頻點(diǎn)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(hào)源、頻譜分析儀、噪聲系數(shù)測(cè)試儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等通用儀器設(shè)備，可對(duì)射頻前端的發(fā)射通道、接收通道、頻率源性能進(jìn)行測(cè)試，比如接收機(jī)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(wú)人機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的仿真內(nèi)容較多，現(xiàn)舉兩個(gè)例子進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

4.1 遙控傳輸實(shí)驗(yàn)

遙控傳輸過(guò)程包括源信號(hào)產(chǎn)生、信道編碼、差分編碼、基帶信號(hào)成形、頻譜擴(kuò)展和調(diào)制，以及接收端相關(guān)的信號(hào)反變換過(guò)程，需要搭建信息傳輸過(guò)程的模塊原理結(jié)構(gòu)圖。主要實(shí)驗(yàn)步驟為：

步驟1新建實(shí)驗(yàn)或從列表選擇已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

步驟2根據(jù)需要將虛擬示波器連接至需要測(cè)試的信號(hào)節(jié)點(diǎn)處。

步驟3點(diǎn)擊“開(kāi)始運(yùn)行”，同時(shí)打開(kāi)各模塊和儀表的電源開(kāi)關(guān)。

步驟4調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，觀測(cè)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(cè)試點(diǎn)上。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，編碼輸入信號(hào)波形和解碼輸出信號(hào)波形基本一致，時(shí)間上存在一定延遲，這是因?yàn)榉抡嫠惴紤]了傳輸時(shí)延因素。在仿真過(guò)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(shí)驗(yàn)界面

4.2 頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

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(cè)試實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備包括穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、頻譜儀、仿真控制計(jì)算機(jī)和射頻前端仿真單元，按圖5所示連接。

圖5 頻率測(cè)試設(shè)備連接示意圖

主要實(shí)驗(yàn)步驟包括：

步驟1按測(cè)試要求連接設(shè)備。

步驟2設(shè)置信號(hào)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(cè)量輸出頻率、信號(hào)功率、增益等。

仿真結(jié)果如圖6所示。在仿真過(guò)程中可以改變信號(hào)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(diǎn)輸出頻率的準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間和增益情況。

圖6 頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈教學(xué)過(guò)程中存在原理深?yuàn)W抽象而實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源缺乏、信息化教學(xué)手段不足的問(wèn)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(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真平臺(tái)，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(shí)物仿真平臺(tái)具備數(shù)據(jù)鏈功能演示、綜合傳輸、信號(hào)處理、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和設(shè)備測(cè)試等不同層次類型的功能，在提升教學(xué)效果的同時(shí)，從認(rèn)知、動(dòng)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)。