無人機數據鏈暗室拉距測試方法*

趙 凱，黃 璇，徐華偉，劉斌輝

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 質量安全檢測中心，廣州 511370；2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工業(yè)和信息化部重點實驗室，廣州 511370)

0 引 言

無人機是智能無人裝備未來發(fā)展的重要方向，在軍工和民用領域均有廣泛的應用前景[1]，而無人機數據鏈是整個信息傳輸系統(tǒng)中鏈接各任務平臺、優(yōu)化信息資源的核心單元[2]。無人機數據鏈路系統(tǒng)的主要功能是實現地面與空中無人機之間、空中無人機與無人機之間，包括遙控遙測指令和數據圖傳信息在內的實時傳輸[3]。在使用數據鏈系統(tǒng)時，最迫切的需求是如何準確把握數據鏈系統(tǒng)的應用邊界，從而保證無人機開展飛行業(yè)務的順利進行。

無人機的有效通信距離是一項確定應用邊界的重要系統(tǒng)指標，也是一項綜合性指標，需要發(fā)射功率、接收機靈敏度、天線方向性、天線增益、線纜衰減、頻率、帶寬、使用環(huán)境等多方面的協(xié)調統(tǒng)一才能達到指標要求[4]。這項指標實際檢測涉及環(huán)節(jié)眾多，測試方法復雜。為更嚴謹準確地測試無人機的有效通信距離，國軍標提出了許多模擬和實際相結合的測試方法[5]。在無人機執(zhí)行任務時，其通信距離通常與實際業(yè)務類型有很大相關性[6]，但當前多種測試方法更多是從無線信道的角度測試通信距離，并未與無人機實際業(yè)務狀態(tài)相結合。驗證通信距離應用邊界的方式也較為簡單，主要通過觀察無人機功能狀態(tài)是否異常進行判定，這在測試環(huán)境不可控的情況下具有偶發(fā)性，難以準確明晰應用邊界。

本文在綜合考慮無人機數據鏈測試要求的基礎上，以程控衰減器和全電波暗室為核心儀器構建自動化測試系統(tǒng)，重點對數據鏈系統(tǒng)的有效通信距離指標進行測試，并基于吞吐量討論了有效通信距離與實際業(yè)務類型間的關系，旨在解決傳統(tǒng)無人機數據鏈性能指標測試所用儀器設備多、測試方法復雜、對測試人員要求高和與實際業(yè)務相脫節(jié)等問題。

1 無人機數據鏈傳輸損耗分析

無人機數據鏈完整數據傳輸過程如圖1所示。

圖1 無人機數據鏈傳輸損耗

如圖1所示，無人機數據鏈包括無人機地面站、地面站端饋線、發(fā)射天線、接收天線、飛機端饋線和無人機飛機端?；镜耐ㄐ欧匠虨?/p>

(1)

式中：Pt為 發(fā)射機功放末端輸出的信號功率(W)；Pr為接收機前端低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)輸入接收到的信號功率(W)；Ltc為發(fā)射機至發(fā)射天線之間的饋線損耗；Gt為發(fā)射天線增益；Ltp為發(fā)射天線指向損耗；Ls為電磁波在空間傳播的路徑損耗；La為電磁波穿過地球大氣層的大氣損耗；Lp為發(fā)射天線和接收天線之間電波極化不匹配引起的極化損耗；Lrp為接收天線指向損耗；Gr為接收天線增益；Lrc為接收天線至接收機之間的饋線損耗；Sf為系統(tǒng)設計時預留的安全裕量，一般取2～4倍。

無線信號從數據鏈系統(tǒng)發(fā)出到接收經歷的總損耗包括基本傳輸損耗加上兩端的饋線損耗，其中極限基本傳輸損耗可以通過測量最大發(fā)射功率和最小靈敏度得到，基本傳輸損耗中又包括發(fā)射和接收天線的增益、天線效率和空口傳輸損耗，空口傳輸損耗又包含自由空間傳輸損耗和受空間傳播媒質的能量損耗。從上述損耗組成可以看出，無人機數據鏈通信距離取決于極限空間傳輸損耗。

2 無人機數據鏈通信距離測試方法

目前，針對無人機數據鏈通信距離主要分為實驗室測試和外場測試兩大類，有四種測試方法。

2.1 分解測試計算法

使用無線測試設備測試無人機的接收系統(tǒng)靈敏度、發(fā)射機最大發(fā)射功率、無線通信中心頻率，然后通過式(2)估算出最大通信傳輸距離R。

(2)

式中：R為遙控遙測站和無人機之間的距離(km)；λ為無線電波工作波長(km)；Pt為發(fā)射功率(W)；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；Pr為接收門限功率，即接收系統(tǒng)靈敏度。

該方法通過測量無人機數據鏈的發(fā)射機和接收機的λ、Pt、Pr，搭配不同增益的天線可估算出數據鏈系統(tǒng)的最大通信距離。其分解測試原理如圖2所示。

圖2 分解測試原理示意圖

但該方法需對發(fā)射端和接收端分開測試，未能準確模擬無人機數據鏈真實工作情況，且天線效率、天線指向損耗和極化損耗等影響未嚴謹考慮，應用邊界難以明確。

2.2 傳導牽引距離法

分別將無人機地面端和飛機端置于相應的屏蔽裝置內，在兩個屏蔽室之間設置一個程控衰減器，并通過傳導與無人機地面端和飛機端相連接；調節(jié)從信號發(fā)送設備發(fā)送至信號接收設備的信號強度至符合預設標準；調節(jié)幅度可調的程控衰減器的衰減量，得到預設標準下的信號發(fā)送設備與信號接收設備之間通信能夠承受的信號衰減極限，根據此時程控衰減器的極限衰減量可得到無人機的有效通信距離。該方法原理如圖3所示。

圖3 傳導牽引距離法測試示意圖

無人機有效通信距離可通過下面的無線通信距離公式得到：

(3)

式中：R為遙控遙測站和無人機之間的距離(km)，F為無線電波工作頻率(MHz)，A為極限衰減量(dB)。

此方法同時對無人機地面站和飛機端進行測試，只利用程控衰減器就可以測出無人機數據鏈正常工作情況下最大的衰減值，有效降低了測試成本。但此方法測量得到的極限衰減量并非為無人機數據鏈的最大空間傳輸損耗，而是無人機數據鏈完整數據傳輸過程中的基本傳輸損耗，也未能準確模擬無人機數據鏈真實工作情況。

2.3 外場拉距測試法

外場拉距法是GJB 2922A-2018《無人偵察機測控系統(tǒng)通用規(guī)范》推薦方法之一，屬于外場測試。選擇開闊平坦、無遮擋物和反射物的測試場，將飛機端和地面站分別置于距離為r的兩個位置進行通信，其通信模型可用圖1表示，則電磁波在自由空間傳播的路徑損耗為

Ls=32.45+20lgf+20lgr。

(4)

式中：Ls為電磁波在空間傳播的路徑損耗(dB)，f為無線電波工作頻率(MHz)，r為地面站和飛機端之間的距離(km)。

在發(fā)射機和天線之間串入衰減器，并持續(xù)加大衰減量直到無人機功能出現異常。此時衰減器的值為LA，則無人機數據鏈的極限衰減量A為

A=32.45+20lgf+20lgR=

32.45+20lgf+20lgr+LA。

(5)

換算至無人機的極限通信距離R為

R=r·10(LA/20)。

(6)

式中：R為無人機數據鏈極限通信距離(km)，LA為衰減器額外增加的衰減量(dB)，r為地面站和飛機端之間的距離(km)。

通過改變衰減器的衰減量，觀察通信鏈路是否正常，從而得到無人機數據鏈的最大通信距離。由于外場測試的電磁環(huán)境較為復雜，不可確定因素較多，測試質量和一致性較難保證[7]；同時，也難以實現自動化測試，測試時間、人員、設備等綜合成本較高。

2.4 實際飛行測量法

將無人機整機在外場進行試飛實測，通過RTK(Real-time Kinematic)實時三維定位實時確定飛機端和地面站之間的距離R；飛機端與地面站之間要求無線電通視，周圍電磁干擾要較小，且為了減少多徑干擾，飛機端相對于地面站的俯仰角應在2°～12°之間；通過改變距離R觀察無人機數據鏈通信狀態(tài)，從而判斷出系統(tǒng)的通信距離能不能達到指標的要求。但是在實際的測試工程中，由于缺少標準穩(wěn)定的試驗環(huán)境，系統(tǒng)性能測試界限模糊，往往很難準確地測試出最大的飛行距離，所以通常首先采用外場拉距法測試出最大的通信距離，然后用試飛的方法驗證指標距離。

3 室內拉距測試方法

傳統(tǒng)實驗室測試雖然穩(wěn)定高效，但很難完全貼合無人機實際應用環(huán)境；外場測試雖然還原了無人機的實際應用情況，但測試環(huán)境的不可控導致測試結果的不確定性大大增加。為了使拉距實驗的測試環(huán)境穩(wěn)定可控，在實驗室中復現外場空口傳播環(huán)境十分關鍵[8]。本文設計了室內拉距測試方法，利用全電波暗室模擬外場的無線傳播環(huán)境，對無人機數據鏈的遙控遙測有效通信距離和信息傳輸有效通信距離進行了測試。

具體測試方法如下：

Step1 將無人機數據鏈的接收端放置在全電波暗室中，其發(fā)射端置于暗室外側，通過傳導的方式與暗室內的程控衰減器相連；程控衰減器通過發(fā)射天線與接收端建立空口連接。遙控遙測有效通信距離測試具體連接方式如圖4所示。

圖4 室內拉距測試連接示意圖

Step2 計量發(fā)射天線到接收端的空間距離r(km)，空口傳輸需保證為遠場條件。

Step3 開啟無人機數據鏈，設置無人機接收端的接收信道頻率為f，發(fā)射端的發(fā)射信道頻率為f。

Step4 控制無人機數據鏈進行通信，以0.5 dB步進增加程控衰減器衰減量，計量此時的通信鏈路吞吐量以及程控衰減器的衰減量LA，查看信息數據接收狀態(tài)，監(jiān)測通信鏈路誤碼率和吞吐量，直到無人機數據鏈功能異常，結束測試。

Step5 根據公式(6)計算無人機數據鏈的有效通信距離R。

Step6 繪圖得到通信鏈路吞吐量和距離R的關系，確定無人機數據鏈的極限有效通信距離。

判斷無人機數據鏈功能是否異常，需明確無人機通信能力是否滿足業(yè)務需求，依據具體業(yè)務情況而定，但不管何種方式的信息交互和業(yè)務應用，都離不開底層數據的高速傳輸，無人機數據鏈的數據吞吐量性能是一切上層應用的底層保障，通過測試通信鏈路吞吐量和有效通信距離之間的關系，更能準確地把控無人機實際業(yè)務應用邊界。需要注意的是，從式(6)來看，衰減器無論加在發(fā)射端還是接收端都是一樣的，但實際情況并非如此，若衰減器加在接收端會增大接收機前端的等效噪聲溫度，即增加了接收機前端的入口噪聲。故在實際測試時需將發(fā)射端置于暗室外與衰減器進行連接，相應地，在進行上行鏈路有效通信距離測試時應該將地面站作為發(fā)射端、將飛機端作為接收端，在進行下行鏈路有效通信距離測試時應該將飛機端作為發(fā)射端、地面站作為接收端。

4 室內拉距測試結果分析

本文根據室內拉距測試方法，分別針對7套數據鏈系統(tǒng)進行了測試，包括3套遙控遙測數據鏈系統(tǒng)、3套信息傳輸數據鏈系統(tǒng)以及1套綜合性數據鏈系統(tǒng)(包含遙控遙測和信息傳輸)。在逐步增加衰減量的過程中，記錄鏈路實時通信速率，并標記首次出現功能異常的位置(在圖中以紅色點表示)，此時對應衰減換算的通信距離為有效通信距離。在本文的測試中，信息傳輸業(yè)務為實時視頻傳輸業(yè)務，其判斷功能異常的條件為圖像出現卡頓，遙控遙測功能異常的判定條件為地面端發(fā)送遙控指令后飛機端未正確執(zhí)行。

3套遙控遙測數據鏈系統(tǒng)測試結果如圖5所示。

圖5 遙控遙測數據鏈系統(tǒng)測試結果

3套信息傳輸數據鏈系統(tǒng)測試結果如圖6所示。

圖6 信息傳輸數據鏈系統(tǒng)測試結果

綜合性數據鏈系統(tǒng)遙控遙測和信息傳輸有效通信距離測試結果如圖7所示。

圖7 綜合性數據鏈系統(tǒng)測試結果

經整理，測試結果如表1所示。

表1 測試結果匯總表

表2給出了無人機數據鏈通信距離測試方法的對比。室內拉距測試法可在實驗室自動化完成，人力成本較低，測試效率較高；同時，測試鏈路的空口環(huán)節(jié)處在全電波暗室，測試環(huán)境可控性較高，具有很高的測試可重復性；而且可利用吞吐量量化表征通信業(yè)務的實際需求，相對其他測試方法更能貼近實際業(yè)務應用時的真實情況。

表2 測試方法對比表

5 結 論

本文通過室內拉距測試得到了無人機數據鏈吞吐量與通信距離的關系，可看出當無人機發(fā)生功能異常時，吞吐量并非為零，且與具體業(yè)務情況有很大關系；遙控遙測傳輸數據較小，相應極限吞吐量較低，信息傳輸數據量較大，相應極限吞吐量較高[9-10]：故在設計無人機數據鏈通信距離時，應根據具體業(yè)務情況需求預留充足的設計余量，建議設計通信距離目標值應小于“有效通信距離-吞吐量”關系圖的下降平臺拐點值。