無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁于勝，王洪琳

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)钦麄€(gè)信息傳輸系統(tǒng)中鏈接各任務(wù)平臺、優(yōu)化信息資源的核心單元。它采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī)載、陸地和艦載信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交換［1］，正朝著高速數(shù)傳、網(wǎng)絡(luò)化、多功能的寬帶數(shù)據(jù)鏈以及一體化的通用寬帶數(shù)據(jù)鏈的方向發(fā)展，其功能復(fù)雜、性能指標(biāo)要求高。相應(yīng)的，數(shù)據(jù)鏈自動測試技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。以前的測試方法適合小批量型研生產(chǎn)，自動測試技術(shù)應(yīng)用直接影響到大批量的數(shù)據(jù)鏈電子系統(tǒng)驗(yàn)收及性能狀態(tài)的確立，這就需要在真正的應(yīng)用試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行測試。然而外場測試中缺乏大動態(tài)、多徑和精確跟蹤等關(guān)鍵性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)性能模糊，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)不能主動發(fā)現(xiàn)問題。在無人機(jī)全系統(tǒng)聯(lián)試過程中會經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和試驗(yàn)驗(yàn)證的插曲，延長了試驗(yàn)時(shí)間，增加了系統(tǒng)定型成本。作為系統(tǒng)研制的最后環(huán)節(jié)，自動測試技術(shù)在未來的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研制過程中，能顯著減少使用誤差、人身誤差，提高系統(tǒng)生產(chǎn)、研制效率，降低成本，并且具有測試功能全、性能指標(biāo)真實(shí)，使用狀態(tài)明確的優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

測試目的是為了驗(yàn)證測控與信息傳輸系統(tǒng)設(shè)備功能的正確性和指標(biāo)的合格性，同時(shí)對部分分機(jī)難以單獨(dú)檢驗(yàn)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。用于系統(tǒng)平面聯(lián)試階段的設(shè)備性能指標(biāo)及功能檢驗(yàn)。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，高速數(shù)傳、網(wǎng)絡(luò)化、抗干擾是通用寬帶數(shù)據(jù)鏈的3個(gè)發(fā)展方向，主要測試內(nèi)容包含3部分:①數(shù)據(jù)鏈設(shè)備性能指標(biāo)及功能檢驗(yàn);②復(fù)雜電磁環(huán)境下高速數(shù)傳性能測試;③ 復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能測試。

經(jīng)過以上3方面測試就能夠完成系統(tǒng)全性能測試、功能驗(yàn)證及系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的狀態(tài)評估，主要指標(biāo)包括:作用距離、系統(tǒng)功率、靈敏度、傳輸誤碼率和系統(tǒng)電平余量。復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性評估信道模型數(shù)量包括:城市、山地、丘陵、森林、沙漠和水面等，衰落模型包括:恒參、瑞利、萊斯、對數(shù)正態(tài)、純多普勒、平坦、高斯和巴特沃茲等。配合網(wǎng)絡(luò)測試、調(diào)制解調(diào)特性測試、誤碼性能測試和干擾適應(yīng)性測試等，完成全系統(tǒng)指標(biāo)測試，達(dá)到系統(tǒng)效能評估的要求，極大地減少了野外試驗(yàn)場的試驗(yàn)時(shí)間。野外試驗(yàn)的目的從原來的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο到y(tǒng)效能的評估與驗(yàn)證，包括空中接口性能的測試與比較，也包含復(fù)雜電磁環(huán)境中的模擬和仿真。自動測試系統(tǒng)軟件通過COM接口與Office軟件進(jìn)行通訊，利用Office軟件強(qiáng)大的文檔處理功能，在軟件中實(shí)現(xiàn)Office文檔的繪制，自動生成所需要的各種測試數(shù)據(jù)報(bào)表。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

以信號源、頻譜儀為基本儀器，利用開關(guān)矩陣和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將參試設(shè)備聯(lián)接在一起，通過計(jì)算機(jī)軟件控制儀器的狀態(tài)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備)分機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)上、下行發(fā)射功率，接收靈敏度等的自動測試［2］。通過計(jì)算機(jī)控制數(shù)控衰減器、誤碼儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸誤碼率等系統(tǒng)指標(biāo)測試。

發(fā)射功率測試原理如圖1所示。將參試設(shè)備參照圖1正確連接，采用有線連接方式，衰減器置于保護(hù)頻譜儀正常測試狀態(tài)，隨后進(jìn)行指標(biāo)測試;信號源輸出信號接入開關(guān)矩陣1，依次接入發(fā)射機(jī)，開關(guān)矩陣2同步選擇相對應(yīng)的發(fā)射機(jī)，輸出信號，經(jīng)衰減器后由頻譜儀讀取送入計(jì)算機(jī)顯示并存儲。

圖1 發(fā)射單元測試原理

接收靈敏度測試原理如圖2所示。由地面發(fā)射端輸出加調(diào)制射頻信號經(jīng)數(shù)控衰減器將信號衰減至機(jī)載接收靈敏度接入開關(guān)矩陣1，依次接入機(jī)載接收機(jī)，開關(guān)矩陣2同步選擇相對應(yīng)的機(jī)載接收機(jī)，輸出信號送終端解碼轉(zhuǎn)422串口送入計(jì)算機(jī)顯示并存儲。同樣，用機(jī)載發(fā)射端作輸入信號，就可以測試地面接收靈敏度。

圖2 接收機(jī)測試原理

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)之一是通信距離，通過無線電波在大氣空間的傳播損失公式L=20lgf+20lgd+32.4式中f為工作頻率，d為作用距離?？捎?jì)算在系統(tǒng)工作頻段傳播距離d時(shí)的總傳播損耗為L［3］?？倐鞑p耗小于發(fā)射功率與接收靈敏度之和，就符合通信距離技術(shù)要求。

自動測試系統(tǒng)也可以生成單載波信號和多載波信號，每個(gè)載波都可以單獨(dú)定義，如設(shè)置OFDM的所有參數(shù)，從基帶數(shù)據(jù)、包一直到幀，定義用戶自己的OFDM體制;支持RS(Reed-Solomon)編碼、卷積和加擾;可以在信號加入諸如相位噪聲、多徑或量化等損傷;加入跳頻和選通噪聲等，滿足電磁環(huán)境中的發(fā)射通道任意波形的應(yīng)用。

在復(fù)雜電磁環(huán)境的接收通道，實(shí)時(shí)信號分析儀的實(shí)時(shí)頻譜觀測功能，以及實(shí)時(shí)頻譜概率密度統(tǒng)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)頻譜的實(shí)時(shí)觀測和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，從而完成頻譜占用度和頻譜重合度的測量，對于數(shù)字/模擬解調(diào)、矢量分析和眼圖等測量，將解調(diào)后的基帶信號與實(shí)際數(shù)據(jù)鏈信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比對。

圖3 信道仿真測試原理

1.2 軟件設(shè)計(jì)

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動測試軟件是自動測試系統(tǒng)的核心，在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候不僅要考慮到軟件對當(dāng)前測試需求的支持，還要易于在未來發(fā)展中對軟件進(jìn)行擴(kuò)充，并靈活適應(yīng)自動測試系統(tǒng)用戶多變的需求。所有這些都要求通用化自動測試平臺系統(tǒng)的軟件需要采用一個(gè)適當(dāng)?shù)能浖w系結(jié)構(gòu)統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，進(jìn)而保障軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的順利進(jìn)行。采用了分層的軟件體系結(jié)構(gòu)，將自動測試軟件劃分為3層:通信層、控制層和測試應(yīng)用層。

通信層主要包括儀器的驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)和串口等的通信。對于網(wǎng)絡(luò)和串口等通信接口，通信接口比較成熟，盡量使用成熟、穩(wěn)定的通信功能模塊［4］。

對于儀器的驅(qū)動，選用儀器本身提供的驅(qū)動軟件。這些軟件往往是通用的，如VISA、IVI－COM等。這樣即使更換了不同廠家的儀器或測試總線，驅(qū)動程序也可以使用。

控制層主要實(shí)現(xiàn)控制測試儀器管理，對常用儀器的控制接口進(jìn)行抽象，以實(shí)現(xiàn)自動測試軟件僅了解通用接口即可對多個(gè)同類型的儀器進(jìn)行控制的目的。

測試應(yīng)用層包括測試應(yīng)用模塊和校零數(shù)據(jù)管理。測試應(yīng)用模塊應(yīng)符合用戶的需求，不同的測試對象需求不同，設(shè)計(jì)對應(yīng)的應(yīng)用模塊。校零數(shù)據(jù)管理模塊是管理測試系統(tǒng)中的校零數(shù)據(jù)，如射頻線纜、連接器的插入損耗等。大部分自動測試系統(tǒng)的校零數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)的硬盤中，因?yàn)榇蟛糠肿詣訙y試系統(tǒng)進(jìn)行一次校準(zhǔn)產(chǎn)生的校零數(shù)據(jù)是可以使用一段時(shí)間的，所以再次啟動自動測試軟件時(shí)不用再次輸入校零數(shù)據(jù)，當(dāng)然需要實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的自動測試系統(tǒng)除外［5］。

對照人工測試和系統(tǒng)自動化測試，可以知道，數(shù)據(jù)鏈自動測試技術(shù)減少了對設(shè)備的介入，可以用數(shù)據(jù)、圖形、表格和其他希望的方式給出，結(jié)果一目了然。與人工測試相比，測試結(jié)果完全相同，但所花時(shí)間是人工測試的百分之一，甚至千分之一，極大地提高了測試效率。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動測試技術(shù)是一種先進(jìn)的測試驗(yàn)收技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)測試、功能驗(yàn)證及系統(tǒng)狀態(tài)評估等，實(shí)現(xiàn)全自動化，滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用［6］。

2 需要解決的問題

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能復(fù)雜、性能指標(biāo)要求高，在傳統(tǒng)驗(yàn)收測試中，缺乏大動態(tài)、多徑、精確跟蹤等關(guān)鍵性能的試驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)性能模糊，采用常規(guī)的人工方法，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)不能主動發(fā)現(xiàn)問題，只能被動解決問題，沒有形成數(shù)據(jù)系統(tǒng)性和專家系統(tǒng)，缺乏經(jīng)驗(yàn)增長途徑。在無人機(jī)全系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)會經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和試驗(yàn)驗(yàn)證的重復(fù)過程，延長了試驗(yàn)時(shí)間，增加了系統(tǒng)研制定型成本，并且數(shù)據(jù)的可靠性差，有非常大的離散性，無法充分利用。采用系統(tǒng)自動化測試技術(shù)，能夠固化設(shè)備狀態(tài)，顯著減少測試時(shí)間、降低成本，并且提高測試數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境使用性符合度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

無線鏈路自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為信道仿真儀，共由3大部分組成:發(fā)信機(jī)、接收機(jī)及無線鏈路信道。要求信道仿真儀適應(yīng)性高、模式種類多，對真實(shí)的電磁應(yīng)用環(huán)境匹配性好。主要指標(biāo)包括:①工作波段:L、S、C;② 射頻帶寬:最高300 MHz;③ 輸入信號功率:－30～0 dBm;④ 輸出信號功率:－116～－16 dBm;⑤傳播時(shí)延最大處理能力:1300 ms;⑥多譜勒頻移:最高±1．25 MHz;⑦ 衰落模型:恒參、瑞利、對數(shù)正態(tài)、純多普勒、平坦、高斯和巴特沃茲等。

信道仿真儀可以重建路徑損耗、遮擋、多徑衰落、延遲擴(kuò)展、多譜勒擴(kuò)展、角擴(kuò)展和極化影響等［7］，也可以加入噪聲和干擾?？梢詣?chuàng)建不同測試環(huán)境，如室內(nèi)、城市、郊區(qū)和山地等基于幾何隨機(jī)模型的信道模型，其仿真原理是基于文件仿真原理，即只要該信道模型可以描述出來并寫入文件，就可以使用信道仿真儀進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的空間動態(tài)仿真驗(yàn)證。

4 結(jié)果分析

對照有線人工測試和系統(tǒng)無線自動化測試可知，數(shù)據(jù)鏈無線自動測試技術(shù)減少了對設(shè)備的介入，顯著減少測試時(shí)間、降低了成本，生成的數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境使用性符合度高。通過自動測試軟件，可以實(shí)現(xiàn)對儀器的控制，自動完成復(fù)雜、繁瑣的測試工作，減少人為因素造成的誤差，最大程度地保證測試結(jié)果準(zhǔn)確、真實(shí)。通過計(jì)算機(jī)完成大量的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算工作，測量結(jié)果可以用數(shù)據(jù)、圖形、表格和其他希望的方式給出，結(jié)果一目了然。采用有線人工測試方法至少需要兩人配合搭好測試環(huán)境，每測試一套都必須記錄測試數(shù)據(jù)、更換被測設(shè)備從新連接。而無線自動測試系統(tǒng)只需首次測試前搭好測試環(huán)境，依據(jù)測試項(xiàng)目選用適合的應(yīng)用模塊，并自動記錄測試結(jié)果。

為了對比測試，使用了一套通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，采用有線人工測試和無線自動化測試2種方法。測試項(xiàng)目對照如表1所示。

表1 人工、自動測試對照

在升級或增加系統(tǒng)功能時(shí)，只需針對射頻控制單元和軟件的測試應(yīng)用模塊即可，成本低、速度快。并且隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，還可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動測試的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5 結(jié)束語

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動測試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全自動化測試，測試結(jié)果與人工測試結(jié)果完全相同，并且有效避免了人工測試條件下長時(shí)間重復(fù)勞動導(dǎo)致的人身誤差，滿足性能穩(wěn)定、控制方便的要求。計(jì)算機(jī)接口兼容性好、重復(fù)性好。提高了無人機(jī)測控系統(tǒng)的生產(chǎn)測試效率，通過自動測試的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，能夠在不同的地點(diǎn)、不同的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高速、抗干擾、寬帶數(shù)據(jù)傳輸功能。對這些不同環(huán)境的測試結(jié)果進(jìn)行比較和綜合分析，可以很客觀地展示無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作性能。對于無人機(jī)測控系統(tǒng)的生產(chǎn)、調(diào)試、驗(yàn)收過程有著重大的促進(jìn)作用。因此該無線自動測試技術(shù)具有非常好的應(yīng)用前景。

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