無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延測試方法

孫婧 孟景濤 劉素嬋 周汶昊 劉琦 張爽

摘要：隨著無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)場與民用領(lǐng)域中的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)通信的可靠性、有效性、及時(shí)性和隱蔽性等要素也被提出了更高的要求。時(shí)延是無人機(jī)通信質(zhì)量中最重要的性能指標(biāo)之一。通過對時(shí)延的組成與數(shù)據(jù)鏈基本特性的研究，首先介紹了2種曾廣泛使用的數(shù)據(jù)鏈時(shí)延測試方法。隨著無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備集成度越來越高，數(shù)據(jù)鏈協(xié)議越來越多樣化，以往的測試方法已經(jīng)不再適用。針對目前遇到的問題，提出了一種基于高精度時(shí)間計(jì)數(shù)器的、更具有通用性、準(zhǔn)確度更高的新測試方法，并對測試流程和處理時(shí)序進(jìn)行了研究。經(jīng)過軟件實(shí)現(xiàn)、工程實(shí)踐和驗(yàn)證，證明測試方法可行，測試結(jié)果可信，為數(shù)據(jù)鏈指標(biāo)測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化提供了支持。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；數(shù)據(jù)鏈；時(shí)延；自動化測試

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）12-47-5

0引言

在軍事需求的牽引和高新技術(shù)的推動下，無人機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代和未來航空武器裝備發(fā)展的熱點(diǎn)之一。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)地面控制站與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，用于無人機(jī)遙控、遙測、跟蹤定位和任務(wù)載荷信息傳輸。數(shù)據(jù)鏈包括安裝在無人機(jī)上的機(jī)載數(shù)據(jù)終端（ADT）和設(shè)置在地面的地面數(shù)據(jù)終端（GDT），其性能和規(guī)模在很大程度上決定了整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的性能和規(guī)模。通常，評價(jià)無線鏈路的性能有鏈路中斷概率、時(shí)延、信道誤碼率和丟包率等性能指標(biāo)，其中時(shí)延對無人機(jī)通信、控制甚至操縱性有非常大的影響。

本文介紹了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延測試的3種方法及各自的優(yōu)劣，第3種方法是目前最新的測試方法，具有精度高、通用性強(qiáng)的顯著優(yōu)勢。

1時(shí)延測試原理

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求上、下行鏈路的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸時(shí)延盡可能的小，以完成對無人機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制和各種遙測、飛控和載荷信息的實(shí)時(shí)下傳功能。

由于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備集成度越來越高，數(shù)據(jù)鏈協(xié)議越來越多樣化，以往使用示波器捕捉數(shù)據(jù)幀發(fā)送與接收的信號波形，計(jì)算傳輸時(shí)延的方法不再適用。以下將介紹一種現(xiàn)階段普遍使用的無人機(jī)地空閉環(huán)時(shí)延測試的通用方法。

首先分析時(shí)延的組成，上行鏈路的各種處理過程和傳輸過程會給數(shù)據(jù)傳輸帶來延時(shí)，當(dāng)?shù)孛鏀?shù)據(jù)終端和地面控制站之間采用同步數(shù)據(jù)接口時(shí)，鏈路時(shí)延的具體組成主要包括：地面數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)處理時(shí)間、測試幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、加解編碼處理時(shí)間、電波傳輸時(shí)延、鏈路處理時(shí)延和數(shù)據(jù)處理時(shí)延。

下行鏈路的各種處理過程和傳輸過程會給數(shù)據(jù)傳輸帶來延時(shí)，鏈路時(shí)延主要包括：機(jī)載數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)處理時(shí)間、接收和數(shù)據(jù)編幀、幀傳輸時(shí)間、電波傳輸時(shí)延、糾錯(cuò)編碼加解時(shí)延、鏈路處理時(shí)延和數(shù)據(jù)處理時(shí)延。測試原理圖如圖1所示。

2時(shí)延測試方法概述

2.1時(shí)延測試方法1

早期測試傳輸時(shí)延多使用示波器捕捉數(shù)據(jù)幀發(fā)送與接收的信號波形，計(jì)算傳輸時(shí)延，測試原理圖如圖2所示。

這種方法的測試精度主要靠示波器精度來保證，操作簡單、快捷，測量結(jié)果準(zhǔn)確，基本沒有誤差。由于信號都是以近光速的速度進(jìn)行傳播的，因此地面數(shù)據(jù)終端與機(jī)載數(shù)據(jù)終端之間以有線或無線連接對測量結(jié)果影響不大。但隨著系統(tǒng)集成度逐漸變高，數(shù)據(jù)鏈不再提供模擬信號的電平輸出，同時(shí)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議也越來越復(fù)雜，在示波器上捕捉回環(huán)的數(shù)據(jù)幀變得越來越不可實(shí)現(xiàn)，這種方法便逐漸不再適用。

2.2時(shí)延測試方法2

設(shè)計(jì)了第2種簡單易行的測試方案，使用計(jì)算機(jī)計(jì)時(shí)，給測試幀打時(shí)標(biāo)，按照數(shù)據(jù)鏈的幀頻循環(huán)發(fā)送測試幀，測試傳輸時(shí)延。測試原理圖如圖3所示。

若采用計(jì)算機(jī)本地時(shí)間計(jì)時(shí)，方案簡單，但是精度只能到ms級，而且機(jī)載數(shù)據(jù)終端接口類型眾多，測試工控機(jī)無法適配所有類型的接口，因此時(shí)延測試也有一定的局限性，測試無法覆蓋所有接口類型。

2.3時(shí)延測試方法3

近兩年又設(shè)計(jì)了第3種更加通用的測試方法，該方法利用精度為5 ns的時(shí)間計(jì)數(shù)器，通過測試計(jì)算機(jī)啟動時(shí)延測試程序，按照與數(shù)據(jù)鏈相同的幀頻循環(huán)發(fā)送測試幀，在測試數(shù)據(jù)發(fā)出前查詢計(jì)數(shù)，將時(shí)間計(jì)數(shù)打入測試幀作為時(shí)標(biāo)，收到測試數(shù)據(jù)后再次查詢計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差，得出鏈路傳輸時(shí)延。

本方法采用時(shí)間計(jì)數(shù)器作為計(jì)時(shí)設(shè)備，采用FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA使用內(nèi)部200 MHz高精度時(shí)鐘計(jì)數(shù)，PowerPC收到網(wǎng)絡(luò)指令后上報(bào)FPGA計(jì)時(shí)，整個(gè)計(jì)時(shí)過程PowerPC到FPGA延時(shí)相對固定，5 ns精度由FPGA來保證。

地面接口適配器一般需要具備網(wǎng)口、異步串口接口，機(jī)載接口適配器需要將同步串口、異步串口、SRIO、CAN和LVDS等機(jī)載常用接口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)打包傳送給測試計(jì)算機(jī)。

下文將詳細(xì)介紹第3種最新的時(shí)延測試方法。

2.3.1測試框圖

該指標(biāo)測試基于圖4所示的測試原理，并以頻分系統(tǒng)為例說明測試方法，測試框圖如圖4所示。

2.3.2測試流程

上行鏈路時(shí)延測試系統(tǒng)測試流程：需要待上行鏈路電平處于標(biāo)稱余量狀態(tài)；鏈路廠家提供描述上行遙控載荷指令和飛控指令等可以回環(huán)的協(xié)議格式的XML文件，測試軟件加入GCS載荷控制計(jì)算機(jī)，代替GCS載荷控制軟件或飛控軟件；測試主控計(jì)算機(jī)與GCS網(wǎng)絡(luò)互連，根據(jù)載荷指令和飛控指令等XML協(xié)議文件發(fā)送模擬指令到GDT。經(jīng)過接口適配器將ADT航電總線接口輸出的遙控?cái)?shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)為RS422異步數(shù)據(jù)接口或網(wǎng)絡(luò)接口，通過串行、網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)等送到主測試計(jì)算機(jī)，根據(jù)發(fā)送、接收時(shí)間統(tǒng)計(jì)指令序列延時(shí)。

下行鏈路時(shí)延測試系統(tǒng)測試流程：下行鏈路時(shí)延測試需要待下行鏈路電平處于標(biāo)稱余量狀態(tài)。鏈路廠家提供描述下行載荷遙測和下行飛控遙測等可以回環(huán)的協(xié)議格式的XML文件和ADT接口適配器；測試軟件加入GCS載荷控制計(jì)算機(jī)，代替GCS載荷控制軟件和飛行控制軟件；測試主控計(jì)算機(jī)與GCS網(wǎng)絡(luò)互連，根據(jù)載荷遙測或飛控遙測等XML協(xié)議文件發(fā)送模擬載荷遙測和模擬飛控遙測，并記錄、打時(shí)標(biāo)，通過串行、網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)發(fā)送到ADT接口適配器，通過航電總線接口送ADT，通過ADT發(fā)送到GCS。

從測試軟件的角度，無人機(jī)地空閉環(huán)時(shí)延測試通用流程如下：

①通過測試軟件輸入被測數(shù)據(jù)鏈的上下行幀格式、幀內(nèi)容和收發(fā)兩項(xiàng)的接口信息；②測試設(shè)備加電，地面數(shù)據(jù)終端和機(jī)載/彈載數(shù)據(jù)終端加電；③測試計(jì)算機(jī)與地面數(shù)據(jù)終端和機(jī)載/彈載數(shù)據(jù)終端建立通信連接，調(diào)整數(shù)控衰減器的衰減量，使數(shù)據(jù)鏈設(shè)備可正常工作并處于穩(wěn)定鎖定狀態(tài)；④上行傳輸時(shí)延測試時(shí)，測試計(jì)算機(jī)按照被測數(shù)據(jù)鏈的幀頻循環(huán)向地面接口適配器發(fā)送上行測試幀，并在測試幀中插入幀計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)從機(jī)載接口適配器接收數(shù)據(jù)幀，解析后查詢計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差并顯示，持續(xù)統(tǒng)計(jì)20組有效結(jié)果并計(jì)算平均值，扣除測試誤差，得出上行時(shí)延測試值；⑤下行傳輸時(shí)延測試時(shí)，測試計(jì)算機(jī)按照被測數(shù)據(jù)鏈的幀頻和設(shè)定的接口類型循環(huán)向機(jī)載接口適配器發(fā)送上行測試幀，并在測試幀中插入幀計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)從地面接口適配器接收數(shù)據(jù)幀，解析后查詢計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差并顯示，持續(xù)統(tǒng)計(jì)20組有效結(jié)果計(jì)算平均值，扣除測試誤差，得出下行時(shí)延測試值。

鏈路時(shí)延測試流程序列圖如圖5所示。

時(shí)延測試軟件鏈路時(shí)延測試處理過程如圖6所示。

3軟件實(shí)現(xiàn)與方法驗(yàn)證

選取了某型C頻段數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，按照測試連接圖對設(shè)備進(jìn)行連接，與地面航電總線接口適配器、機(jī)載航電總線接口適配器、時(shí)間計(jì)數(shù)器使用網(wǎng)線連接，組播通信。由于信號都是以近光速的速度進(jìn)行傳播的，地面數(shù)據(jù)終端與機(jī)載數(shù)據(jù)終端之間以有線或無線連接對測量結(jié)果影響不大，因此本次試驗(yàn)使用射頻線纜進(jìn)行有線連接。時(shí)延測試連接圖如圖7所示，試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)物圖如圖8所示。

軟件運(yùn)行環(huán)境采用Windows7操作系統(tǒng)，主頻不低于2.4 GHz、4核CPU，內(nèi)存8 GB。開發(fā)環(huán)境為VS2010開發(fā)環(huán)境。

數(shù)據(jù)鏈測試控制軟件根據(jù)測試任務(wù)選擇測試方法，按照設(shè)定的測試流程控制測試儀器及其他設(shè)備進(jìn)行測試。按照其系統(tǒng)需求，其功能劃分為測試任務(wù)管理、測試流程管理、測試儀器管理、其他設(shè)備管理、測試結(jié)果管理、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議在線編輯和解析6項(xiàng)。

①測試任務(wù)管理：主要用于接收、解析、顯示和存儲測試任務(wù)，先將測試任務(wù)進(jìn)行解析，然后將解析的測試任務(wù)顯示在界面上，最后存儲下發(fā)的測試任務(wù)。

②測試流程管理：根據(jù)測試的需要對測試流程進(jìn)行管理，管理的內(nèi)容為調(diào)度測試項(xiàng)、發(fā)送指令、讀取數(shù)據(jù)控制序列以及計(jì)算測試結(jié)果等。

③測試儀器管理：對數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)中的測試儀器進(jìn)行管理，管理的內(nèi)容為連接測試儀器、發(fā)送控制儀器指令和讀取測試儀器數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

④其他設(shè)備管理：對數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行管理，管理的內(nèi)容為設(shè)備連接、設(shè)備控制和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。

⑤測試結(jié)果管理：測試結(jié)果管理功能主要是對測試結(jié)果整理、存儲和發(fā)送。

⑥數(shù)據(jù)鏈協(xié)議在線編輯和解析：提供ADT和GDT數(shù)據(jù)鏈協(xié)議的在線編輯和解析功能。

待數(shù)據(jù)鏈測試控制軟件啟動后，初始化軟件環(huán)境和運(yùn)行參數(shù)，與測試儀器和分機(jī)建立數(shù)據(jù)交互鏈接。初始化完成后，監(jiān)聽測試任務(wù)，等待人機(jī)界面或數(shù)據(jù)鏈電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)中電磁環(huán)境模擬控制軟件發(fā)來的測試開始的命令。出現(xiàn)可用測試任務(wù)序列后，遍歷當(dāng)前任務(wù)庫和方法庫最終形成測試方法序列，完成測試任務(wù)和方法的調(diào)度。測試結(jié)束后，經(jīng)過判定算法和對比后，以文件形式輸出測試結(jié)果。

軟件界面及測試結(jié)果如圖9所示。

經(jīng)測試，某被測數(shù)據(jù)鏈下行傳輸時(shí)延為186.015 13 ms。為驗(yàn)證測試的準(zhǔn)確性，使用WireShark抓包工具，對測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。WireShark抓包結(jié)果圖如圖10所示。

按照源地址與目的地址篩選出收發(fā)2組數(shù)據(jù)包，由于測試數(shù)據(jù)包數(shù)量較多，不再詳細(xì)展示每組測試結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果為186 ms。經(jīng)驗(yàn)證，測試方法可行，測試結(jié)果準(zhǔn)確可信。

4結(jié)束語

本文提出的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延測試方法是目前比較精確的測試方法之一，并且由于接口適配器適配的接口類型廣，具有良好的通用性。但由于需要一個(gè)較為通用的接口適配器，測試成本明顯高于其他2種方法。后續(xù)項(xiàng)目中需要進(jìn)一步設(shè)法降低接口適配器的研發(fā)成本，優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，降低或固化計(jì)算機(jī)處理帶來的時(shí)延誤差，進(jìn)一步提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性。

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