復(fù)雜電磁環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

趙亞?wèn)|

(成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司,四川 成都 611731)

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是應(yīng)用各種先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)、糾錯(cuò)編碼、通信組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)管理、信息融合等技術(shù),采用專(zhuān)用通信協(xié)議和消息標(biāo)準(zhǔn),適合于指揮控制系統(tǒng)、航空武器平臺(tái)、情報(bào)系統(tǒng)之間傳輸標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù),構(gòu)建的互聯(lián)互通的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)[1]。航空數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是在復(fù)雜電磁環(huán)境下組網(wǎng)能力更強(qiáng)、帶寬更寬、實(shí)時(shí)性更好、網(wǎng)絡(luò)可靠性更高。航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的研制過(guò)程貫穿了航空武器平臺(tái)的研制全程,包括開(kāi)發(fā)仿真、樣機(jī)研制、統(tǒng)型聯(lián)試等階段,研制效率要求較高。

為保障航空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)、物理層波形開(kāi)發(fā)、射頻信道測(cè)試等模塊級(jí)研發(fā),以及組網(wǎng)協(xié)議優(yōu)化、組網(wǎng)性能測(cè)試等整機(jī)級(jí)功能性能驗(yàn)證,并支撐航電集成聯(lián)試、復(fù)雜電磁環(huán)境下的效能試驗(yàn)、跨平臺(tái)戰(zhàn)術(shù)消息互操作驗(yàn)證等系統(tǒng)級(jí)聯(lián)試,研制建設(shè)多型號(hào)共享、跨階段共用、長(zhǎng)壽命共存的測(cè)試系統(tǒng),是提高型號(hào)裝備研制效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要手段。

在國(guó)內(nèi)公開(kāi)的研究中,文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]給出了面向功能接口測(cè)試的數(shù)據(jù)鏈測(cè)試設(shè)備方案;文獻(xiàn)[4]分析了軍民用數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試模式和關(guān)鍵技術(shù)差異,提出了擬真程度更高、支撐全壽命周期迭代優(yōu)化的發(fā)展思路;文獻(xiàn)[5]提出了基于實(shí)裝的消息標(biāo)準(zhǔn)和端機(jī),以網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)分階段支持研發(fā)與裝備改進(jìn)的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方案;文獻(xiàn)[6]分析了復(fù)雜電磁環(huán)境下航空通信效能試飛流程和評(píng)估模型。綜上,現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)多以滿足內(nèi)場(chǎng)測(cè)試條件為研制目標(biāo),主要具備通信協(xié)議接口測(cè)試、消息類(lèi)型符合性測(cè)試或信道性能測(cè)試等專(zhuān)用單一功能,在驗(yàn)證復(fù)雜電磁環(huán)境下的組網(wǎng)性能方面缺乏有效手段,更多依靠研制后期的外場(chǎng)實(shí)裝掛飛階段評(píng)估數(shù)據(jù)鏈效能。

通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)需求分析和場(chǎng)景設(shè)計(jì)、歸納數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)特性和測(cè)試用例需求、面向測(cè)試任務(wù)流程分解功能線程等設(shè)計(jì)步驟,本文對(duì)支持復(fù)雜電磁環(huán)境下的航空數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)的能力需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了梳理和論證,完成了系統(tǒng)功能和實(shí)施方案的設(shè)計(jì),對(duì)關(guān)鍵技術(shù)選型進(jìn)行了具體研究,工程化實(shí)施合理可行,對(duì)提升航空數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)能力、提高數(shù)據(jù)鏈裝備研制效率有重要意義。

1 需求分析

1.1 航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體制分析

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為了適應(yīng)航空器高速移動(dòng)的特性,以及現(xiàn)代空戰(zhàn)對(duì)航空數(shù)據(jù)鏈的需求,其網(wǎng)絡(luò)體制具有以下特點(diǎn)。

(1) 低時(shí)延與高數(shù)據(jù)傳輸速率。

典型的航空平臺(tái)協(xié)同信息主要是瞬時(shí)態(tài)勢(shì)、位置、武器配置等,對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)延很敏感,航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)須提供足夠小的端到端時(shí)延來(lái)滿足數(shù)據(jù)的時(shí)敏性要求,同時(shí)必須提供足夠大的傳輸速率。

(2) 抗干擾空中接口波形。

為了增強(qiáng)通信的抗干擾能力,采用抗干擾波形和糾錯(cuò)編碼;為了降低截獲概率,采用功率控制技術(shù)控制發(fā)射功率;為了航空通信鏈路的可靠性,采用可以高速切換波束方向的多波束天線,通過(guò)多波束天線定向發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3) 空中機(jī)動(dòng)組網(wǎng)。

航空器之間的相對(duì)位置不斷變化,網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可能加入合成新的網(wǎng)絡(luò)或退出網(wǎng)絡(luò);航空數(shù)據(jù)鏈中的節(jié)點(diǎn)可及時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并確定網(wǎng)絡(luò)路由和鏈路信息交互方式。航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)性、臨時(shí)性等特點(diǎn),一般采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具備多個(gè)網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)成員,按照TDMA時(shí)幀結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)協(xié)議和物理層波形,實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員空中機(jī)動(dòng)組網(wǎng)。

1.2 航空數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

為實(shí)現(xiàn)可支持復(fù)雜電磁環(huán)境、可覆蓋數(shù)據(jù)鏈研制全流程的航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)集成測(cè)試系統(tǒng),系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)須與航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３忠恢?系統(tǒng)設(shè)計(jì)須重點(diǎn)關(guān)注復(fù)雜無(wú)線信道下對(duì)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)魯棒性考核和極限性能測(cè)試的用例邏輯,應(yīng)用流程上須覆蓋波形開(kāi)發(fā)仿真、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一致性測(cè)試、互操作性測(cè)試、系統(tǒng)集成聯(lián)試、效能評(píng)估等各階段需求。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備配置軟硬件定制開(kāi)發(fā)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面。

(1) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測(cè)試需求。

測(cè)試系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)組網(wǎng)下,執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用消息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)容量性能、鏈路傳輸性能等測(cè)試項(xiàng)目,包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一致性驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互操作性測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堅(jiān)固性測(cè)試,并支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化比對(duì)驗(yàn)證等用途。

(2) 復(fù)雜電磁環(huán)境無(wú)線信道仿真及模擬需求。

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)頻段高、運(yùn)動(dòng)速度快、多徑擴(kuò)展大,須通過(guò)無(wú)線仿真模擬復(fù)雜衰落信道、切斷信道、注入干擾等網(wǎng)絡(luò)實(shí)景和故障模擬,測(cè)試網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在各種惡劣環(huán)境下運(yùn)行的能力。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬各種典型的無(wú)線信道環(huán)境,不易受外界環(huán)境影響,可以降低試驗(yàn)成本,且試驗(yàn)具有可重復(fù)性。

(3) 射頻信道指標(biāo)測(cè)試需求。

射頻信道質(zhì)量是數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)物理層波形的基礎(chǔ)。為測(cè)試驗(yàn)證射頻功放和收發(fā)信道模塊的功能與性能,須對(duì)發(fā)射頻譜、接收機(jī)指標(biāo)及其他指標(biāo)進(jìn)行符合性測(cè)試,包括功率特性、頻譜特性、調(diào)制質(zhì)量、互調(diào)特性、波形質(zhì)量、信道線性度、接收靈敏度、抗干擾能力等;并對(duì)提升數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作用性能的重要指標(biāo),如接收靈敏度、抗干擾能力等可達(dá)到的最佳極限指標(biāo)進(jìn)行摸底。

(4) 測(cè)試環(huán)境管理需求。

航空數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)是常態(tài)化運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)。為適應(yīng)多種型號(hào)的數(shù)據(jù)鏈裝備研制,并保持相對(duì)固化的測(cè)試環(huán)境,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)須與航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３忠恢?采用不同類(lèi)型的消息激勵(lì)和被測(cè)件控制策略,按照測(cè)試用例執(zhí)行分析檢測(cè),并自動(dòng)化判定測(cè)試結(jié)果。須區(qū)分測(cè)試任務(wù)場(chǎng)景,形成標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試用例腳本,并組合化配置管理各測(cè)試節(jié)點(diǎn)、被測(cè)件和測(cè)試任務(wù)。

(5) 自動(dòng)化測(cè)試執(zhí)行需求。

須具備從建立測(cè)試任務(wù)、執(zhí)行測(cè)試任務(wù)到測(cè)試結(jié)果查看分析的全面管理。① 基于測(cè)試計(jì)劃的任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行,測(cè)試環(huán)境配置和用例調(diào)用與測(cè)試計(jì)劃關(guān)聯(lián);用例執(zhí)行過(guò)程中可自動(dòng)執(zhí)行,并可人工暫停、恢復(fù)、終止測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行。② 實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)抓包和比對(duì)分析,能夠?qū)?553B、FC、RapidIO等不同類(lèi)型接口數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包,并自動(dòng)化判決數(shù)據(jù)的時(shí)刻、類(lèi)型、字段、賦值的有效性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)系統(tǒng)需求分析,根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的受試對(duì)象、工裝環(huán)境、任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)管理等組織流程,對(duì)系統(tǒng)的組成和功能進(jìn)行劃分與界定,在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)接入、自動(dòng)測(cè)試管理和多通道無(wú)線信道模擬需求,系統(tǒng)采用集中-分布式結(jié)構(gòu),劃分為自動(dòng)測(cè)試管理子系統(tǒng)、受試/參試設(shè)備和無(wú)線信道模擬子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的分布式航空節(jié)點(diǎn)接入和集中式測(cè)試管理,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

自動(dòng)測(cè)試管理子系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括航空節(jié)點(diǎn)接入終端、自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端和客戶端等。

無(wú)線信道模擬子系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)儀器。

2.2.1 航空節(jié)點(diǎn)接入終端

為適應(yīng)現(xiàn)代航空總線標(biāo)準(zhǔn),適配多種型號(hào)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn),航空節(jié)點(diǎn)接入終端提供多種真實(shí)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)總線接入端口,配置1553B、FC、RapidIO等接口模塊,完成端機(jī)控制數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種航空總線體制數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的控制。測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用通用化架構(gòu),可任意作為被測(cè)、陪測(cè)、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)組網(wǎng)測(cè)試,并具有良好的接口兼容性[7],可支撐未來(lái)擴(kuò)充新型被測(cè)裝備。

多臺(tái)航空節(jié)點(diǎn)接入終端通過(guò)局域網(wǎng)組網(wǎng),以支持多個(gè)航空節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈端機(jī)組網(wǎng)測(cè)試,并且具備較好的節(jié)點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)展能力。航空節(jié)點(diǎn)接入終端接口示意圖如圖2所示。

2.2.2 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端及客戶端

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端及客戶端是系統(tǒng)實(shí)施測(cè)試任務(wù)的管理核心,其功能接口示意圖如圖3所示。

(1) 測(cè)試環(huán)境管理。

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端及客戶端對(duì)測(cè)試環(huán)境中的航空節(jié)點(diǎn)接入終端、復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)儀器等的接入、配置和選用進(jìn)行集中式管理。對(duì)接入儀器儀表,通過(guò)封裝的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface,API),實(shí)時(shí)采集測(cè)量數(shù)值和抓取波形,可進(jìn)行射頻、秒脈沖等信號(hào)的時(shí)域、頻域分析和比對(duì),支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示或事后分析。

(2) 測(cè)試任務(wù)規(guī)劃和控制。

可根據(jù)想定的航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行場(chǎng)景編輯規(guī)劃測(cè)試任務(wù)。測(cè)試任務(wù)包括測(cè)試節(jié)點(diǎn)配置、測(cè)試環(huán)境配置、復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備配置、測(cè)試項(xiàng)目和被測(cè)產(chǎn)品設(shè)置、測(cè)試腳本配置等。

測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行階段,網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制命令、端機(jī)實(shí)時(shí)頻率及控制參數(shù),實(shí)時(shí)更新位置信息等能通過(guò)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)配置的總線接口下發(fā)至被測(cè)、陪測(cè)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈端機(jī),實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)動(dòng)態(tài)控制?；诰W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)程,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑽恢眯畔?、組網(wǎng)/編隊(duì)情況等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài),以及復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備模擬仿真進(jìn)程等,與測(cè)試任務(wù)過(guò)程實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)呼應(yīng),實(shí)時(shí)展示場(chǎng)景變化和通信效能的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

(3) 測(cè)試任務(wù)自動(dòng)/人工執(zhí)行。

根據(jù)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試邏輯和實(shí)現(xiàn)步驟,形成基于Python腳本的測(cè)試用例[8],并對(duì)儀器SCPI接口采用Python解釋器封裝[9]。自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端/客戶端在規(guī)劃和執(zhí)行測(cè)試任務(wù)時(shí),可調(diào)用基于Python腳本的測(cè)試用例并執(zhí)行腳本,實(shí)現(xiàn)測(cè)試業(yè)務(wù)邏輯、測(cè)試流程控制、測(cè)試數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判定、數(shù)據(jù)記錄等功能。

(4) 協(xié)議抓包數(shù)據(jù)分析。

在測(cè)試用例中,接收被測(cè)、陪測(cè)和數(shù)據(jù)鏈基準(zhǔn)端機(jī)上報(bào)的各種內(nèi)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析和比對(duì),并按照測(cè)試邏輯對(duì)其進(jìn)行分析、判定。分析的內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)格式/內(nèi)容、交互邏輯、時(shí)序關(guān)系、射頻/低頻信號(hào)波形等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的性能滿足多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試邏輯對(duì)時(shí)延的要求,確保測(cè)試邏輯的實(shí)現(xiàn)。

基于以太網(wǎng)總線的協(xié)議抓包數(shù)據(jù)分析過(guò)程,是通過(guò)在各節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)對(duì)各總線數(shù)據(jù)抓包并標(biāo)定時(shí)間戳,實(shí)現(xiàn)航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)端機(jī)的消息層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層通信協(xié)議的抓包分析。協(xié)議抓包數(shù)據(jù)分析具有并發(fā)節(jié)點(diǎn)較多、交互數(shù)據(jù)量較大、實(shí)時(shí)性要求較高的特點(diǎn)。

通過(guò)配置高性能自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)服務(wù)端及客戶端工作站和PTP時(shí)間服務(wù)器,使測(cè)試系統(tǒng)硬件處理能力能支持多節(jié)點(diǎn)高并發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、解析處理、集中式比對(duì)分析、結(jié)果判斷、數(shù)據(jù)事后管理等需求。PTP時(shí)間服務(wù)器支持10 ns級(jí)系統(tǒng)授時(shí),以確保測(cè)試系統(tǒng)同一授時(shí)精度,并滿足航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)100 ns級(jí)時(shí)間同步精度和毫秒級(jí)延時(shí)的組網(wǎng)測(cè)試要求。

基于以太網(wǎng)系統(tǒng)搭建的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)客戶端、服務(wù)端和航空節(jié)點(diǎn)接入終端均采用基于socket的網(wǎng)絡(luò)通信,凡涉及有較大的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況時(shí),需要提前對(duì)客戶端、服務(wù)端和航空節(jié)點(diǎn)接入終端測(cè)試數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行同步,以避免因測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中不必要的大批量測(cè)試數(shù)據(jù)傳送而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁堵,進(jìn)而影響到最終測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度。

2.2.3 復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般僅通過(guò)接口數(shù)據(jù)采集比對(duì),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試。即使采用了如OPNET等網(wǎng)絡(luò)仿真工具,依然無(wú)法模擬受復(fù)雜電磁環(huán)境影響后的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能。在傳統(tǒng)航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研制過(guò)程中,必須在后期通過(guò)多架次的實(shí)裝試飛,才能檢驗(yàn)快速時(shí)變的地空/空空地形環(huán)境和電磁環(huán)境下的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層協(xié)議的堅(jiān)固性,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化迭代研發(fā)效率較低、成本高,且一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,需要多次循環(huán)測(cè)試來(lái)定位問(wèn)題。

多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)下的航空數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還原真實(shí)的無(wú)線通信環(huán)境,采用射頻接口互聯(lián)互通的方式,高效地驗(yàn)證和優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體制。

集成了復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈測(cè)試系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[10]:

① 高效率:能夠自定義多種航空平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌沸诺拉h(huán)境,實(shí)時(shí)地處理信號(hào)傳播與注入干擾,全程動(dòng)態(tài)閉環(huán)模擬航空平臺(tái)飛行中時(shí)空路徑下的電磁環(huán)境變化特征,可按預(yù)案執(zhí)行或臨時(shí)調(diào)整仿真參數(shù),極大地提高了測(cè)試效率。

② 可重復(fù)性:在相同參數(shù)配置條件下仿真過(guò)程可準(zhǔn)確再現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境信道特征,可在相同的場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試。

③ 準(zhǔn)確性:無(wú)線信道模擬設(shè)備基于已經(jīng)驗(yàn)證的模型,可仿真各種外場(chǎng)環(huán)境(平原、丘陵、山區(qū)、城市等)、不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(高速、低速等)、不同方向角的入射以及不同的通信制式。

數(shù)據(jù)鏈端機(jī)信號(hào)進(jìn)入復(fù)雜電磁環(huán)境信道模擬設(shè)備的簡(jiǎn)化處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)鏈端機(jī)信號(hào)處理流程框圖

① 外部射頻采集信號(hào)輸入,設(shè)定輸入信號(hào)中心頻點(diǎn)、信道帶寬信息,完成射頻信號(hào)模擬下變頻、濾波和信號(hào)幅度調(diào)理,滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)的采樣要求。

② 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字零中頻信號(hào)后,在數(shù)字信號(hào)處理模塊中進(jìn)行數(shù)字濾波和抽取。

③ 各通道按照組網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)置進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)路由交換和傳輸。

④ 各通道對(duì)接收的各路信號(hào)進(jìn)行信道仿真處理,包括由距離變化帶來(lái)的傳輸時(shí)延、大尺度衰減、多徑時(shí)延、多徑衰減、多普勒頻移及擴(kuò)展、噪聲干擾疊加等。

⑤ 進(jìn)行接收端信號(hào)合成,包括多徑信號(hào)的疊加、多輸入單輸出信號(hào)的疊加,然后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)輸出模擬信號(hào)。

⑥ 完成模擬信號(hào)上變頻、功率調(diào)節(jié)等功能后輸出信號(hào)。

3 測(cè)試任務(wù)流程及用例邏輯

3.1 測(cè)試任務(wù)流程

航空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)測(cè)試是從任務(wù)場(chǎng)景想定出發(fā),分階段完成測(cè)試任務(wù)規(guī)劃和控制、復(fù)雜電磁環(huán)境無(wú)線信道實(shí)時(shí)模擬、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議抓包分析。組網(wǎng)測(cè)試任務(wù)流程圖如圖5所示。

3.2 測(cè)試用例邏輯

系統(tǒng)支持航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議驗(yàn)證,支持復(fù)雜電磁環(huán)境下多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試。列舉常見(jiàn)的測(cè)試用例邏輯和實(shí)現(xiàn)原理如下。

(1) 網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議驗(yàn)證。

傳輸可靠性、單播/組播路由:采用總線協(xié)議抓包,比對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層報(bào)頭控制字。

(2) 多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試。

入網(wǎng)、退網(wǎng)、建立編隊(duì)、修改編隊(duì)成員:采用總線協(xié)議抓包,比對(duì)網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)控制字。

功率/速率自適應(yīng)控制:無(wú)線信道模擬設(shè)備改變信道衰減或注入干擾,總線抓包解析物理層速率、功率參數(shù),統(tǒng)計(jì)子網(wǎng)成員之間數(shù)據(jù)率,用功率計(jì)查看功率調(diào)整。

頻率自適應(yīng)控制:無(wú)線信道模擬設(shè)備加入時(shí)變頻率干擾總線抓包解析頻點(diǎn)信息,用頻譜儀查看頻點(diǎn)切換功能。

(3) 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù):系統(tǒng)配置最大節(jié)點(diǎn)數(shù),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧最大網(wǎng)絡(luò)容量,模擬鏈路資源分配和競(jìng)爭(zhēng)邏輯,總線持續(xù)抓包,驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧邏輯的正確性。

網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間、遲入網(wǎng)時(shí)間、退網(wǎng)時(shí)間:總線持續(xù)抓包,比較網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)狀態(tài)控制字改變的時(shí)間間隔。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量:總線持續(xù)抓包,統(tǒng)計(jì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)固定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)量,并進(jìn)行均值和峰值統(tǒng)計(jì)。

用戶速率:配置節(jié)點(diǎn)數(shù)量和業(yè)務(wù)帶寬,總線持續(xù)抓包,統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)之間用戶數(shù)據(jù)收發(fā)速率。

(4) 鏈路物理層性能測(cè)試。

發(fā)射頻譜框架測(cè)試:設(shè)置端機(jī)發(fā)射參數(shù)、設(shè)置頻譜儀、功率計(jì)、示波器等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器工作參數(shù),啟動(dòng)被測(cè)端機(jī)發(fā)射無(wú)線信號(hào),采集儀器測(cè)試數(shù)據(jù)并判讀測(cè)試結(jié)果。

接收信道性能測(cè)試:設(shè)置接收信道參數(shù)、設(shè)置衰減網(wǎng)絡(luò)鏈路差損、設(shè)置定制化非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源或陪測(cè)端機(jī)發(fā)射無(wú)線信號(hào),統(tǒng)計(jì)解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率并判讀測(cè)試結(jié)果。

4 集成測(cè)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

4.1 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮乃枷?遵循高內(nèi)聚低耦合的原則,采用C/S架構(gòu),通過(guò)運(yùn)行自動(dòng)測(cè)試腳本,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試中的被測(cè)件管理、測(cè)量?jī)x表控制、用例開(kāi)發(fā)/調(diào)試、測(cè)試計(jì)劃生成、測(cè)試執(zhí)行、測(cè)試結(jié)果查看與報(bào)表生成、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)和抓包分析數(shù)據(jù)庫(kù),由于數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),因此選擇MySQL、SQL Server等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)由信道模擬設(shè)備數(shù)據(jù)、儀器數(shù)據(jù)、測(cè)試產(chǎn)品數(shù)據(jù)、測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、測(cè)試用例數(shù)據(jù)、測(cè)試計(jì)劃數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果記錄數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)運(yùn)行管理數(shù)據(jù)組成;抓包分析數(shù)據(jù)庫(kù)由抓包統(tǒng)計(jì)模型庫(kù)、試驗(yàn)效果分析模型庫(kù)等組成。平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖如圖6所示。

4.2 測(cè)試用例腳本實(shí)現(xiàn)示例

以數(shù)傳靈敏度測(cè)試為例,在測(cè)試用例中,由用戶輸入?yún)?shù)(信號(hào)頻率、信號(hào)起始電平、信號(hào)結(jié)束電平、誤碼率門(mén)限等)做參數(shù)校驗(yàn)后,交由業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行處理與計(jì)算。逐級(jí)遞減輸入電平,通過(guò)比對(duì)信號(hào)源原始數(shù)據(jù)和信號(hào)處理模塊輸出的解調(diào)數(shù)據(jù),可以計(jì)算得到誤碼率,通過(guò)與誤碼率門(mén)限進(jìn)行對(duì)比和判斷,確定被測(cè)模塊靈敏度。數(shù)傳靈敏度測(cè)試用例腳本代碼UML類(lèi)圖如圖7所示。

圖7 數(shù)傳靈敏度測(cè)試用例腳本代碼UML類(lèi)圖

4.3 交互界面設(shè)計(jì)

主交互界面體現(xiàn)平臺(tái)前端/后端設(shè)計(jì)思想。以測(cè)試計(jì)劃管理和執(zhí)行為操作主線,測(cè)試項(xiàng)目和被測(cè)產(chǎn)品可任意組合編輯為測(cè)試任務(wù)。測(cè)試用例(腳本)、測(cè)試環(huán)境配置、測(cè)試對(duì)象均可進(jìn)行常態(tài)化維護(hù)并隨任務(wù)調(diào)用。主交互界面如圖8所示。

圖8 主交互界面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化頂層結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì),系統(tǒng)適用于面向算法開(kāi)發(fā)、型號(hào)研制、小批試產(chǎn)、不同廠家型號(hào)產(chǎn)品驗(yàn)證(入網(wǎng)測(cè)試)的各階段需求,可提高檢測(cè)覆蓋率、提高維護(hù)便捷性、降低人為誤差,提升測(cè)試保障效率,全壽命服務(wù)于航空數(shù)據(jù)鏈研制過(guò)程。

系統(tǒng)采用分布式節(jié)點(diǎn)接入,結(jié)合集中式任務(wù)調(diào)度、平臺(tái)配置管理和測(cè)試執(zhí)行等處理流程,構(gòu)建了易迭代、易擴(kuò)展、彈性化的航空數(shù)據(jù)鏈集成測(cè)試環(huán)境,方案設(shè)計(jì)具有較好的先進(jìn)性,也為研究其他大型航空電子系統(tǒng)的綜合檢測(cè)手段提供了較好的借鑒意義。