劉有才，閆云斌 ，裴薇薇，侯瑞博

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 無人機工程系，河北 石家莊 050003；3.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050001；4.中國人民解放軍第32126部隊，遼寧 沈陽 110113)

0 引言

無人機系統(tǒng)屬于大型復(fù)雜高技術(shù)武器裝備，而數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)是其核心部分，綜合運用了無線通信、電子技術(shù)、計算機控制和遙控遙測等多種技術(shù)手段，主要功能是實現(xiàn)地面與空中無人機之間測控信息的實時傳輸[1-4]。

無人機數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)龐大、技術(shù)復(fù)雜、信號頻段高、帶寬大和調(diào)制特性多樣[5-7]。使用數(shù)據(jù)鏈設(shè)備時，最迫切的需求是如何準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，做到設(shè)備“不帶病”飛行，從而保證無人機全系統(tǒng)的安全[8]。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的故障可分為有外在表象的和無外在表象兩大類[9]。有外在表象的故障包括鏈路失鎖、誤碼增大、接收信號AGC電壓減小和設(shè)備供電電壓不穩(wěn)定等，可通過使用操作、經(jīng)驗判斷和分機替換等手段進行判定。隨著數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的持續(xù)使用，會發(fā)生由器件老化等原因?qū)е孪到y(tǒng)性能指標(biāo)降低，此類故障無明顯外在表象，主要表現(xiàn)為頻率漂移增大、輸出功率減小和靈敏度降低等[10]。若發(fā)生了此類故障，當(dāng)作用距離較近時數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仍能正常工作，且不能通過常規(guī)的技術(shù)手段和地面整機聯(lián)調(diào)等發(fā)現(xiàn)故障。只有在無人機飛出一定距離后，才會表現(xiàn)出數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信號強度偏低甚至鏈路失鎖，嚴(yán)重影響任務(wù)達成度并嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。因此，如何及時發(fā)現(xiàn)、正確處理和合理規(guī)避數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的此類故障，對提升鏈路系統(tǒng)的可靠性、保障無人機全系統(tǒng)正常運行和確保任務(wù)完成率，具有非常重要的意義。

本文在綜合考慮無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試要求的基礎(chǔ)上，以便攜式頻譜分析儀為核心儀器構(gòu)建檢測設(shè)備，重點對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行整機性能指標(biāo)測試，包括發(fā)射功率、發(fā)射頻率和接收靈敏度等指標(biāo)的測試，旨在解決傳統(tǒng)無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)測試所用儀器設(shè)備多、測試方法復(fù)雜和對測試人員要求高等問題[11-15]。

1 傳統(tǒng)測試方法

1.1 發(fā)射功率測試

發(fā)射功率測試是指發(fā)射機功率放大器輸出信號的功率測試，測試原理如圖1所示[5]。

圖1 發(fā)射功率測試原理

發(fā)射機功率放大器輸出的大功率信號，經(jīng)同軸衰減器衰減后輸出小功率信號，功率測量模塊對其測量，并在完成功率測量修正后輸出測量結(jié)果。對同一部發(fā)射設(shè)備而言，發(fā)射功率測量應(yīng)為10個工作頻道的輸出功率測量。功率測量修正是對測量系統(tǒng)及測試附件所引入測量誤差的修訂，應(yīng)考慮同一條測試電纜在不同工作頻率下所引入的不同測量衰減等。

1.2 工作頻率測試

工作頻率測試是指發(fā)射系統(tǒng)輸出射頻信號的頻率測量。射頻信號是指發(fā)射機直接輸出未經(jīng)功率放大器放大的信號。工作頻率測試類同于發(fā)射功率測試，測試原理如圖2所示。

圖2 工作頻率測試原理框圖

1.3 接收靈敏度測試

靈敏度測試是指接收系統(tǒng)正常工作時對其輸入端最小信號電平的測試，測試原理如圖3所示。

圖3 接收靈敏度測試原理

靈敏度測試基本過程為：采用有線方式連接發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)，并設(shè)置可調(diào)衰減器的衰減量為零，系統(tǒng)應(yīng)工作正常。設(shè)置發(fā)射系統(tǒng)工作于“去調(diào)制” 狀態(tài)，斷開接收系統(tǒng)輸入端的信號電纜，測量其信號電平并記為A(dBm)。恢復(fù)接收系統(tǒng)輸入端的信號連接，設(shè)置發(fā)射系統(tǒng)工作于“工作”狀態(tài)，逐漸加大可調(diào)衰減器的衰減量，直至接收系統(tǒng)工作異常，記錄此時可調(diào)衰減器的衰減量為B(dB)。則接收系統(tǒng)靈敏度為P(dBm)=(A-B) dBm。

2 檢測設(shè)備設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)檢測設(shè)備主要由系統(tǒng)軟件、控制模塊和測試儀器等組成。設(shè)備全系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)檢測設(shè)備組成

在系統(tǒng)軟件作用下，PC104主控制器模塊控制與管理性能測試和故障診斷的全過程。射頻測量組件完成數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的整機指標(biāo)測試中被測射頻信號的功率測量、頻率測量、信號切換和電平測量與調(diào)節(jié)等，其中，頻譜分析儀用于觀察信號頻譜及調(diào)制信息。

2.2 工作原理

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)被測信號由性能指標(biāo)測試設(shè)備面板“射頻入”端輸入，經(jīng)過K1射頻開關(guān)可切換至功率、頻率和靈敏度等測量通道。小功率信號經(jīng)過K2開關(guān)可直接進入功率探頭通過射頻測量組件進行電平大小測量；大功率信號經(jīng)過同軸衰減器衰減后再進行測量；頻率信號直接進行測量；靈敏度測量通過K3開關(guān)先切入射頻測量組件進行基礎(chǔ)電平測量，然后再切入射頻輸出通道，調(diào)整可調(diào)程控衰減器衰減量最終測出靈敏度值。設(shè)計原理如圖5所示。

圖5 性能指標(biāo)檢測設(shè)備設(shè)計原理

2.3 測量方法

無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的整機指標(biāo)包括發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射功率、工作頻率和接收系統(tǒng)的接收靈敏度等三大類，共計十余項。若采用傳統(tǒng)的測量方法，需要使用功率計、頻率計、頻譜分析儀、同軸衰減器和可調(diào)衰減器等多種儀器、設(shè)備，而且需花費大量的測試時間。

為了實現(xiàn)快速測量，該檢測設(shè)備設(shè)計有多參數(shù)、單過程的快速測量方法，通過簡單地更改測試連接，即可實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)整機指標(biāo)的快速測量，測量過程以圖像化方式進行引導(dǎo)，人機交互友好，操作簡便，整機指標(biāo)多參數(shù)、單過程快速測量原理如圖6所示。

多參數(shù)快速測試方法主要運用了程控自動測試技術(shù)，將所要測量的射頻信號送入大帶寬多路射頻開關(guān)，經(jīng)過控制器的切換，可分別送入頻率測量模塊和電平測量模塊，進而完成頻率和電平的指標(biāo)測試?！吧漕l入”信號先切換至頻率測量模塊可以完成工作頻率指標(biāo)的測試；“大功率”信號經(jīng)過衰減器后送至電平測量模塊可以完成發(fā)射功率指標(biāo)的測試；“射頻入”信號切換至電平測量模塊測得基礎(chǔ)電平，然后切換至射頻衰減模塊，經(jīng)衰減后送至數(shù)據(jù)鏈接收系統(tǒng)，通過控制器控制衰減量的大小，可完成接收靈敏度的指標(biāo)測試。這三類指標(biāo)的測試，只通過“射頻入”和“射頻出”一對測試接口及“大功率”測試接口即可完成，測試連接簡單、方便，測試控制自動、高效，測試數(shù)據(jù)一致性好。

圖6 整機指標(biāo)多參數(shù)、單過程快速測量原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)檢測軟件組成如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件組成

該軟件主要包括通用虛擬儀器庫、專用儀器庫、測試庫、故障定位模塊及維修訓(xùn)練知識庫，可分為管理軟件和測試軟件兩大部分。

管理軟件負(fù)責(zé)測試程序與數(shù)據(jù)庫程序之間信息的傳遞與通訊、人機交互和結(jié)果處理與分析；測試軟件完成具體項目測試過程的控制。基于動態(tài)鏈接庫(DLL)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對測試軟件、測試信息和測試儀器進行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了對無人機裝備分系統(tǒng)的測試。軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，各部分之間相互獨立，具有開放性，便于代碼的重用和更新。

在整機性能測試中，首先選取測量指標(biāo)類型，按照系統(tǒng)提示的連接方法和步驟連接被測對象。在完成裝備類別和被測項目選擇后，進入項目測試。在對指定項目測試完畢后，獲取測試結(jié)果并輸出測試日志。當(dāng)有其他測試項目時，返回測試項目并重復(fù)以上檢測過程，直到測試完畢并結(jié)束測試。性能指標(biāo)測試軟件流程如圖8所示。

圖8 性能指標(biāo)測試軟件流程

性能指標(biāo)測試軟件通過觸控人機交互界面實現(xiàn)對性能指標(biāo)測試設(shè)備的管控，完成發(fā)射功率、工作頻率和接收靈敏度三大類整機指標(biāo)的測試。圖9、圖10和圖11分別為發(fā)射功率、工作頻率和接收機靈敏度測試軟件界面圖。

圖9 發(fā)射功率測試界面

圖10 工作頻率測試界面圖

圖11 接收機靈敏度測試界面

4 效果分析

為了驗證測試系統(tǒng)的有效性，針對某通用型數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，分別采取常規(guī)測試方法和利用測試系統(tǒng)進行性能測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 自動測試與常規(guī)測試對照

測試項目CH1CH2功率/dBm頻率/MHz靈敏度/dB功率/dBm頻率/MHz靈敏度/dB測試時間常規(guī)40.621436.000561-9440.761439.000587-941 h/3人測試系統(tǒng)40.591436.000513-9440.711436.000529-9415min/1人

在對不同型號、大批量數(shù)據(jù)鏈設(shè)備測試后，得出比較結(jié)果，如表2所示。

表2 自動測試與常規(guī)測試比較結(jié)果

內(nèi)容測試系統(tǒng)常規(guī)測試檢測手段定量定性測試方式自動人工檢測結(jié)果一致性好較好測試效率高低人機交互界面友好無對測試人員的要求低高測試數(shù)據(jù)可追溯電子版,自動存儲較困難測試結(jié)果分析有無測試數(shù)據(jù)記錄自動手動

上述測試數(shù)據(jù)表明，自動測試精度等同于常規(guī)測試，測試效率明顯提高；自動測試覆蓋測試全過程，測試效果明顯優(yōu)于常規(guī)測試。

5 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)今無人機數(shù)據(jù)鏈設(shè)備使用單位因缺乏必要的檢測與診斷設(shè)備而難以形成數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)保障能力的現(xiàn)狀，從提高無人機維修保障能力的實際需求出發(fā)，設(shè)計開發(fā)了無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)整機性能指標(biāo)測試系統(tǒng)，提出了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)指標(biāo)多參數(shù)、單過程的快速測試方法，開發(fā)了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)測試設(shè)備，解決了傳統(tǒng)測試所需儀器種類多、操作步驟繁和測試效率低等問題，保證了測試效率和測試準(zhǔn)確度，該系統(tǒng)具有模式多樣、適應(yīng)性強、接口通用、擴展性好、操作簡單和使用方便等優(yōu)點，為無人機數(shù)據(jù)鏈設(shè)備使用單位的維修保障提供了重要的技術(shù)手段。