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(zhì)量安全檢測中心，廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370)

0 引 言

無人機(jī)是智能無人裝備未來發(fā)展的重要方向，在軍工和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景[1]，而無人機(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[2]。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)地面與空中無人機(jī)之間、空中無人機(jī)與無人機(jī)之間，包括遙控遙測指令和數(shù)據(jù)圖傳信息在內(nèi)的實(shí)時(shí)傳輸[3]。在使用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時(shí)，最迫切的需求是如何準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的應(yīng)用邊界，從而保證無人機(jī)開展飛行業(yè)務(wù)的順利進(jìn)行。

無人機(jī)的有效通信距離是一項(xiàng)確定應(yīng)用邊界的重要系統(tǒng)指標(biāo)，也是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，需要發(fā)射功率、接收機(jī)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(diào)統(tǒng)一才能達(dá)到指標(biāo)要求[4]。這項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際檢測涉及環(huán)節(jié)眾多，測試方法復(fù)雜。為更嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確地測試無人機(jī)的有效通信距離，國軍標(biāo)提出了許多模擬和實(shí)際相結(jié)合的測試方法[5]。在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其通信距離通常與實(shí)際業(yè)務(wù)類型有很大相關(guān)性[6]，但當(dāng)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(jī)實(shí)際業(yè)務(wù)狀態(tài)相結(jié)合。驗(yàn)證通信距離應(yīng)用邊界的方式也較為簡單，主要通過觀察無人機(jī)功能狀態(tài)是否異常進(jìn)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(zhǔn)確明晰應(yīng)用邊界。

本文在綜合考慮無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈測試要求的基礎(chǔ)上，以程控衰減器和全電波暗室為核心儀器構(gòu)建自動化測試系統(tǒng)，重點(diǎn)對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的有效通信距離指標(biāo)進(jìn)行測試，并基于吞吐量討論了有效通信距離與實(shí)際業(yè)務(wù)類型間的關(guān)系，旨在解決傳統(tǒng)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)測試所用儀器設(shè)備多、測試方法復(fù)雜、對測試人員要求高和與實(shí)際業(yè)務(wù)相脫節(jié)等問題。

1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸損耗分析

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈完整數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸損耗

如圖1所示，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈包括無人機(jī)地面站、地面站端饋線、發(fā)射天線、接收天線、飛機(jī)端饋線和無人機(jī)飛機(jī)端?；镜耐ㄐ欧匠虨?/p>

(1)

式中：Pt為 發(fā)射機(jī)功放末端輸出的信號功率(W)；Pr為接收機(jī)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(jī)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(jī)之間的饋線損耗；Sf為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的安全裕量，一般取2～4倍。

無線信號從數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)出到接收經(jīng)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(zhì)的能量損耗。從上述損耗組成可以看出，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信距離取決于極限空間傳輸損耗。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信距離測試方法

目前，針對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信距離主要分為實(shí)驗(yàn)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(jì)算法

使用無線測試設(shè)備測試無人機(jī)的接收系統(tǒng)靈敏度、發(fā)射機(jī)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(jī)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(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的λ、Pt、Pr，搭配不同增益的天線可估算出數(shù)據(jù)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(zhǔn)確模擬無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈真實(shí)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(yán)謹(jǐn)考慮，應(yīng)用邊界難以明確。

2.2 傳導(dǎo)牽引距離法

分別將無人機(jī)地面端和飛機(jī)端置于相應(yīng)的屏蔽裝置內(nèi)，在兩個(gè)屏蔽室之間設(shè)置一個(gè)程控衰減器，并通過傳導(dǎo)與無人機(jī)地面端和飛機(jī)端相連接；調(diào)節(jié)從信號發(fā)送設(shè)備發(fā)送至信號接收設(shè)備的信號強(qiáng)度至符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)節(jié)幅度可調(diào)的程控衰減器的衰減量，得到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)下的信號發(fā)送設(shè)備與信號接收設(shè)備之間通信能夠承受的信號衰減極限，根據(jù)此時(shí)程控衰減器的極限衰減量可得到無人機(jī)的有效通信距離。該方法原理如圖3所示。

圖3 傳導(dǎo)牽引距離法測試示意圖

無人機(jī)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(jī)之間的距離(km)，F(xiàn)為無線電波工作頻率(MHz)，A為極限衰減量(dB)。

此方法同時(shí)對無人機(jī)地面站和飛機(jī)端進(jìn)行測試，只利用程控衰減器就可以測出無人機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)數(shù)據(jù)鏈的最大空間傳輸損耗，而是無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈完整數(shù)據(jù)傳輸過程中的基本傳輸損耗，也未能準(zhǔn)確模擬無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈真實(shí)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(jī)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(jī)端和地面站分別置于距離為r的兩個(gè)位置進(jìn)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(jī)端之間的距離(km)。

在發(fā)射機(jī)和天線之間串入衰減器，并持續(xù)加大衰減量直到無人機(jī)功能出現(xiàn)異常。此時(shí)衰減器的值為LA，則無人機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)的極限通信距離R為

R=r·10(LA/20)。

(6)

式中：R為無人機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)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(jī)數(shù)據(jù)鏈的最大通信距離。由于外場測試的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，不可確定因素較多，測試質(zhì)量和一致性較難保證[7]；同時(shí)，也難以實(shí)現(xiàn)自動化測試，測試時(shí)間、人員、設(shè)備等綜合成本較高。

2.4 實(shí)際飛行測量法

將無人機(jī)整機(jī)在外場進(jìn)行試飛實(shí)測，通過RTK(Real-time Kinematic)實(shí)時(shí)三維定位實(shí)時(shí)確定飛機(jī)端和地面站之間的距離R；飛機(jī)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(jī)端相對于地面站的俯仰角應(yīng)在2°～12°之間；通過改變距離R觀察無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信狀態(tài)，從而判斷出系統(tǒng)的通信距離能不能達(dá)到指標(biāo)的要求。但是在實(shí)際的測試工程中，由于缺少標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的試驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)性能測試界限模糊，往往很難準(zhǔn)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(yàn)證指標(biāo)距離。

3 室內(nèi)拉距測試方法

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試雖然穩(wěn)定高效，但很難完全貼合無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境；外場測試雖然還原了無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，但測試環(huán)境的不可控導(dǎo)致測試結(jié)果的不確定性大大增加。為了使拉距實(shí)驗(yàn)的測試環(huán)境穩(wěn)定可控，在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)外場空口傳播環(huán)境十分關(guān)鍵[8]。本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)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(jī)數(shù)據(jù)鏈的遙控遙測有效通信距離和信息傳輸有效通信距離進(jìn)行了測試。

具體測試方法如下：

Step1 將無人機(jī)數(shù)據(jù)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(cè)，通過傳導(dǎo)的方式與暗室內(nèi)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(nèi)拉距測試連接示意圖

Step2 計(jì)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(yuǎn)場條件。

Step3 開啟無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈，設(shè)置無人機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行通信，以0.5 dB步進(jìn)增加程控衰減器衰減量，計(jì)量此時(shí)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(shù)據(jù)接收狀態(tài)，監(jiān)測通信鏈路誤碼率和吞吐量，直到無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能異常，結(jié)束測試。

Step5 根據(jù)公式(6)計(jì)算無人機(jī)數(shù)據(jù)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(guān)系，確定無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的極限有效通信距離。

判斷無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能是否異常，需明確無人機(jī)通信能力是否滿足業(yè)務(wù)需求，依據(jù)具體業(yè)務(wù)情況而定，但不管何種方式的信息交互和業(yè)務(wù)應(yīng)用，都離不開底層數(shù)據(jù)的高速傳輸，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)吞吐量性能是一切上層應(yīng)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(guān)系，更能準(zhǔn)確地把控?zé)o人機(jī)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)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(shí)際情況并非如此，若衰減器加在接收端會增大接收機(jī)前端的等效噪聲溫度，即增加了接收機(jī)前端的入口噪聲。故在實(shí)際測試時(shí)需將發(fā)射端置于暗室外與衰減器進(jìn)行連接，相應(yīng)地，在進(jìn)行上行鏈路有效通信距離測試時(shí)應(yīng)該將地面站作為發(fā)射端、將飛機(jī)端作為接收端，在進(jìn)行下行鏈路有效通信距離測試時(shí)應(yīng)該將飛機(jī)端作為發(fā)射端、地面站作為接收端。

4 室內(nèi)拉距測試結(jié)果分析

本文根據(jù)室內(nèi)拉距測試方法，分別針對7套數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進(jìn)行了測試，包括3套遙控遙測數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、3套信息傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以及1套綜合性數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)通信速率，并標(biāo)記首次出現(xiàn)功能異常的位置(在圖中以紅色點(diǎn)表示)，此時(shí)對應(yīng)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(wù)為實(shí)時(shí)視頻傳輸業(yè)務(wù)，其判斷功能異常的條件為圖像出現(xiàn)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(jī)端未正確執(zhí)行。

3套遙控遙測數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 遙控遙測數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試結(jié)果

3套信息傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 信息傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試結(jié)果

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

圖7 綜合性數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)整理，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果匯總表

表2給出了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信距離測試方法的對比。室內(nèi)拉距測試法可在實(shí)驗(yàn)室自動化完成，人力成本較低，測試效率較高；同時(shí)，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(fù)性；而且可利用吞吐量量化表征通信業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，相對其他測試方法更能貼近實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)的真實(shí)情況。

表2 測試方法對比表

5 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)拉距測試得到了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈吞吐量與通信距離的關(guān)系，可看出當(dāng)無人機(jī)發(fā)生功能異常時(shí)，吞吐量并非為零，且與具體業(yè)務(wù)情況有很大關(guān)系；遙控遙測傳輸數(shù)據(jù)較小，相應(yīng)極限吞吐量較低，信息傳輸數(shù)據(jù)量較大，相應(yīng)極限吞吐量較高[9-10]：故在設(shè)計(jì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信距離時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體業(yè)務(wù)情況需求預(yù)留充足的設(shè)計(jì)余量，建議設(shè)計(jì)通信距離目標(biāo)值應(yīng)小于“有效通信距離-吞吐量”關(guān)系圖的下降平臺拐點(diǎn)值。